集成化水深測(cè)量裝置研發(fā)及應(yīng)用

王文靜，尹學(xué)威，徐健

（1.東海航海保障中心上海海事測(cè)繪中心，上海 200090；2.上海達(dá)華測(cè)繪科技有限公司，上海 200136）

0 引言

海洋測(cè)繪是人類認(rèn)知海洋的重要手段，是海洋一切活動(dòng)的基礎(chǔ)前提[1]。在相當(dāng)一段時(shí)間當(dāng)中，海洋測(cè)量領(lǐng)域中的要素都比較單一，最為主要的是深度和底質(zhì)測(cè)量[2]。深度測(cè)量在水庫(kù)、港口、碼頭、橋梁等工程建設(shè)中發(fā)揮著重要作用，在防洪減災(zāi)的應(yīng)用中也顯示出了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，是一項(xiàng)重要的工程建設(shè)技術(shù)。

隨著項(xiàng)目建設(shè)在施工質(zhì)量和施工效果要求上的不斷提高，對(duì)于水域區(qū)域水深測(cè)量精度也越來越高[3]。 海洋測(cè)繪在技術(shù)應(yīng)用上取得了跨越式發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了測(cè)繪的數(shù)字化、智能化、自動(dòng)化的發(fā)展目標(biāo)，在我國(guó)海洋事業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮愈加重要的作用[4]。單波束測(cè)深系統(tǒng)作為地形測(cè)量、海圖繪制的主要手段之一，憑借其經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)在海洋測(cè)繪中一直擔(dān)當(dāng)著重要角色，但是受限于船舶大小、換能器吃水深度、儀器靈敏度等因素，采用該種方法獲取碼頭前沿及下方、淺水區(qū)等一些特殊區(qū)域的水深數(shù)據(jù)十分困難，目前多采用傳統(tǒng)的人工錘測(cè)方法進(jìn)行，但是該方法準(zhǔn)確度低、效率低。

測(cè)深儀是通過聲波往返換能器面和水底的時(shí)間來間接測(cè)得水深值。聲波的往返時(shí)間取決于設(shè)備中模擬電路部分的發(fā)射接收處理電路和計(jì)時(shí)器的精度。而實(shí)際上真正的水深值是換能器吃水深度+聲波往返時(shí)間×聲速/2 得到，由此可見，換能器吃水深度和聲速成為影響測(cè)量水深精度的主要參數(shù)。但是市場(chǎng)上缺少能夠同時(shí)測(cè)得換能器吃水深度和水下聲速等水文參數(shù)的設(shè)備。為了測(cè)深系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)測(cè)繪自動(dòng)化，進(jìn)一步提高測(cè)量精度，盡可能排除人為誤差，設(shè)計(jì)并集成了一套可以輕松獲取碼頭前沿及其下方、淺水區(qū)等船舶行駛受限區(qū)域水深的集成化測(cè)深裝置。該測(cè)深裝置集成度高，小巧輕便。在工作時(shí)可以自動(dòng)獲取換能器探頭距離水面的深度，可自動(dòng)獲取水下探頭所在位置的聲速值以及水文參數(shù)，從而實(shí)時(shí)修正換能器水深數(shù)值，并可通過網(wǎng)絡(luò)輸出水深數(shù)據(jù)。

文章將從集成化測(cè)深裝置的設(shè)計(jì)、集成化測(cè)深裝置的研發(fā)、穩(wěn)定性及精度校驗(yàn)、實(shí)踐驗(yàn)證等方面，開展了集成化水深測(cè)量裝置研發(fā)及應(yīng)用的研究。

1 集成化測(cè)深裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 集成化測(cè)深裝置的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的集成化測(cè)深裝置包括3 個(gè)部分：電源模塊、測(cè)深模塊、水文參數(shù)測(cè)量模塊。其中，電源模塊為鋰電池設(shè)備，主要為測(cè)深模塊和水文參數(shù)測(cè)量模塊供電；測(cè)深模塊包括DSP 處理器、測(cè)深收發(fā)電路和測(cè)深換能器等設(shè)備；水文參數(shù)測(cè)量模塊包括MCU 主控單元、時(shí)間測(cè)量單元、溫度傳感器、壓力傳感器、聲速測(cè)量收發(fā)電路和聲速測(cè)量換能器。

相應(yīng)傳感器的工作模式如下：

1） 測(cè)深收發(fā)電路的發(fā)射電路將來自DSP 處理器的控制信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)和功放后加載在測(cè)深換能器上發(fā)射出去，水底回波經(jīng)過測(cè)深換能器接收后通過測(cè)深收發(fā)電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后輸出到DSP處理器，AGC、TVG 的控制增益由DSP 處理器的DA 產(chǎn)生。

2） MCU 主控單元發(fā)送控制信號(hào)給時(shí)間測(cè)量單元，時(shí)間測(cè)量單元開始工作產(chǎn)生脈沖控制信號(hào)發(fā)送給聲速測(cè)量收發(fā)電路的發(fā)射電路，經(jīng)過聲速測(cè)量換能器發(fā)射出去，經(jīng)過聲速換能器下面的擋板反射面，由接收電路接收回波信號(hào)，最后返給時(shí)間測(cè)量單元，計(jì)算出一次往返的時(shí)間差，再把時(shí)間差發(fā)送給MCU 主控單元計(jì)算聲速值。

3） 壓力傳感器應(yīng)用于測(cè)量吃水深度，通過MCU 主控單元的命令完成壓力傳感器的數(shù)據(jù)采樣，然后再傳送給MCU 主控單元計(jì)算出吃水深度。

4） 溫度傳感器連接在時(shí)間測(cè)量單元的端口上即可完成水下溫度的測(cè)量，基于電阻對(duì)電容的放電時(shí)間，利用高精度時(shí)間測(cè)量單元的溫度測(cè)量單元，完成高精度和低功耗的溫度測(cè)量。集成設(shè)計(jì)分解圖見圖1。

圖1 集成設(shè)計(jì)分解圖Fig.1 Integrated design composition diagram

1.2 集成化測(cè)深裝置的實(shí)現(xiàn)

硬件集成采用橡膠殼體將聲速儀、壓力傳感器、單波束換能器、線纜接頭、電源指示燈、無(wú)線WIFI 電纜、帶充電頭有線工作電纜等集合在一起。集成化測(cè)深裝置圖見圖2。測(cè)深裝置工作時(shí)，單波束換能器實(shí)時(shí)獲取探頭至水面的水深數(shù)據(jù)，壓力傳感器實(shí)時(shí)獲取探頭的吃水深度，聲速儀和溫度傳感器實(shí)時(shí)獲取探頭位置處的聲速、溫度等。結(jié)合實(shí)時(shí)聲速和探頭實(shí)時(shí)吃水深度可以獲得精確水深數(shù)據(jù)；并把聲圖信息和水深數(shù)據(jù)上傳（通過無(wú)線WIFI 或者有線電纜）至終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的外部傳輸。此外，集成化測(cè)深裝置內(nèi)置大容量可充電的鋰電池，工作時(shí)無(wú)需外部電源進(jìn)行供電。

圖2 集成化測(cè)深裝置設(shè)計(jì)圖及實(shí)物圖Fig.2 Design and physical drawing of the integrated bathymetric device

2 集成化測(cè)深裝置驗(yàn)證與應(yīng)用

JTS 131—2012《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》規(guī)定水深測(cè)量允許誤差為±0.2 m[5]，盡管0.2 m 的水深差不影響航海用圖，但0.2 m 的海底地形和微地貌變化對(duì)海洋工程的設(shè)計(jì)和施工是至關(guān)重要的[6]。為了驗(yàn)證集成化測(cè)深裝置的穩(wěn)定性和精度，以誤差傳導(dǎo)理論為參照分析測(cè)量精度，對(duì)集成化測(cè)深裝置的吃水深度、聲速、內(nèi)符合和外符合方面的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

2.1 壓力傳感器校驗(yàn)

換能器吃水深度是影響測(cè)量水深精度的主要參數(shù)，集成化測(cè)深裝置的吃水深度是通過壓力傳感器獲取。校驗(yàn)時(shí)，使用室內(nèi)的儲(chǔ)水槽，將集成化測(cè)深裝置固定在儲(chǔ)水槽中，始終保持轉(zhuǎn)換器探頭吃水的深度值不變。利用鋼卷尺測(cè)量得到測(cè)深裝置壓力傳感器表面距離水面的高度值，與測(cè)深軟件顯示的傳感器入水深度值進(jìn)行對(duì)比，判斷壓力傳感器的準(zhǔn)確性。

進(jìn)行3 次測(cè)試，入水深度分別設(shè)置為0.2 m、0.5 m 及1 m 時(shí)，測(cè)深軟件顯示的傳感器入水深度分別為0.21 m、0.48 m、1.01 m。單次誤差均在±3 cm 內(nèi)。

2.2 聲速傳感器校驗(yàn)

根據(jù)聲吶水下測(cè)量原理可知，聲速值的準(zhǔn)確性決定了水深測(cè)量的準(zhǔn)確性，及時(shí)獲取測(cè)量點(diǎn)準(zhǔn)確的聲速值是保證水深準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。

校驗(yàn)地點(diǎn)選擇黃浦江某一碼頭前沿區(qū)域，將傳統(tǒng)聲速剖面儀與集成化測(cè)深裝置綁扎在一起，然后下放至水深約0.5 m 處，靜置30 s，待設(shè)備表面溫度與水溫趨于一致后進(jìn)行聲速數(shù)據(jù)同步采集。對(duì)兩者采集的聲速值進(jìn)行比較，差值始終在1 m/s左右。

2.3 水深數(shù)據(jù)內(nèi)符合比對(duì)

具體方法為：分別進(jìn)行室內(nèi)與室外測(cè)量數(shù)據(jù)測(cè)試，對(duì)多次測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行自身比對(duì)，以此判斷其水深測(cè)量的準(zhǔn)確性。

室內(nèi)測(cè)試時(shí)使用前文所述室內(nèi)的儲(chǔ)水槽，將集成化測(cè)深裝置固定在儲(chǔ)水槽中，隨后采集水深數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)過程中始終保持換能器探頭吃水的深度值不變，采集一定時(shí)間的水深數(shù)據(jù)。

進(jìn)行室外測(cè)試時(shí)，在已有水深測(cè)圖的區(qū)域找尋一處水下地形較為平坦處，布設(shè)一條計(jì)劃測(cè)線。測(cè)試時(shí)，將設(shè)備固定安裝在測(cè)量船船舷邊上，測(cè)量船沿該條計(jì)劃測(cè)線進(jìn)行往返勻速測(cè)量，利用Hypack 軟件采集數(shù)據(jù)。如表1 所示，通過對(duì)往返測(cè)線水深差值比對(duì)，在52 個(gè)差值數(shù)據(jù)中，20 cm以內(nèi)的差值占比100%，符合JTS 131—2012《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》要求。

表1 內(nèi)符合水深差值比對(duì)表（計(jì)劃測(cè)線）Table 1 Comparison of internal compliance with the difference in water depths(planned survey line)

2.4 水深數(shù)據(jù)外符合比對(duì)

將集成測(cè)深裝置與傳統(tǒng)單波束測(cè)深系統(tǒng)同步測(cè)量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，以此驗(yàn)證集成化測(cè)深裝置的可靠性和準(zhǔn)確性。其中，集成化測(cè)深裝置進(jìn)行水深數(shù)據(jù)采集時(shí)，使用Hypack 軟件記錄測(cè)深點(diǎn)的位置信息和深度信息。參與比對(duì)的傳統(tǒng)單波束測(cè)深儀選用無(wú)錫海鷹公司的HY1600 型單波束測(cè)深儀。

將集成化測(cè)深裝置和傳統(tǒng)單波束測(cè)深儀這2套不同設(shè)備安裝在測(cè)量船船舷同一側(cè)，2 套設(shè)備間距相距30 cm，兩者的換能器吃水均為50 cm，認(rèn)為兩者同步采集的水深數(shù)據(jù)理論上一致。采集作業(yè)方法同內(nèi)符合室外測(cè)試的作業(yè)方法一致。完成數(shù)據(jù)采集后，將2 個(gè)設(shè)備測(cè)量的水深成果進(jìn)行差值比對(duì)。

數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)業(yè)編輯后，比對(duì)差值在±20 cm 以內(nèi)的占比為99.68%，僅有5 個(gè)點(diǎn)差值在20～30 cm之間，如表2 所示。通過查看聲圖信息，發(fā)現(xiàn)比對(duì)差值較大的測(cè)量點(diǎn)，存在水下地形輕微起伏的情況，由于2 設(shè)備固定位置具有一定間距，故造成了個(gè)別點(diǎn)出現(xiàn)差值較大的現(xiàn)象。

表2 內(nèi)符合水深差值比對(duì)表Table 2 Comparison of internal compliance with the difference in water depths

3 應(yīng)用

在黃浦江全測(cè)項(xiàng)目中，采用該集成化測(cè)深裝置獲取了船舶難以施測(cè)的碼頭前沿的水深數(shù)據(jù)，改變了以往人工打水砣的作業(yè)方式，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了效率。應(yīng)用結(jié)果表明，該裝置手持式作業(yè)時(shí)可進(jìn)行單點(diǎn)打標(biāo)，實(shí)時(shí)顯示出測(cè)點(diǎn)的水深值，同時(shí)可以保存電子測(cè)深紙格式且可以回放查看。

4 結(jié)語(yǔ)

文章詳細(xì)分析了集成化測(cè)深裝置的設(shè)計(jì)、集成化測(cè)深裝置研發(fā)、穩(wěn)定性及精度校驗(yàn)、實(shí)踐驗(yàn)證，進(jìn)行了集成化水深測(cè)量裝置研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了集成化測(cè)深裝置的應(yīng)用。針對(duì)碼頭前沿、淺水水域等水深數(shù)據(jù)獲取困難的區(qū)域，有別于傳統(tǒng)人工測(cè)量水深的方式，利用該裝置可以獲取準(zhǔn)確的水深數(shù)據(jù)。該裝置具有一定的便攜性，且可以自動(dòng)獲取吃水、溫度、聲速等數(shù)據(jù)，達(dá)到水深測(cè)量的精度要求，具有一定的實(shí)用性。