航道測繪中多波束測深儀的應用分析

嚴秀秀YAN Xiu-xiu

（安徽省港航管理局淮河航道局，蚌埠 233000）

0 引言

多波束測深系統中集成計算機、數字化傳感器、水聲、定位導航等多種技術。很多傳統的航道測量工作中，使用單波束測量儀進行測量需要專門加密測線，很難滿足測量精度、覆蓋率等要求，并且測量效率也相對比較低。根據需求和當前技術發展狀況，目前發展出性能更強、精確性更高的多波束測量方法，使用多波束航道測繪技術能夠提供多個信道定向發射和接收聲波，通過對返回的聲波進行分析，能夠獲得更為準確、覆蓋性更大的航道相關數據，所獲得的測試結果更具有應用性。為此，需要加強多波束測深儀在航道應用中的研究，使用更合理的方法完善航道測繪工作。

1 多波束系統的特點分析

1.1 多波束系統基本原理

聲納探測中，多波束集成和相控偏轉是比較常用的技術，能夠實現基陣發射角度的控制。比如等間隔線陣是指利用N個方向性的陣元構成，在工作頻率為F的情況下，指向性DL（θ）為：

在上式中，波長為λ=c/F，其中c是聲波在水中的傳播速度。通過分析，在多波束回升探測儀工作中，會采用在垂直方向發射窄角的工作方式，接收換能器能夠在垂直于航向的方向接收多個光束。在進行深度計算時，會疊加多個發射光束和接收光束，完成對測點深度計算，確定水深狀況。

1.2 使用帶狀方式測量

多波束系統融合了很多先進技術，使得系統具有十分全面的功能，尤其具備極強的數據處理能力。在測量過程中，采用帶狀方式進行測量，因此測量范圍極為廣泛，能夠對水下物體都進行十分全面的覆蓋，獲得大量的水底信息。和單波束所采用的點式測量相比，該方法測量能夠提供更為廣泛的覆蓋范圍和測量范圍，并且可以精確地顯示出水下各種細微的地形變化。帶狀測量提供的數據十分全面，而且數據密度較大，可以全面獲得水下的地形相關數據，所以測量生成等值線時，由于實現了對測區的全覆蓋，以及可以利用專門的軟件系統進行數據解析，因此測量結果具有非常高的可靠性，解決過去數據不全的情況，滿足航道測量的需求。

1.3 發射換能器比較先進

多波束測深儀在進行水底探測的過程中，系統的投射覆蓋面寬度可以達到165°，根據需要接收器也進行投射波的動態聚焦，以及實時將探測過程中獲得的數據傳送給監視系統，實現探測和數據處理的同步。

1.4 保障航道測量的精確性

在實際測量工作中，船只會處于被動變化的狀態，測量結果的精確性、測量的可靠性都會受到影響。使用多波束系測深儀可以解決測量中的問題，通過對各種動態數據進行收集，以及數據的綜合分析，可以完成對數據的優化和測試結果的補償[1]。例如目前使用了運動傳感器、光纖羅經等設備，通過相關軟件進行處理，測量獲得的水深數據精度得到了明顯的提升，而且可以同時獲得測量數據。通過相關數據的處理和校正，能夠獲得比較精確的深度信息和水底狀況。

1.5 能提供直觀的數據圖

使用多波束測深裝置的數據密度很大，通過進行可視化處理能夠提供直觀的數據圖。目前對數據的處理軟件功能完善性很強，能夠根據數據以及實際要求，進行不同比例尺的出具測量工作，并且在此基礎上可以生成數據圖。根據航測工作需求，可以進行數據的多樣化處理，比如可以生成測量深度圖像、提供水深等值線數據圖，還能夠生成水下的地形模型，以及提供地形星圖和彩色水深圖等[2]。根據軟件對數據的處理情況，也能形成數據的質量報告，方便開展質量分析工作。

2 多波束測深儀安裝和檢測

2.1 電羅經傳感器設置

電羅經的設置對精度要求較高，需要保證傳感器在船舶中心周圍設置，以及保證電羅經指示角度和船首的方向相同，以及保證其處于船體坐標軸的水平面中。安裝位置需必須遠離導磁材料和容易被磁化的材料，避免由于磁性導致干擾。電羅經和大體積鐵性物質、強電流導線、電池組等等需要維持1.3米到1.5米的距離，同時有些電子產品所產生的電磁干擾也會影響電羅經的穩定運轉，會導致測量的方向失真和影響結果，因此設置電羅經時必須遠離這類電子產品[3]。

2.2 設置運動傳感器

運動傳感器設置時必須做好對傳感器的固定，并且保證傳感器和水平面保持平行[4]。由于運動傳感器和船的重心越遠船體的縱橫傾向變化舊越大，所導致的測繪偏差就越大，為了確保傳感器的精度，應在船體的重心位置進行安裝。同時設置運動傳感器時需要注意傳感器的方向性，保證在其在罩殼上的顯示方向和船首的方向一致，避免出現反向改正導致偏差[5]。

2.3 設置多波束換能設備

多波束換能設備應以船型和船舶的結構為基礎，其次要結合多波束測深儀所進行航測作業的水域特點進行設置，比如在內河進行測繪時，由于水相對平穩，受到風浪的影響程度比較小，因此一般將換能設備在船首進行設置，但是對于潮汐河口、近海水域進行測繪時，由于容易受到風浪影響，因此需要在船舷進行固定[6]。為了避免換能器沉降、設備抖動導致測量精度下降，需要做好對換能器的固定工作。同時為了避免換能器在碼頭出現受損、滿足對測量的安全要求，設置換能器時要保證換能器的可拆卸、可轉移，實現對測繪工作的靈活調整。

2.4 DGPS接收天線

DGPS接收器天線需要在船舶的高處設置，而且場內的障礙物角度需要控制在10°以內，接收器的天線應盡量遠離船體的主桅桿，以及遠離大功率無線電信號發射源，避免對接收天線造成干擾。接收天線的設置位置需要保持穩定，避免由于航測過程中船體的姿態、位置改變導致接收天線不穩定影響測試精確性。天線的位置也要遠離船舶的重大金屬體，而且要和夾板保持超過1.5米的距離，避免信號的多途徑效應影響定位。

測試工作可以分為通電水測試和航行檢測。通電測試是在靜態狀況下開展檢測工作，可以對平臺的各個部分導線銜接狀況進行穩定性檢查，確定航測平臺的性能，以及檢查設備的接地是否準確和可靠；其次可以檢測直流配電系統是否準確，檢查電極的極性是否正確，確認正常后就可以分析系統每個部分通電的運轉狀況，檢查信號的固定性和信息通信狀況[7]。航道檢測中，應該選擇合適水域進行橫傾、縱傾、羅經誤差等檢測工作，對出現的錯誤進行修正，分析各種設備是否能夠正常運行。

3 EM2040多波束測深儀應用

3.1 EM2040多波束測深儀概述

使用EM2040進行測深工作時，能夠發射覆蓋角度達到200°的扇面，配合接收換能器，能獲得5.4倍水深掃寬，根據實際需要，還可以再增加一臺換能器，水深掃寬就能達到10倍水平。使用EM2040進行測深工作會獲得大量的掃描數據，通過以太網和計算機連接，能完成對大批量數據的快速處理，常用的數據處理軟件為SIS，根據需要必須使用專業的工作站計算機，保證數據的計算速度。圖1為EM2040系統的構成。

圖1 EM2040構成

3.2 工作模式

EM2040可以發射200-400kHz的微波，一般情況下以300kHz為主要工作頻率，能最大程度發揮其具備測深功能，并且測深分辨率比較高，而且300kHz模式下帶寬超過75kHz，并發射具有一定頻率差異的三個扇區，滿足不同條件下測試精度需求。脈沖的最小長度為35μs，斜距分辨率為3厘米。使用200kHz模式能滿足波束測深儀的工作特點，具有比較強的測深能力，可以獲得高分辨率的測量數據。

3.3 軟件系統

系統所使用的軟件為Qinsy軟件，能夠幫助測深工作進行導航，綜合進行數據的收集和處理，還能可視化顯示各類數據。軟件采用模塊化設計，模塊功能包括檢測、數據處理、輸出結果等，同時也能實時顯示測深工作的過程，可以提示工作人員的偏航情況，也能接受衛星信號，還支持多個顯示器。后處理多波束數據的軟件為Caris軟件，可以匯總測量得到的數據，計算航道波束點深度和平面坐標，根據傳感器相關數據繪制多波束聲納圖像，之后可以繪制航道的地形圖和地貌圖。

4 EM2040多波束測深儀航道測繪實施

為了保障水下地形的測繪工作的高效性和準確性，需要嚴格遵守流程，進行測線布設、儀器安裝等工作。

4.1 測線布設

側線布置是測深工作的基礎，需要先布置主測線，布置時應確保主側線和等深線之間保持保持平行，而且滿足測取長軸走向的控制要求，相鄰測帶之間的重疊率應該超過15%。實際測量中，如果水底起伏比較大，可能出現測線難以全覆蓋的情況，已滿會采用加密測線的方式，提升測繪工作精度[8]。布置檢查線時，需要確保間隔均勻，方向和主測線垂直，方便檢查先對主測線的檢查，而且注冊線的長度要超過5%。

4.2 儀器安裝

儀器安裝工作的質量會直接決定多波束測量工作的結果和數據質量，因此必須嚴格遵守順序要求進行安裝工作。同時，需要在較好的系統環境下進行換能器的安裝，比如應避免換能器所處位置有噪聲干擾，防止出現氣泡對換能器的正常運行產生影響，而且保證測深工作中，換能器長期保持在水面以下。同時需要保證控制系統、定位天線、運動傳感器之間的空間相對誤差在5厘米之內，接收器應在換能器周圍設置。

測繪系統對工作所處的環境有著比較嚴格的要求，必須保證工作時100厘米內沒有障礙影響，并控制工作室溫度不超過25℃，濕度控制在40%-70%。傳感器應在船中心位置或者重心比較近的位置安裝，保證傳感器的穩定性，而且要做好相對位置測量控制，將誤差控制在5厘米以內。導航系統應盡量在滿足安全原則情況下在高處設置，滿足信號通暢需求。

4.3 系統校驗

由于實際條件的限制，導致換能器的理論軸向并不能完全與視軸平行，會有比較大的斜度存在，為此可以使用不同方式測量這些角度。因此在進行作業前，還需要進行多波束系統的參數校準工作，有效避免系統出現橫搖、艏向、縱搖誤差。橫搖檢校中，應將一條測線在比較平坦的位置設置，使用同樣船速進行往返測量，經過兩次測量后，在Caris中輸入位置相同的垂直航跡地形剖面，分析橫搖的偏差，之后利用移動剖面線的位置獲得不同的橫搖偏差值，以橫搖偏差值均值作為檢校結果。艏向檢校中，需要將測線在測取陡坡位置設置，然后用相同的航速沿著反方向對海底地形變化的位置進行穿越測量，使用橫搖檢校相同的方式進行檢校。縱搖檢校中，已明顯的突起作為參考點，使用相同速度對兩側進行掃描，選擇兩條測線作為參考點的越垂線，從而完成對艏向偏移量的調整工作。

4.4 Qinsy軟件數據采集和匯總

進行多波束的測試工作中，測試系統將會提供很多實時數據，以及面對多種不同的監控狀況，比如水深剖面、波束數量、各種姿態數據，所有這些數據最后都要通過Qinsy軟件進行匯總。在傳感器、輸出報文格式不同時，Qinsy軟件可以進行對應類型報文格式的輸出，測繪人員也能根據需要選擇數據類型，最后Qinsy可以整合傳感器播發的報文格式，給后續的數據處理奠定基礎。

4.5 Caris軟件數據處理

將多波束測量數據發送給Caris軟件進行處理，能夠進行數據的轉換，并對結果開展精細處理，針對潮汐的影響進行修正，并融合不同方面數據，之后可以進行點云編輯等工作，完成測量工作。

5 應用實例

某項目進行100公里的航道測深工作，由于該航道的淺灘比較多，水流湍急，而且有大量的彎角，必須提供全面的測深結果以保障航道的安全。根據對現場調查和航道狀況特點分析，技術人員決定采取多波束測深的方法。測深工作中，對整個區域進行四點布設，針對水準點高程的測繪中，采取上中下游三等水準點高程聯測的方式。通過查閱資料，發現該航道有三座水文站，所以采用在航道中間設置四座水位觀測站的工作方式。對航道設置了50條水位檢測剖面，結合現場情況，最終選擇出44條剖面進行深度檢測。檢測工作使用EM2040開展工作，并在測量后和單波束測量結果進行對比。

經過測深系統安裝、流動站基站設置、測深線布置、系統校準、儀器穩定性檢查后，測量RTK三維水深，同時進行數據采集。在滿足不同測深系統要求的情況下，用單波束測量結果分析多波束的測量精度。表1為多波束和單波束深度精度對比。

表1 多波束和單波束測深精度對比

通過對比確定多波束在不同深度情況下測深精度比單波束測深精度更高，多波束的誤差都最大為0.07米，高于單波束0.25米的誤差。在多次測量同一地區深度對比中，多波束的精度更高，滿足《水運工程測量規范》要求。

6 結束語

多波束測深系統在航道測繪的工作中具有明顯的技術優勢，可以快速完成水深的測量，而且具有較高的覆蓋面積，可以提供高密度的信息，可以比較好地滿足現代航道測試的要求。在測試過程中，需要做好對設備的設置、數據處理等工作，加強對作業問題的處理，滿足對航道測試精度的要求。在航道測深實踐中，應該加強相關技術的使用，提升測深精度，提升航道的運營效率。