外業測量因素對多波束測深系統的影響分析

常列

（廣州海事測繪中心，廣東 廣州 510000）

外業測量因素對多波束測深系統的影響分析

常列

（廣州海事測繪中心，廣東 廣州 510000）

本文主要介紹外業測量中多波束換能器安裝、船速、船體震動以及測區聲速對多波束測量的影響。通過對比不同條件下多波束測深系統采集數據的質量，分析外業因素對所采集數據的影響，以期為使用小型船舶測量的外業參數提供參考。

多波束測深系統；換能器；GPS；流噪聲；空化

1 多波束測深系統

多波束測深系統（Multibeam Echo Sounder，MBES，以下簡稱多波束），又稱為多波束測深儀、條帶測深儀或多波束測深聲吶等，能快速準確地獲取大面積海底形態信息，為海底地形地貌勘測提供了一種有效手段［1］。

使用多波束進行外業采集時，換能器的安裝、船速、船體震動及聲速等外業因素對數據采集有較大影響。特別是使用小型船舶進行測量任務時，換能器的安裝位置決定了作業是否安全、采集效率的高低及采集數據的質量；采集作業時，船速的快慢直接導致換能器位置氣泡的多少；船體的震動則影響換能器的采集質量。為了保證測量質量，要盡量降低各外業因素對采集數據的影響［2］。本文主要分析換能器安裝、測量船舶及測區聲速三個因素對多波束數據采集的影響，最終獲取最佳外業因素設置參數（適用于長度不超過20m，寬度不超過6m的小型船舶）。

2 換能器安裝影響分析

2.1 測深架的安裝

換能器的安裝對多波束數據采集的質量影響是第一位的，安裝過程中需要考慮換能器的安裝位置、測深桿如何垂直船體以獲取最小震動效果。本次分析過程中，測量船舶為長14m，寬4m的小型測量船。在綜合考慮測量船舶的發動機、螺旋槳位置等后，最終選取測量船舶的右前方安裝換能器。該位置遠離船舶螺旋槳和發動機，船體撓曲較小，測量時可以避免過往船只的影響。

測深架采用上下垂直兩點固定、前后繩縱向固定、過底鋼纜橫向固定的安裝方式。出于后期數據處理方便考慮，GPS安裝在測深桿處，后期無修正（見圖1）。

圖1 多波束安裝示意圖

2.1.1 測深桿規格選取。多波束換能器、測深架體積較大，重量約50kg。測深桿受彎不足時容易導致換能器強烈震動，影響采集數據，產生蝴蝶狀數據（不可逆）。測深桿震動狀態采集數據見圖2。

圖2 測深桿震動狀態采集數據

考慮到測深桿承受力，主要分為以下兩種情況：①拉力：拉力除以鋼管截面積小于鋼管允許拉應力即可；②受彎：局部最大應力應小于超過允許應力。

其中，最大彎曲正應力的計算公式是：σ=M/（γx× Wnx）。最終根據計算選取83mm×2.5mm規格鋼管。震動減弱后蝴蝶狀數據現象消失。

2.1.2 測深桿固定點選取。如圖1所示：實驗船舶選取1、2兩點為測深架上下固定點。盡可能減少行駛過程中對換能器的震動影響（見圖3）。

圖3 測深桿震動消除狀態采集數據

2.2 多波束探頭深度選取

外業采集中，換能器的吃水深度主要取決于以下幾個因素。

2.2.1 采集區域波浪大小。波浪較小區域且采集區域水深普遍較小時，換能器深度可適當小一些，這可以避免因吃水過深導致采集范圍窄，以及水深過淺時導致換能器碰撞。波浪較大區域流噪聲較大，換能器處容易產生氣泡，影響采集效果。可根據測區水深調節換能器吃水量。

2.2.2 采集船舶時速大小。一般在以6節時速進行采集時，換能器吃水調節超過1m，這是為了避免流噪聲過大產生氣泡。

3 測量船舶影響分析

3.1 機械噪音

測量船舶產生的噪音主要由發動機、螺旋槳、發電機、過往船舶等引起。其中，發動機、螺旋槳和發電機可看作是測量船舶自身震動，過往船舶和其他因素引起的噪音可以看作是外力震動。

3.1.1 自身噪聲震動。測量過程中，船舶自身的發動機、螺旋槳以及采集過程中過往船舶為引起震動的主要因素。其中，螺旋槳占有害震動的70%（船舶的主要激勵）。因此，多波束換能器應盡量遠離螺旋槳，考慮到船體撓曲率的影響，最終選取測量船舶右前方三分之二處。該位置遠離螺旋槳和發動機，船體撓曲較小，船面及船體吃水處兩點可垂直。

3.1.2 外力噪聲震動。測量時，測區一般有較多來往船只，測量船需盡量遠離過往船只，盡量減少因過往船只經過造成的氣泡影響。①盡量順航道進行測量，避免安全事故的發生；②當測線內有船舶在前方時可減速或者更換測線，避免因前方船只產生氣泡而導致的數據質量差等情況的發生。

3.2 流噪聲及空化

船舶的流噪聲主要是由船體與海水碰撞導致的。因此，在測量時需要控制船速，避免因速度過快在換能器處產生大量氣泡。本次測量船舶的船速控制在6節內。

水力空化是指在液體經過的管道某處人為制造低壓強、高流速的狀態，當液體壓強小于飽和蒸汽壓時，液體中的氣泡就會不斷膨脹，體積變大。而大量氣泡導致的結果就是換能器聲速接收困難，從而導致測量不準甚至失敗。

3.3 船體撓曲

由于采集船舶外船舷并非直上直下，一般為從上開始向內彎曲。為了保證換能器與水面垂直，需在船體下面安裝固定點，如圖1中點2的位置。

4 聲速影響分析

測量工作中，聲速主要取決于由三個參數：鹽度、溫度、壓力。

由于本次采用的多波束不含表層聲速儀，因此，測量時需要對聲速進行實時改正。改正方法為：①測區內每2km進行一次聲速測量；②河口、入?？诘忍帉崟r測量聲速進行修正。

5 結語

在使用多波束進行外業測量時，為保證采集數據規范、正確，需對影響采集的外業因素進行實時矯正。根據測量船舶情況確定換能器的安裝位置，測深架需要減弱或避免震動帶來的影響，在沒有表層聲速儀時需要對聲速進行實時改正。本文對小型船舶進行測量具有較強的參考價值。

［1］國家質量技術監督局.GB12327-1998，海道測量規范［S］.北京：中國標準出版社，1999.

［2］國家測繪局.CH1016-2008，測繪作業人員安全規范［S］.北京：測繪出版社，2008.

Analysis of Influence of Outside Surveying Factors on Multibeam Echo Sounder

Chang Lie
（Guangzhou Marine Surveying and Mapping Center，Guangzhou Guangdong 510000）

This paper mainly introduced the field measurement of multibeam transducer installation,speed,vibration and sound velocity measuring area hull of multibeam measurement effect.By comparing the quality of data collected by multibeam echo sounder under different conditions,this paper analyzed the influence of foreign factors on the collected data.The author hopes that the research in this paper can provide reference for external parameters of small ship survey.

multibeam echo sounder；transducer；GPS；flow noise；cavitation

P229.1

A

1003-5168（2017）07-0097-02

2017-06-02

常列（1985-），男，本科，助理工程師，研究方向：海洋測繪。