多波束測深系統在現代海洋測繪中的應用研究

紀君平

摘 要：隨著科技的進步與發展，測量技術也在不斷提升進步，日益現代化。多波束具有較高的分辨率和全覆蓋、高效率等優勢，使其在航道維護、工程施工、水下目標探測等方面中得以廣泛應用。文章以現代海洋測繪中多波束系統的運用為基礎，結合具體事例分析了多波束測深系統在現代海洋測繪中發揮的作用及其優勢，對多波束系統做了簡要介紹，對其在現代海洋測繪中的應用進行了詳細的分析與闡述。

關鍵詞：多波束測深系統；現代海洋測繪；應用；研究

中圖分類號：U652 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）19-0178-02

Abstract： With the progress and development of science and technology， measurement technology is also constantly improving progress and increasingly modernized. Multi-beam has the advantages of high resolution， full coverage and high efficiency， so it is widely used in channel maintenance， engineering construction， underwater target detection and so on. Based on the application of multi-beam system in modern marine surveying and mapping， with specific examples， this paper analyzes the role and advantages of multi-beam bathymetric system in modern marine surveying and mapping， and briefly introduces the multi-beam system. Its application in modern marine surveying and mapping is analyzed and expounded in detail.

Keywords： multi-beam bathymetric system； modern marine surveying and mapping； application； research

引言

由于海洋有其流速多變、水位影響因素較多、海底地形復雜、各種情況相互交叉影響等特點，使得海洋測繪面臨較為復雜的情況。在現代海洋應急的情況下，快速、準確確定事故的位置和狀態，對及時正確地作出應急反饋尤為重要。

現代海洋測繪的準確與否，直接關系著海洋緊急情況應急措施實施是否順利進行。隨著測量技術的飛速發展和新設備的陸續運用，海洋測繪方法也發生了較大變化?，F今，多波束系統在海洋測繪中得以廣泛應用，并在海洋緊急情況應急措施實施中發揮重要作用。本文結合多波束測深系統在海洋測繪中的運用實例，淺談多波束測深系統在海洋測繪中發揮的作用。

1 多波束測深系統技術原理

多波束測深系統的工作原理是利用發射換能器陣列向海底發射寬扇區覆蓋的聲波，利用接收換能器陣列對聲波進行窄波束接收，通過發射、接收扇區指向的正交性形成對海底地形的照射腳印，對這些腳印進行恰當的處理，一次探測就能給出與航向垂直的垂面內上百個甚至更多的海底被測點的水深值，從而能夠精確、快速地測出沿航線一定寬度內水下目標的大小、形狀和高低變化，比較可靠地描繪出海底地形的三維特征。多波束測深系統海洋測繪如圖1所示。

2 多波束測試概況

2018年6月，應該單位的邀請，海卓MS200淺水多波束測深儀制造商對海上游航道的適用性進行了現場演示測試。多波束探測系統的工作原理是利用水下聲納單元發射和接收脈沖聲波。聲波被河床或水下物體反射，有些被探頭接收。水深可以從聲波在水中傳播的時間和聲速來計算。該系統由高分辨率聲納系統，聲速探測器，水下聲納傳感器和完整的數據采集軟件包PDS2000組成。

400kHz聲納傳感器可同時采集512個水深信號；最大發射開口角度為165°；ping速率為50Hz（±1Hz）。因此，它對水下地形的測量是在一個完整的覆蓋范圍內進行的，它測量的水下地形是一個面。多波束探測系統由四部分組成：基本系統，輔助設備，數據實時采集和處理系統PDS200以及數據后處理軟件包。針對某海洋上游航道的特殊性和運行要求，結合多波束探測的性能和特點，論證主要集中在以下三個方面：

（1）任意角度傾斜測量——采用傾斜測量的方式對水下淺灘或建筑物進行測量，重點測試多波束的任意角度傾斜測量功能的可靠性和測量效果的一致性。

（2）航道水深測量——針對某海洋航道日常測量作業要求，考察多波束的測深功能和側掃功能，重點測試多波束免安裝校準、數據拼接和測量效果。多波束測深系統數據采集如圖2所示。

（3）航道障礙物掃測——對水下沉船或其他礙航物進行掃測，重點考察多波束的水下目標物的探測功能及分辨率。

3 測量實施

3.1 系統組成

本次測量采用了海卓MS200淺水型多波束測深系統，與其他多波束測深相比，其最大的特點是采用了一體化設計，水下聲納換能器集成了光纖羅經姿態傳感器、表面聲速儀，水上處理單元集成了GNSS定位系統，使得整個系統僅有換能器電纜、GNSS天線饋線、網絡數據線和電源線等四條連線，使設備的連接使用大大簡化。多波束測深系統全覆蓋工作原理如圖3所示。

3.2 傾斜測量

崖壁地形、水下建筑物等原有測量盲區安全測量利用海卓MS200的任意角度傾斜安裝功能，在不進行任何安裝校準的情況下，能夠有效對水下崖壁進行遠距離測量。在傾斜測量過程中，可以使測量船遠離水下礁石、建筑物等，從而有效保障測量安全。

3.3 沉船掃測

海卓MS200地形測量具有高分辨、高精度和高精細度的特點，可以對沉船在水底位置、形態進行精細測量。依次為沉船的平面彩圖、三維模型圖和三維點云圖，從多個角度分別給出了沉船的位置、沉船的三維形態分布。海卓MS200采集軟件中，可以對沉船的大小、高度等信息進行準確測量，為后續的沉船清理工作提供數據支撐。

3.4 礁石掃測

通過三維地形圖，可以清晰的分辨水底的礁石等其他目標物。航道邊坡附近的大塊礁石和邊緣的小尺寸礁石的分布、大小等特征信息都可以清晰的顯示。除利用測深功能獲得的水下地形外，還可以根據海卓MS200側掃成像功能輸出的側掃圖像判別水底目標。

3.5 水下目標物掃測小結

海卓MS200多波束測深系統可以對航道和邊坡進行精細化的地形測量和清晰的側掃圖像測量功能。通過以上功能，可以對水下沉船、礁石等礙航物進行掃測，也可以對丁壩等水下建筑物的損毀情況進行精細的調查；水下目標物掃測功能為礙航物的清理、水下建筑物的維護決策提供準確的數據支撐。

3.6 測量數據融合

由于海卓MS200多波束系統內置高精度光纖慣導且具備免安裝校準功能，有效保證不同模式下的測量數據實現高吻合度拼接，使得傾斜安裝測量的航道兩岸邊坡數據和水平安裝測量的航道數據，可以進行無縫數據融合。

4 測試結論

通過此次針對海卓MS200的三個主要測試項目的過程和測量成果的分析，可以得出如下結論：

（1）利用傾斜安裝測量方式能夠解決傳統多波束測量盲區的問題。針對某海洋航道，傳統多波束測量的盲區主要集中在對崖壁地形、水下建筑物、淺灘、邊坡和淺水航道的低效測量。

（2）完全免安裝校準功能能夠有效減輕多波束測量的工作量。通過傾斜測量和常規模式測量結果的數據處理和拼接可以證明，采用一體化設計的海卓MS200多波束測深系統在免安裝校準情況下的測量結果能夠達到某海洋航道水下測量的要求。

（3）地形和地貌同時測量能夠有效提高各種水下目標物的檢測和判斷。通過測試過程可以證明，利用多波束進行水下地形測量以及水下目標物探測的過程中，將側掃圖像與三維點云圖像相結合能夠對水下沉船、礁石等礙航物進行掃測，對各類水下建筑物的損毀情況進行精細的調查。

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