多波束測深系統(tǒng)在內(nèi)河航道養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用

陸培豐 湖南省水運(yùn)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司

航道測量是航道養(yǎng)護(hù)工作的一項重要工作，也是維護(hù)和運(yùn)行數(shù)字化、智慧化航道系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)工作。多波束不僅可以準(zhǔn)確獲取目標(biāo)物空間數(shù)據(jù)，而且可實現(xiàn)水下三維成圖，具有測量范圍廣，速度快，精度高的特點。多波束測深系統(tǒng)在湘江航道養(yǎng)護(hù)中的配合應(yīng)用為湖南航道實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展注入強(qiáng)勁動力。

1.多波束測深系統(tǒng)

多播速測深系統(tǒng)是將多個不同的技術(shù)集成的一個綜合性系統(tǒng)，其中包括以下幾種技術(shù)：給予數(shù)字化技術(shù)的具有高精度的輔助性傳感技術(shù)、基于計算機(jī)數(shù)據(jù)處理功能的技術(shù)、組合慣導(dǎo)技術(shù)以及水聲學(xué)聲納探測技術(shù)。多波束測深儀打破了單波束測深儀“以點成線”的工作方式，實現(xiàn)了“以線成面”的全覆蓋、立體化成圖，智能化、高效率點云數(shù)據(jù)處理的工作模式。它主要的工作其實是利用聲波傳遞接收原理，通過發(fā)射一定角度的發(fā)散聲波，然后用接收器接收聲波傳遞到海底產(chǎn)生的回波中的窄波束，按照這種發(fā)射、接收聲波，就形成了在海底的“波束腳印”。運(yùn)用組合慣導(dǎo)和表面聲速傳感器對各個“波束腳印”的空間位置進(jìn)行歸算處理，進(jìn)而提高精準(zhǔn)度，使得在一定寬度范圍內(nèi)的目標(biāo)在水下的大小、形狀以及相關(guān)具體情況能夠在較短時間內(nèi)被測車。

1.1 多波束聲吶工作原理

通過上述的利用發(fā)射裝置對海底發(fā)射發(fā)散覆蓋的人聲波，然后通過接收裝置接收海底傳來的回波，發(fā)射和接收區(qū)域的正交性形成了對該區(qū)域的照射腳印，合理的分析處理這些照射腳印，就能夠一次得到垂直于當(dāng)時航向平面海底的許多點位的水深，進(jìn)而可以高效、準(zhǔn)確地得到航向下一定深度內(nèi)的相關(guān)目標(biāo)的大小、形狀以及走勢，得出其相關(guān)地形的三維特征，具體如圖1。

圖1 多波束聲吶工作原理圖

1.2 多波束聲吶主要特點與作用

多波束聲納的海底地形測繪精度好和效率高，特別適合大面積海底地形勘測，是海底地形測繪的革命性裝備，深刻影響海洋研究。

多波束聲納系典型多傳感器融合系統(tǒng)，為信號與信息處理、電子與計算機(jī)、導(dǎo)航與定位、傳感器與材料等多學(xué)科領(lǐng)域相關(guān)高新技術(shù)所交叉集成。

1.3 單波束測深儀原理

如下圖所示測深儀的回聲測距原理。Z為換能器到水底的距離，如果聲速在水中的傳播速度為v，傳播時間為t，那么水深Z=vt/2那么最后的測量結(jié)果就等于水深Z加上吃水（吃水是水面到換能器底面的距離），見圖2。

圖2 回聲測深儀原理

圖3 湘江航道掃測區(qū)域成果圖

1.4 單波束測深儀與多波束測深儀比較基本原理

對于測深系統(tǒng)而言，不論是單波系統(tǒng)還是多波系統(tǒng)，從本質(zhì)上來看，主要應(yīng)用的還是不同聲波在水下的傳播特性的不同來決定的，進(jìn)而得出相關(guān)數(shù)據(jù)。就單波束來說，它通過特定頻率的聲波，使在水底能收到傳遞的聲波，并在水底返回到換能器，結(jié)組兩者之間聲波傳播的時間差，可以得出換能器到水底的距離；而多波束所發(fā)射的聲波與垂直方向有一定的夾角，在計算時需要根據(jù)這一因素來求取水深和位置信息。

單波束與多波束測深系統(tǒng)應(yīng)用區(qū)別。雖然單波束與多波束測深系統(tǒng)在基本原理等方面存在著相同點，但兩者之間的區(qū)別仍然較大。下面以兩者實際應(yīng)用為出發(fā)點，從系統(tǒng)構(gòu)成、校準(zhǔn)方法、測線布設(shè)、成圖比例尺、測量效率、數(shù)據(jù)處理以及最終成果形式等方面闡述兩者的區(qū)別。

1.5 多波束換能器及IMU安裝

本文介紹的多波束測深儀換能器和慣性測量單元（IMU）采用固定安裝方式。換能器采用豎井月池安裝，換能器和升級支架固定后，采用自動升降裝置實現(xiàn)升降，為防止紊流層的干擾，測量前會將換能器下降至龍骨下20CM處再進(jìn)行跑線，其余時間可以將換能器收回月池，保護(hù)換能器。IMU固定安裝在豎井附近，開機(jī)后實時提供高精度姿態(tài)、定位、航向數(shù)據(jù)。固定式安裝的好處是，只需要第一次安裝或者移動拆卸設(shè)備后進(jìn)行設(shè)備偏距的量取和校準(zhǔn)，簡化測量流程，提高測量效率。

2.多波束測深系統(tǒng)的在內(nèi)河航道實際適用范圍

（1）躉船移位選址。項目案例：湘江某航段5公里長、0.3公里寬的水域測量，面積1.5平方公里。建立格網(wǎng)模型，生成TIF影像圖，也可生成等深線圖，見圖3。

（2）航道應(yīng)急搶通項目工程量計算及驗收。航道應(yīng)急搶通前對所在航道進(jìn)行多波束掃測，完成后再次對相同區(qū)域進(jìn)行測量，因為多波束可輸出三維地形圖，可直觀地分析搶通航段的變化，也可以計算航道整治工程前后的土方量。

（3）可以應(yīng)用到航道河床演變對比、水下的地形起伏、護(hù)岸工程及長河段測量等需要數(shù)據(jù)精度較高的測量項目。

3.總結(jié)

綜上所述，多波束測深系統(tǒng)可應(yīng)用于內(nèi)河航道淺灘航槽沖淤變化的分析、航道河床演變對比、護(hù)岸工程、航道應(yīng)急搶通項目工程量計算及長河段測量等需要高精度數(shù)據(jù)的測量項目。兩種測量設(shè)備各有優(yōu)勢，在具體工作中根據(jù)實際情況需要配合使用，可更大地提高工作效率。