橡皮沖鋒舟搭載多波束測深系統的設計與應用

張智敏，梅同單，袁野，甘坤

(長江水利委員會水文局西南諸河水文水資源勘測局，云南 昆明 650051)

1 引 言

多波束測深系統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波束接收，通過發射、接收扇區指向的正交性形成對水下地形的照射腳印，對這些腳印進行有效處理，一次探測就能給出與航向垂直的垂面內上百個甚至更多水域被測點的水深值，從而能夠精準、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，比較可靠地描繪出水域地形的三維特征[2]。在海洋及內河測量中可以獲取水下地貌的點云數據，測量效率和精度高，在水下地形測量、水電站庫容淤積測量、重要建筑物掃測、涉水應急測量等方面應用廣泛。

市面上主要使用的多波束設備有勞雷公司R2 Sonic系列、Reason公司的Seabat系列、Kongsberg公司的EM系列等，以及國產中海達iBeam、海卓MS系列等，型號較多且各具特點[3]。不同的設備性能決定了多波束換能器重量，其主要聲學設備(換能器)，輕便型的僅僅有 4 kg，重型的有 25 kg，甚至更重，加上安裝支架等全套系統輕則十幾公斤，重則上百公斤。輕便型的可以使用無人船搭載，但大部分還是使用鐵制機動船搭載，多波束的重量、性能、測量環境和測量精度等決定了搭載船的大小[4]。

多陣列適用于大水深測量，此多波束系統往往設備較重，對搭載船要求更高，無人測量船難以滿足要求且價格高昂；對于測量精度來說，大型的搭載船相比無人船等姿態更為穩定，測量成果更可靠。在內河水下掃測生產中，更需要便于攜帶運輸、易于安裝使用的小型搭載船，橡皮沖鋒舟是最佳選擇。在長江等船只較多且通航條件較好的河段，使用者往往租用船只或者自配船只測量，基本能滿足測量需求。但在一些不通航河段，難以找到合適的搭載船只，以及在船只難以到達的局部地區，如水電站水墊塘、泄洪洞或河流淺灘區域，受船只等因素的影響較難發揮多波束測量系統的優勢。

傳統的鐵制機動船體積大，運輸不便，成本較高，采用租賃船只的方式也受當地船只情況限制，使用測量船存在難以控制、受測量環境影響等問題。橡皮沖鋒舟體積小、質量輕、便于攜帶，測量時機動靈活[4]，非常適用在局部測量環境。本文以R2 Sonic 2024多波束測深系統為例，將橡皮沖鋒舟作為載體，對其進行加工改造以達到搭載多波束測深系統進行測量的目的，以實現對普通船只難以到達的區域進行掃測。

2 橡皮沖鋒舟設計改造

市面上沖鋒舟種類較多，常規的有玻璃鋼沖鋒舟、橡皮沖鋒舟、不銹鋼沖鋒舟等，船只規格也有大有小，大的有十幾米長，小的僅有一米左右。各生產單位按需配備不同類型的沖鋒舟。當測量項目較大或需要周期性觀測，大多采用玻璃鋼沖鋒舟，其優點是船體穩定，抗風浪能力強，便于安裝設備等；但多數生產單位往往采用的是橡皮沖鋒舟，其優點是價格便宜，易于折疊，方便搬運和運輸，靈活性更強。本文主要是研究采用橡皮沖鋒舟對其進行改造，已達到測量的需要。

常規測量采用的橡皮沖鋒舟主要是橡皮制作氣囊，使用時充氣即可，測畢將氣囊內氣體放空即可收疊運輸；底板采用鋁合金材質制作，使用時拼接起來即可，如圖1所示：

圖1 橡皮沖鋒舟外觀示意圖

在測量使用中，往往選擇在船舷安裝測深換能器，船板上安裝固定采集設備以達到測量的目的。由于承載能力不大，受風浪影響大，且安裝的測深設備重量不宜太重，一般僅為幾公斤。如多波束測深系統等測量設備時常難以使用，故需對其進行改造。

(1)改造方案

橡皮沖鋒舟改造設計方案為：將沖鋒舟底部氣囊去除，在底板開孔，孔徑大小根據入水測量設備的大小確定；在船底板上設計制作安裝支架，以適合將測量設備入水，保證船體的穩定和正常航行、承載的需求。

(2)改造實例

本案例所改造的沖鋒舟為常規的4.25 m長的橡皮沖鋒舟，其寬度為 1.75 m，側面為4個充氣氣囊連接形成，底板為4塊鋁合金拼接而成，發動機采用雅馬哈兩沖程30馬力發動機。

在底部橡皮和底板上開孔，根據R2 Sonic 2024多波束測深設備換能器的需要，開孔大小設置為 55 cm*70 cm。因為底部氣囊減少，將底板加厚處理，同時采用螺絲固定設備安裝支架基座，如圖2所示：

圖2 橡皮沖鋒舟改造設計圖

安裝平臺采用304不銹鋼材質鋼管，用螺絲拼裝固定，將底部橡皮加長，防止航行時底部進水。多波束換能器定制連接桿，本文研究所用的R2 Sonic 2024多波束換能器下部為法蘭盤連接，定制法蘭盤，如圖3、圖4所示：

圖3 安裝支架

圖4 換能器連接桿

3 應用實踐

在瀾滄江中游某電站壩下水墊塘區域和泄洪洞區域多波束掃測項目中，使用R2 Sonic 2024多波束測深系統進行外業采集，分析岸坡和江底的沖刷掏空和淤積情況。由于測區屬于狹長形河道，兩岸有大量暗礁，主河道寬度僅 20 m左右，水流流速約2 m/s，部分河段流速較大且伴有漩渦，使用常規測船存在許多安全風險，故采用改裝后的沖鋒舟測量。

(1)安裝設備

將改造后的橡皮沖鋒舟充氣組裝，將支架等安裝在船上，沖鋒舟抬入水中。R2 Sonic 2024多波束換能器與定制的法蘭盤連接桿進行連接，將換能器放入水中，采用換能器連接桿的上部橫桿與安裝平臺連接，盡量使換能器連接桿豎桿垂直。換能器安裝后，將安裝平臺上用制作的板材蓋住并固定，在蓋板上安裝顯示器、光纖羅經、GNSS設備等。

測量設備包括多波束2024換能器、控制器接線盒、GNSS、運動傳感器、聲速剖面儀、數據采集計算機等。其中，運動傳感器采用法國OCTANS光纖羅經，GNSS采用Trimble R7 GNSS雙頻分體接收機，聲速剖面儀采用海鷹HY1200B。

(2)數據采集

將R2 Sonic 2024多波束測深系統換能器、羅經、GNSS等數據接入筆記本電腦，采用PDS2000外業采集軟件進行數據采集。由于沖鋒舟航線靈活，發動機動力強勁，對流速較大或暗礁區域均進行了掃測。

通過多波束測深系統采集高密度點云數據，能直觀地看出岸坡和江底的沖刷掏空情況。生成的點云數據與單波束測量數據對比接近，數據可靠。通過對比數據，分析出水墊塘區域和泄洪洞區域的沖刷淤積情況，為電站安全運行提供技術支撐。

采用橡皮沖鋒舟測量時，未出現因船體抖動或換能器抖動等因素造成的數據成果質量問題，其測量的便捷性和適用性凸顯。但是該船體不適用于水域高速航行。

4 結論與思考

通過對橡皮沖鋒舟的改造，實現了采用橡皮沖鋒舟搭載R2 Sonic 2024多波束測深系統的需求。

此次橡皮沖鋒舟改造，船體及加工改造成本低，實用性較強，再加上橡皮沖鋒舟易于折疊，方便搬運和運輸、靈活性強等特點，大大提高了多波束測深系統等大型測量設備的使用效率。其改造和安裝方式同樣可搭載單波束測深儀、ADCP、淺地層剖面儀等水下測量設備，在水利測量工程應用中非常值得推廣和借鑒。對于測區環境要求較高的區域，同樣有很強的適應性。

但是由于該船設計時下部開孔，阻水面積加大，不太適用于水域的高速航行。