多波束測深系統(tǒng)在航道水深監(jiān)測中的應(yīng)用

摘 要：水下地形測量在水庫、水運航道等水域的治理開發(fā)中尤為重要，關(guān)系水庫總水量的計算、發(fā)電機組的安全和航運的安全。現(xiàn)如今水深測量方法眾多，多波束測深系統(tǒng)作為一種水下地形探測的方法。將多波束測深系統(tǒng)應(yīng)用于航道水深監(jiān)測，通過定期對監(jiān)測水域進(jìn)行水深掃測，能夠及時掌握所監(jiān)測水域不同時期水深狀況，探明水下礙航物或礙航水深高點；通過對不同時期所測水深數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，還可以總結(jié)出所監(jiān)測水域水深變化規(guī)律，具有精度高、高效率等多方面的優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：多波束測深系統(tǒng)；水深監(jiān)測；礙航物；誤差來源；變化規(guī)律

中圖分類號：P229

1 引言

近年來，隨著我國綜合國力的提升，進(jìn)出口貿(mào)易的蓬勃發(fā)展，港口水運行業(yè)持續(xù)發(fā)展，船舶的噸位屢創(chuàng)新高。航道作為進(jìn)出港口的水道，需要有足夠的水深才能保證船舶的安全航行。受自然條件的限制，我國部分港區(qū)航道多為人工疏浚航道，疏浚會導(dǎo)致航道及附近水域海底原有的水流泥沙條件被改變，使海底常存在有企圖恢復(fù)原地形的趨勢，因此往往會出現(xiàn)泥沙回淤現(xiàn)象，導(dǎo)致航道部分水域水深變淺。隨著時間的推移，水深不斷變淺，當(dāng)有部分區(qū)域水深小于一定深度時，就會影響船舶的安全航行[1]。因此，部分港區(qū)會在航道開挖并投入運營后，進(jìn)行航道水深定期測量，及時掌握航道水深情況，保障航道運營安全。

目前，行業(yè)內(nèi)普遍使用的水深測量設(shè)備主要有單波束測深設(shè)備、多波束測深設(shè)備2種。單波束測深設(shè)備，只能得到沿測量船航跡方向的一排水深點，航線之間的水域部分無水深數(shù)據(jù)，無法做到對既定海域海底地形的全覆蓋掃測[2]。多波束設(shè)備為條帶式掃海系統(tǒng)，發(fā)射一次可接收幾十個甚至上百個回波信號，可以得到垂直測量船航跡線一定寬度范圍內(nèi)的水深值，掃測寬度根據(jù)多波束設(shè)備的開交和具體的水深值，根據(jù)勾股定理可簡單計算。在測量船速、測線布設(shè)、波束開角等因素控制得當(dāng)?shù)那闆r下，能夠?qū)崿F(xiàn)對既定海域海底地形高精度、無遺漏全覆蓋掃測，具有單波束測深無法比擬的優(yōu)勢。

2 多波束測深系統(tǒng)

2.1 組成及工作原理

多波束測深系統(tǒng)是一種多傳感器的復(fù)雜組合系統(tǒng)（如圖1所示）。一套完整的多波束系統(tǒng)，除了具有波束發(fā)射接收換能器陣和信號控制處理電子系統(tǒng)外，還應(yīng)具有GPS接收機、羅經(jīng)及姿態(tài)傳感器、聲速剖面儀等輔助設(shè)備，以及數(shù)據(jù)采集、顯示、處理設(shè)備及相關(guān)軟件。

多波束測深系統(tǒng)的工作原理是利用安裝于測量船上的換能器陣列向與航向垂直的海底發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波，利用接收換能器陣列對聲波進(jìn)行窄波束接收，通過發(fā)射、接收扇區(qū)指向的正交性形成對海底地形的照射腳印，通過對這些腳印進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚l(fā)射一次波束便能得到與航向垂直的垂面內(nèi)上百個甚至更多的海底被測點的水深值，將獲得的水深值與同時所采集的導(dǎo)航定位及姿態(tài)數(shù)據(jù)相結(jié)合進(jìn)行一系列后處理，便能得到所測區(qū)域海底水深圖及海底地貌三維立體圖[3]。

2.2 工作流程

采用多波束測深系統(tǒng)獲取精確水深數(shù)據(jù)包括儀器安裝、校準(zhǔn)參數(shù)測定、外業(yè)施測、內(nèi)業(yè)處理4個工作流程。

2.2.1 儀器安裝

儀器安裝是多波束測量的一個重要環(huán)節(jié)，各部件安裝是否牢固、安裝位置是否合理，都會直接影響外業(yè)施測數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量。

換能器一般安裝在導(dǎo)流罩上，并通過安裝桿固定安裝在測量船上，安裝位置應(yīng)遠(yuǎn)離柴油機、螺旋槳等噪聲源，減少噪音對數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響，換能器及安裝桿的安裝一定要牢固，避免在行船過程中因換能器的抖動而造成所采集的原始水深數(shù)據(jù)失真。羅經(jīng)及姿態(tài)傳感器應(yīng)固定安裝，并盡量水平面平行，安裝位置宜盡量靠近測量船的重心。定位儀應(yīng)安裝在開闊區(qū)域，避免障礙物的遮擋，安裝一定要穩(wěn)固，避免在測量過程中產(chǎn)生位移。

2.2.2 參數(shù)校準(zhǔn)

多波束系統(tǒng)固定安裝后，需要測定安裝偏差角度參數(shù)，包括橫搖偏差角度（Roll）、縱搖偏差角度（Pitch）及船艏偏差角度（Yaw），在實際測量過程中，可以通過實測特殊地形的方法來測定這3個偏差角度。選擇平坦區(qū)域布設(shè)一條測線，使用測量船按相同速度，正反2個方向采集兩條斷面數(shù)據(jù)，根據(jù)2條測線的橫斷面數(shù)據(jù)測定多波束換能器與姿態(tài)儀的橫向偏差數(shù)據(jù)（Roll）；選擇水深變化大的區(qū)域布設(shè)1條測線，使用測量船按相同速度，正反2個方向采集2條斷面數(shù)據(jù)，根據(jù)2條測線的橫斷面數(shù)據(jù)測定多波束換能器與姿態(tài)儀的縱搖偏差數(shù)據(jù)（Pitch）；選擇水深變化大的區(qū)域布設(shè)2條測線（測線間距為單條測線覆蓋寬度的2/3），駕駛測量船按相同速度、同向采集水深數(shù)據(jù)，使用2條測線的邊緣重合數(shù)據(jù)計算艏搖偏差數(shù)據(jù)（Yaw）。

2.2.3 外業(yè)測量

為了保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，外業(yè)測量應(yīng)盡量選擇在風(fēng)浪較小的天氣狀況下進(jìn)行，測量船應(yīng)盡量保持沿預(yù)先布置好的測線勻速、直線航行，船速不宜過大，應(yīng)盡量保持在6節(jié)以內(nèi)，每條測線結(jié)束后，應(yīng)保持原航向航行一段距離后再轉(zhuǎn)向，避免因急轉(zhuǎn)向而導(dǎo)致羅經(jīng)及姿態(tài)傳感器不穩(wěn)定，造成測量數(shù)據(jù)的失真。

2.2.4 數(shù)據(jù)處理

將外業(yè)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換并導(dǎo)入專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件，瀏覽并檢查各傳感器數(shù)據(jù)，對突變的定位數(shù)據(jù)、羅經(jīng)數(shù)據(jù)及姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，刪除質(zhì)量較差的邊緣波束數(shù)據(jù)，剔除失真數(shù)據(jù)。

3 應(yīng)用案例

2019年，公司承擔(dān)了某港區(qū)航道及附近水域水深監(jiān)測的任務(wù)，其目的是及時掌握該航道水深變化情況，為該航道維護性疏浚及船舶的安全通航提供水深依據(jù)。

3.1 儀器設(shè)備的選擇

使用R2 SONIC 2024多波束測深儀采集水深數(shù)據(jù)。使用GNSSS衛(wèi)星定位系統(tǒng)采集坐標(biāo)數(shù)據(jù)及提供PPS同步脈沖信號。使用OCTANS光纖羅經(jīng)實時采集測量過程中船的姿態(tài)及艏向。使用表面聲速計實時測量多波束換能器位置海水的聲速值，實時傳遞給多波束系統(tǒng)控制軟件。使用聲速剖面儀按時間采集水域內(nèi)分布均勻的多點聲速剖面。

3.2 儀器設(shè)備的安裝校準(zhǔn)

本次工程所使用的測量船長24 m，寬4.8 m。將R2 Sonic 2024多波束測深儀的換能器安裝在測量船的左舷距船尾9 m處；OCTANS光纖羅經(jīng)安裝在測量船的縱軸線上，盡量靠近船舶的穩(wěn)心；GNSS接收機的天線盤安裝在多波束換能器安裝桿的頂端；以換能器安裝桿與海水面交點作為參考原點建立數(shù)學(xué)坐標(biāo)系，精確測定換能器、姿態(tài)儀、GNSS接收機天線盤等傳感器相對于參考原點的位置。

本次工程的參數(shù)校準(zhǔn)工作選擇在航道邊坡附近進(jìn)行，在每次測量開始前均進(jìn)行了多波束系統(tǒng)的參數(shù)校準(zhǔn)工作，測定了多波束測深系統(tǒng)聲吶換能器安裝偏差角度。

3.3 外業(yè)施測

3.3.1 潮位測量

為控制測區(qū)水位，在測區(qū)內(nèi)部布設(shè)臨時水位站（2#水位站），2#水位站與測區(qū)最遠(yuǎn)位置直線距離不超過2.7 km，使用固定投放于海底的自容式潮位儀自動進(jìn)行水位測量。為聯(lián)測2#水位站零點高程，在青島港前灣港區(qū)拖輪碼頭前沿布設(shè)臨時水位站（1#水位站），使用固定投放于海底的自容式潮位儀自動進(jìn)行水位測量，并于碼頭前沿設(shè)置人工驗潮點，以測區(qū)附近的水準(zhǔn)點M2為起算點，按四等水準(zhǔn)測量技術(shù)要求引測驗潮點高程。

于水深測量開始前將各潮位儀分別固定投放于1#、2#水位站位置，設(shè)定驗潮儀每10 min記錄一個數(shù)據(jù)，在潮位儀進(jìn)行水位測量期間，同時測量測區(qū)氣壓值。根據(jù)潮位儀各個時刻的記錄數(shù)據(jù)，結(jié)合對應(yīng)時刻的氣壓值，計算1#、2#水位站各個時刻水深值。

為聯(lián)測1#水位站潮位儀零點高程，選擇天氣狀況良好、風(fēng)浪較小的工天，采用人工觀測方式測量水位。于每天水深測量前10 min開始觀測水位，水深測量結(jié)束后10 min結(jié)束水位觀測，水位觀測期間每10 min觀測記錄1次水位，每次觀測2遍取均值作為對應(yīng)時刻水位。根據(jù)人工觀測水位數(shù)據(jù)及同時刻該水位站水深值，計算1#水位站潮位儀零點高程。根據(jù)1#、2#水位站同步觀測水位，采用同步期平均海平面法計算出2#水位站潮位儀零點高程，繼而計算出2#水位站各時刻水位，采用該水位站水位對測深數(shù)據(jù)進(jìn)行單站水位改正。

3.3.2 測線布設(shè)

測線沿航道走向方向布設(shè)。參照測區(qū)以往水深資料，并綜合考慮水深及船舶航行時的偏航影響，測線間距設(shè)置為45 m。

3.3.3 水深測量

外業(yè)測量時使用HYPACK 2010版測量軟件實時導(dǎo)航定位，使用Qinsy 9.1版多波束數(shù)據(jù)采集軟件實時采集水深、姿態(tài)、定位等數(shù)據(jù)，并將各傳感器數(shù)據(jù)按照國際標(biāo)準(zhǔn)融合成XTF格式數(shù)據(jù)文件。掃測期間使用多波束中心控制軟件，人工交互式控制采集水深門檻、功率、增益等，盡量保證多波束水深及其他各傳感器的數(shù)據(jù)良好。

3.3.4 聲速測量

外業(yè)測量期間，根據(jù)每個工天外業(yè)施測的實際情況，結(jié)合多波束測深系統(tǒng)表面聲速計所反映的換能器位置聲速的變化情況，選擇測區(qū)內(nèi)水深較深并具有代表性的地方對測區(qū)聲速進(jìn)行了測量。數(shù)據(jù)后處理時，按“最近距離”的改正方式進(jìn)行聲速改正。

3.4 數(shù)據(jù)處理

外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作完成后，使用業(yè)內(nèi)認(rèn)可度較高的Caris 11.3版軟件處理所采集的多波束數(shù)據(jù)。處理流程采用行業(yè)內(nèi)通用流程，先檢查、編輯定位、姿態(tài)、潮位、聲速剖面等各傳感器數(shù)據(jù)，后經(jīng)過校準(zhǔn)、吃水改正、聲速改正、潮位改正、數(shù)據(jù)融合、子區(qū)編輯等一系列后處理后得到水深圖。

3.5 結(jié)果分析

分別于2020年12月、2021年9月對該航道監(jiān)測水域進(jìn)行了多波束水深掃測。將2020年掃測水深數(shù)據(jù)與2021年掃測水深數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，航道東邊界區(qū)域出現(xiàn)大約10 cm的回淤現(xiàn)象，航道西邊界區(qū)域出現(xiàn)大約10 cm的回淤現(xiàn)象，航道中心區(qū)域出現(xiàn)大約10 cm的沖刷現(xiàn)象；將2021年水深成果圖中的20 m等深線與2020年掃測水深圖中的20 m等深線進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)航道東邊界20 m等深線侵入航道內(nèi)最大為27 m，較2021年增加了約20 m。西邊界20 m等深線向航道內(nèi)方向有少許侵入但都未侵入航道以內(nèi)。

在處理多波束水深數(shù)據(jù)過程中發(fā)現(xiàn)航道西邊界外4處疑似拋泥的區(qū)域，具體位置分布如圖2所示。

疑似拋泥點1：大地坐標(biāo)B=xx°59′39.62″N，L=xxx°20′07.16″E；平面坐標(biāo)X=xxxx966.52，Y=xxx236.10。高出原泥面最大約1.0 m，范圍大小約為30 m×35 m。測深點位分布如圖3所示。

疑似拋泥點2：大地坐標(biāo)B=xx°59′21.49″N，L=xxx°20′09.98″E；平面坐標(biāo)X=xxxx407.96，Y=xxx308.66。高出原泥面最大約0.8 m，范圍大小約為25 m×15 m。測深點位分布如圖4所示。

疑似拋泥點3：大地坐標(biāo)B=xx°59′19.12″N，L=xxx°20′14.98″E；平面坐標(biāo)X=xxxx335.34，Y=xxx434.16。高出原泥面最大約1.5 m，范圍大小為30 m×20 m。測深點位分布如圖5所示。

疑似拋泥點4：大地坐標(biāo)B=xx°59′09.20″N，L=xxx°20′14.68″E；平面坐標(biāo)X=xxxx029.56，Y=xxx427.70。高出原泥面最大約1.3 m，范圍大小約為20 m×25 m。測深點位分布如圖6所示。

4 結(jié)語

文章主要介紹了多波束測深系統(tǒng)的組成、工作原理、測深流程以及在測深過程中需要注意的問題，并將其應(yīng)用在某航道水深監(jiān)測中，通過比較2020年、2021年兩期水深，闡述了該航道海底沖刷情況，探明了四處疑似拋泥區(qū)域，為該航道的維護性疏浚及船舶的安全通航提供了重要依據(jù)。

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