多波束測(cè)深儀在碼頭基坑平整度檢測(cè)的應(yīng)用

任洪玉

摘 要：伴隨現(xiàn)代測(cè)量數(shù)據(jù)采集手段的不斷發(fā)展，以多波束測(cè)深系統(tǒng)為代表的水深測(cè)繪方法，被廣泛應(yīng)用于港口與碼頭建設(shè)、壩體堤防平整度監(jiān)測(cè)與海底地形測(cè)繪等諸多方面。文章擬從多波束測(cè)深系統(tǒng)的構(gòu)成為基礎(chǔ)，闡述超聲波測(cè)深的原理與精度影響因子，并以R2Sonic 2022聲吶多波束測(cè)深系統(tǒng)為例，分析其在碼頭基坑平整度檢測(cè)中的應(yīng)用，為類似工程檢測(cè)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：多波束；超聲波測(cè)深；精度因子；平整度檢測(cè)

中圖分類號(hào)：U656.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）22-0163-02

Abstract： With the continuous development of modern survey data acquisition methods such as multi-beam bathymetric system are widely used in port and wharf construction dam and embankment smoothness monitoring and submarine topography mapping and many other aspects. Based on the constitution of multi-beam bathymetric system， this paper expounds the principle of ultrasonic sounding and its precision influence factors， and takes R2Sonic 2022 sonar multi-beam bathymetric system as an example to analyze its application in the detection of the smoothness of wharf foundation pit. It can be used as reference for similar engineering inspection.

Keywords： multibeam； ultrasonic sounding； accuracy factor； flatness detection

伴隨現(xiàn)代數(shù)據(jù)獲取與處理技術(shù)的不斷提升，以多源數(shù)字化傳感器、GNSS衛(wèi)星定位、慣性導(dǎo)航與數(shù)據(jù)分析模塊為構(gòu)成的多波束測(cè)深系統(tǒng)，利用高低頻信號(hào)往返時(shí)間與路徑分析，快速獲取水下深度信息，并以其高精可靠分辨率的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于水深測(cè)繪與水運(yùn)設(shè)施檢測(cè)中。

1 多波束測(cè)深系統(tǒng)的組成概述

從構(gòu)成單元分析，多波束測(cè)深系統(tǒng)主要由聲吶探測(cè)模塊、狀態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊與數(shù)據(jù)綜合處理模塊構(gòu)成，同時(shí)包含GNSS定位、聲速剖面?zhèn)鞲性O(shè)備與姿態(tài)測(cè)定傳感器等硬件終端。數(shù)據(jù)分析與處理軟件，即包含分析原始定位與濾波、測(cè)深改正等相關(guān)信息，利用插值原理繪制水下地形等深線圖等資料。以R2Sonic系列多波束測(cè)深系統(tǒng)為例，其基本構(gòu)成如圖1所示。

2 多波束測(cè)深儀的工作原理

與單波束測(cè)深原理基本相同，多波束采用超聲波探測(cè)的方法，測(cè)定換能器發(fā)出的聲波在水體中的往返傳播時(shí)間，進(jìn)而解析水體深度的過(guò)程。相對(duì)于單波束而言，多波束由的換能器采取正交形式分組構(gòu)成，呈現(xiàn)一定指向的窄波束，并向水體發(fā)射扇形脈沖波，單次探測(cè)即可瞬時(shí)獲取航向正交面的眾多水深數(shù)據(jù)，進(jìn)而表示出水體地形起伏情況，因此多波束亦被稱之聲吶陣列測(cè)深或水下CT掃描儀。波束測(cè)點(diǎn)從換能器為起點(diǎn)，所測(cè)算的水深Hi與中心點(diǎn)水平間距Di如下：

由于多波束測(cè)深系統(tǒng)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，其成果精度與GNSS、電羅經(jīng)等慣導(dǎo)姿態(tài)測(cè)定設(shè)備也密不可分。為精確測(cè)定水深測(cè)量載體的狀態(tài)參數(shù)，多采用雙GNSS定位設(shè)備進(jìn)行短基線約束差分定位，基于RTCM或CMR形式獲取高精度動(dòng)態(tài)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，明確船艏基線方位，其精度優(yōu)于電羅經(jīng)測(cè)定的方位；多波束系統(tǒng)布設(shè)了聲速剖面儀、姿態(tài)傳感器等終端，實(shí)時(shí)測(cè)定船體姿態(tài)與聲速變化數(shù)據(jù)，并采用數(shù)據(jù)處理器即時(shí)快速校正測(cè)深數(shù)據(jù)。

3 多波束測(cè)深儀在碼頭基坑平整度檢測(cè)的應(yīng)用研究

現(xiàn)有某碼頭基坑施工建設(shè)工程，為確?；踊炷凉つし罎B補(bǔ)強(qiáng)能力，需采用現(xiàn)代技術(shù)手段對(duì)碼頭基坑平整度檢測(cè)，結(jié)合實(shí)際情況，本項(xiàng)目采用R2Sonic 2022第五代聲吶多波束測(cè)深儀進(jìn)行碼頭基坑平整度檢測(cè)，控制中心Sonic Control采用以太網(wǎng)連接聲吶SIM接口，該多波束測(cè)深儀信號(hào)帶寬60KHZ、160個(gè)波束、最大量程500m。其多波束檢測(cè)基本工藝流程如下：

（1）多波束系統(tǒng)的安裝。將換能器固定于測(cè)量船舷，并將GNSS設(shè)備固定于安裝桿，然后以安裝桿與水面交點(diǎn)為原點(diǎn)建立測(cè)量載體坐標(biāo)基準(zhǔn)，分別定義X、Y、Z軸向，解算單個(gè)傳感器（GNSS、換能器、光纖或電羅經(jīng)）相對(duì)坐標(biāo)點(diǎn)位。

（2）系統(tǒng)參數(shù)檢校。根據(jù)慣性測(cè)量模塊IMU以及同線反向相關(guān)條帶或中央波束采集的水深數(shù)據(jù)來(lái)求解橫搖（roll）和縱搖（pitch）偏差校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，根據(jù)GNSS獲取船艏（yaw）方位向量，并依托異線反向邊緣數(shù)據(jù)解析偏差值；同時(shí)，將GNSS時(shí)鐘與R2Sonic 2022多波束測(cè)深系統(tǒng)保持時(shí)間同步，無(wú)延遲量修正。

（3）平整度數(shù)據(jù)采集。碼頭基坑平整度掃測(cè)時(shí)，根據(jù)規(guī)劃的四條測(cè)線與測(cè)點(diǎn)密度指標(biāo)，重復(fù)測(cè)掃兩次，共計(jì)八條測(cè)線，采用1°波束角間隔，開(kāi)角120°，為確保邊緣測(cè)定的數(shù)據(jù)質(zhì)量，相鄰測(cè)線間距邊緣25%重疊；設(shè)備標(biāo)稱工作頻率為200-400KHZ，為提升測(cè)量船只載體的穩(wěn)定性，將工作頻率設(shè)定300KHZ，以降低基坑測(cè)掃時(shí)的邊緣形變情況。

（4）測(cè)掃數(shù)據(jù)分析。利用多波束采集的龐大數(shù)據(jù)點(diǎn)云，基于海量數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，首先利用多余觀測(cè)量，剔除測(cè)量中的粗差錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，進(jìn)行剖面判讀分析，平整度取15cm為限定標(biāo)準(zhǔn)，然后以TIN三角網(wǎng)為基礎(chǔ)來(lái)構(gòu)建碼頭基坑數(shù)字高程模型（如圖2）。

4 結(jié)束語(yǔ)

多波束水深數(shù)據(jù)采集時(shí)，針對(duì)重復(fù)掃描測(cè)線應(yīng)確?；緶y(cè)量條件類似，降低外界因素引起的成果質(zhì)量誤差，提升固定桿的穩(wěn)固性，降低傳感器姿態(tài)偏差，適當(dāng)調(diào)整工作頻率，降低測(cè)量平臺(tái)載體的震動(dòng)偏差。隨著多源傳感器靈敏度的提升，多波束測(cè)深以其快速準(zhǔn)確、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，將在航道水運(yùn)測(cè)繪、水工平整度檢測(cè)中展現(xiàn)出傳統(tǒng)測(cè)量所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，提升相關(guān)工程建設(shè)的精準(zhǔn)度與安全性。

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