多波束系統在長江航道測量中的應用分析

舒升元　程龍

摘 要：多波束作為一種高新測量技術，在當前水運航道測量中應用廣泛。本文介紹了多波束系統的組成及工作原理，對其布設要求和方法進行了詳細分析，對以后類似的工程有一定的借鑒作用。

關鍵詞：多波束；長江航道；測量；應用

中圖分類號：U675.4 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2017）09-0046-02

長江干線航道全長1200多公里，相關單位也在大力建設和推廣長江電子航道圖，這些信息技術給貨船航行帶了極大便利。航道測量是制作電子航圖的基本工作，其重要意義不言而喻。多波束系統憑借高分辨率、高精度性等特點在當前長江航道測量工作中得到廣泛應用。

1 多波束系統組成及工作原理

多波束測深系統也被稱作多波束測深聲吶，設計初衷是為了提高海底地形的測量效率。與傳統單波束測深系統一次只能測量一個點相比，多波束系統可一次獲得一個條帶索覆蓋區域多個海底點的深度值，實現了“由點-線”到“由線-面”的進步，效率成倍提高。

多波束測深系統主要包括三大子系統：①多波束發射接收換能器陣及信號控制處理系統；②輔助設備，包括衛星定位系統（提供大地坐標）、船體運行狀態測量儀器、聲速剖面儀等；③相關數據處理軟件。

多波束測深系統能夠有效得到水下地形，得到精度較高的水下三維地形圖。該系統的工作原理是利用發射器陣列向水底發射一定寬度的扇形覆蓋聲波，利用聲波遇到障礙物反射原理對其進行收集，通過這“一放一收”過程來對水底地形照射腳印，之后對這些信息進行信號處理就能得到成百上千個被測點的深度值，這樣就可以制作出精確的水底三維地形圖。

2 多波束測線布置的具體要求

由多波束測深系統的工作原理可知：只要聲波能覆蓋到的范圍，均可以納入測量范圍，測量工作與測量船體的航行狀態無關。但是在實際應用中，受限于航行安全、測量精度、經濟成本等多方面因素，必須要根據航道的實際情況進行科學布置測線，既要保證航道覆蓋面，又要盡可能使測點均勻分布。

多波束測深系統的測線布置主要應滿足以下兩個原則：①要求技術上科學合理，且系統可靠；②力求測量成本較低，有較強的經濟性。測線布置的疏密程度應符合測量標準，若過密則造成很多測線數據不能發揮作用，浪費資源；測線過疏則會造成有盲區存在。多波束系統在測量水運航道時，應遵循“利于作業展開和地形顯示，且要求對障礙物進行精準測量”，具體要求有以下幾點：

（1）測線要求平行布設。區域內的測線應為彼此平行關系，且走向也要符合航道底部等深線走向，這樣布置可盡量擴大測線范圍，提高覆蓋率。由實際經驗可知：長江航道為典型的“U”型橫斷面，航道水深由中間向兩側減小，因此長江航道的等深線走向基本和航道走向一致，因此布設測線時也盡量沿航道設計布設（見圖1所示）。

（2）各個測線測量范圍應有重疊。航道測深是建設航道、保證行船安全的基礎，不得存在半點盲區，因此要求測線網可將測區航道全面覆蓋。多波束測深系統測量模式是“由點到面”，雖然可大幅度提高測深效率，但是也存在信號干擾區。由下圖2可知：在位于測深系統中心下部某一范圍，其反射信號清晰，探測效果也很好；而位于邊緣的反射波由于散射明顯，很多反射波都不能被接收器有效接收，因此得到的有效波較少，信號質量存在較大干擾。因此要求相鄰測線的探測范圍必須要有一定的重疊區，以保證每一區域的信號清晰、可靠為標準。

（3）主測線長度應稍大于測區范圍。多波束測深系統雖然具有效率高、精度好等優點，但是也存在系統復雜、受干擾因素多等缺點。由于該系統安設于船體之上，而船體在行駛中的轉彎、搖晃、速度變化等因素均可造成探測誤差。所以測量船體應提前進行測線測量，在航行中由巡警提前開道，為保持勻速直線航行創造條件。在布設主測線時應保證其長度稍大于測區范圍，這樣測量船可提早上線，可有效保證多波束測深系統的穩定性和準確性。

（4）測線總長度不得過大。長江航道水深呈現“中間大，兩邊小”的特點，因此在布置測線時可適當加密邊緣航道測線，而航道中間測線可適當稀疏（但不得超過有效測寬的80%），這樣可合理分配測深資源。測線條數越少，相應的系統復雜性也越低，得到的測量數據也越清晰準確，后續處理工作也變得較為容易。

（5）布置一定數量的檢查測線。檢查測線的作用是檢驗測深系統的準確性和可靠性，垂直于主測線均勻布置。檢查側線布置位置在于平坦區，數量不得過少，要求檢查測線總長度大于主測線總長度的5%。測檢測線可采用單波束或多波束測線，但當采用后者時，其只收集回波清晰區數據即可。

（6）復雜區應加密測線。測線的布置密度和測量精度呈正比關系，因此在航道復雜區應加大采樣點密度，以提高對該區域水底地形分辨率。若在測深作業中發現了沉船、巖礁等障礙物，應以障礙物為中心布設“井”字型加密測線，多方向、多角度獲取障礙物的詳細信息。

3 長江航道多波束測線布設方法分析

進入新世紀以來，相關部門多次組織了長江航道測深工作，日常每隔一段時間的測深屬于維護性測量，因此可充分利用前期的測量成果，“先驗水深”測量法在長江航道測深工作中得到廣泛應用。

3.1 布設思路分析

有幾何圖形計算可知：多波束測線系統的一次測寬D由水深H和多波束入射角θ決定，三者關系式如（3-1）。根據之前資料測得的航道寬度、水深等，可以適當調整多波束入射角θ，在保證測線的全覆蓋和重疊率的前提下，最大限度地減少測線數量。

3.2 多波束測深系統布設流程分析

多波束測線布設方法一般是“由中間向兩端”延伸，第一條測線布設于最深處，并估算出該測線的測寬，之后根據其測寬值來確定相鄰測線位置，直到測線系統覆蓋整個航道。具體流程如下：①根據以往資料估算航道各段水深，為后續測線布置打下基礎；②找出測區中最大水深的大致位置，并布設主測線和調整入射角度；③完成上述兩步驟后，按照圖3進行多波束測線系統的布設。

3.3 與“等距布設法”的對比分析

為了驗證“先驗水深”測量的優越性，在此將其與“等距布設法”進行對比分析，分別選取了長江航道中的三段，側身區域涵蓋了錨地、淺點區、深水航道等。在對比試驗中保證了測量船運行狀態、溫度、大氣等因素相近，分別從測線數、測線總長、耗時、盲區點等及各方面進行分析評價，詳見下表1所示。

由上表1可知：針對同一航道，“先驗水深法”在測線數、側線總長、測量耗時等方面與“等距布設法”相比均具有較大優勢，可靠性和準確性也會明顯提高。這兩種方法的盲區點均能做到0個，所以只要測深數據精確，完全可滿足實際應用。

4 結語

長江航道對于發展內陸沿江帶經濟意義重大，測深是建設航道的基礎，而且由于水運航道不確定因素多，受雨水影響大，且底部地形復雜，因此為保證航行安全必然需頻繁測深。多波束測深系統作為目前應用最廣泛的技術，在布設時的要求和流程較多，技術人員應嚴格遵守。

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