多波束測(cè)深系統(tǒng)在航道水深監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

摘 要：水下地形測(cè)量在水庫(kù)、水運(yùn)航道等水域的治理開(kāi)發(fā)中尤為重要，關(guān)系水庫(kù)總水量的計(jì)算、發(fā)電機(jī)組的安全和航運(yùn)的安全。現(xiàn)如今水深測(cè)量方法眾多，多波束測(cè)深系統(tǒng)作為一種水下地形探測(cè)的方法。將多波束測(cè)深系統(tǒng)應(yīng)用于航道水深監(jiān)測(cè)，通過(guò)定期對(duì)監(jiān)測(cè)水域進(jìn)行水深掃測(cè)，能夠及時(shí)掌握所監(jiān)測(cè)水域不同時(shí)期水深狀況，探明水下礙航物或礙航水深高點(diǎn)；通過(guò)對(duì)不同時(shí)期所測(cè)水深數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，還可以總結(jié)出所監(jiān)測(cè)水域水深變化規(guī)律，具有精度高、高效率等多方面的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：多波束測(cè)深系統(tǒng)；水深監(jiān)測(cè)；礙航物；誤差來(lái)源；變化規(guī)律

中圖分類號(hào)：P229

1 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)綜合國(guó)力的提升，進(jìn)出口貿(mào)易的蓬勃發(fā)展，港口水運(yùn)行業(yè)持續(xù)發(fā)展，船舶的噸位屢創(chuàng)新高。航道作為進(jìn)出港口的水道，需要有足夠的水深才能保證船舶的安全航行。受自然條件的限制，我國(guó)部分港區(qū)航道多為人工疏浚航道，疏浚會(huì)導(dǎo)致航道及附近水域海底原有的水流泥沙條件被改變，使海底常存在有企圖恢復(fù)原地形的趨勢(shì)，因此往往會(huì)出現(xiàn)泥沙回淤現(xiàn)象，導(dǎo)致航道部分水域水深變淺。隨著時(shí)間的推移，水深不斷變淺，當(dāng)有部分區(qū)域水深小于一定深度時(shí)，就會(huì)影響船舶的安全航行[1]。因此，部分港區(qū)會(huì)在航道開(kāi)挖并投入運(yùn)營(yíng)后，進(jìn)行航道水深定期測(cè)量，及時(shí)掌握航道水深情況，保障航道運(yùn)營(yíng)安全。

目前，行業(yè)內(nèi)普遍使用的水深測(cè)量設(shè)備主要有單波束測(cè)深設(shè)備、多波束測(cè)深設(shè)備2種。單波束測(cè)深設(shè)備，只能得到沿測(cè)量船航跡方向的一排水深點(diǎn)，航線之間的水域部分無(wú)水深數(shù)據(jù)，無(wú)法做到對(duì)既定海域海底地形的全覆蓋掃測(cè)[2]。多波束設(shè)備為條帶式掃海系統(tǒng)，發(fā)射一次可接收幾十個(gè)甚至上百個(gè)回波信號(hào)，可以得到垂直測(cè)量船航跡線一定寬度范圍內(nèi)的水深值，掃測(cè)寬度根據(jù)多波束設(shè)備的開(kāi)交和具體的水深值，根據(jù)勾股定理可簡(jiǎn)單計(jì)算。在測(cè)量船速、測(cè)線布設(shè)、波束開(kāi)角等因素控制得當(dāng)?shù)那闆r下，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)既定海域海底地形高精度、無(wú)遺漏全覆蓋掃測(cè)，具有單波束測(cè)深無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

2 多波束測(cè)深系統(tǒng)

2.1 組成及工作原理

多波束測(cè)深系統(tǒng)是一種多傳感器的復(fù)雜組合系統(tǒng)（如圖1所示）。一套完整的多波束系統(tǒng)，除了具有波束發(fā)射接收換能器陣和信號(hào)控制處理電子系統(tǒng)外，還應(yīng)具有GPS接收機(jī)、羅經(jīng)及姿態(tài)傳感器、聲速剖面儀等輔助設(shè)備，以及數(shù)據(jù)采集、顯示、處理設(shè)備及相關(guān)軟件。

多波束測(cè)深系統(tǒng)的工作原理是利用安裝于測(cè)量船上的換能器陣列向與航向垂直的海底發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波，利用接收換能器陣列對(duì)聲波進(jìn)行窄波束接收，通過(guò)發(fā)射、接收扇區(qū)指向的正交性形成對(duì)海底地形的照射腳印，通過(guò)對(duì)這些腳印進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚l(fā)射一次波束便能得到與航向垂直的垂面內(nèi)上百個(gè)甚至更多的海底被測(cè)點(diǎn)的水深值，將獲得的水深值與同時(shí)所采集的導(dǎo)航定位及姿態(tài)數(shù)據(jù)相結(jié)合進(jìn)行一系列后處理，便能得到所測(cè)區(qū)域海底水深圖及海底地貌三維立體圖[3]。

2.2 工作流程

采用多波束測(cè)深系統(tǒng)獲取精確水深數(shù)據(jù)包括儀器安裝、校準(zhǔn)參數(shù)測(cè)定、外業(yè)施測(cè)、內(nèi)業(yè)處理4個(gè)工作流程。

2.2.1 儀器安裝

儀器安裝是多波束測(cè)量的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，各部件安裝是否牢固、安裝位置是否合理，都會(huì)直接影響外業(yè)施測(cè)數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量。

換能器一般安裝在導(dǎo)流罩上，并通過(guò)安裝桿固定安裝在測(cè)量船上，安裝位置應(yīng)遠(yuǎn)離柴油機(jī)、螺旋槳等噪聲源，減少噪音對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響，換能器及安裝桿的安裝一定要牢固，避免在行船過(guò)程中因換能器的抖動(dòng)而造成所采集的原始水深數(shù)據(jù)失真。羅經(jīng)及姿態(tài)傳感器應(yīng)固定安裝，并盡量水平面平行，安裝位置宜盡量靠近測(cè)量船的重心。定位儀應(yīng)安裝在開(kāi)闊區(qū)域，避免障礙物的遮擋，安裝一定要穩(wěn)固，避免在測(cè)量過(guò)程中產(chǎn)生位移。

2.2.2 參數(shù)校準(zhǔn)

多波束系統(tǒng)固定安裝后，需要測(cè)定安裝偏差角度參數(shù)，包括橫搖偏差角度（Roll）、縱搖偏差角度（Pitch）及船艏偏差角度（Yaw），在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，可以通過(guò)實(shí)測(cè)特殊地形的方法來(lái)測(cè)定這3個(gè)偏差角度。選擇平坦區(qū)域布設(shè)一條測(cè)線，使用測(cè)量船按相同速度，正反2個(gè)方向采集兩條斷面數(shù)據(jù)，根據(jù)2條測(cè)線的橫斷面數(shù)據(jù)測(cè)定多波束換能器與姿態(tài)儀的橫向偏差數(shù)據(jù)（Roll）；選擇水深變化大的區(qū)域布設(shè)1條測(cè)線，使用測(cè)量船按相同速度，正反2個(gè)方向采集2條斷面數(shù)據(jù)，根據(jù)2條測(cè)線的橫斷面數(shù)據(jù)測(cè)定多波束換能器與姿態(tài)儀的縱搖偏差數(shù)據(jù)（Pitch）；選擇水深變化大的區(qū)域布設(shè)2條測(cè)線（測(cè)線間距為單條測(cè)線覆蓋寬度的2/3），駕駛測(cè)量船按相同速度、同向采集水深數(shù)據(jù)，使用2條測(cè)線的邊緣重合數(shù)據(jù)計(jì)算艏搖偏差數(shù)據(jù)（Yaw）。

2.2.3 外業(yè)測(cè)量

為了保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，外業(yè)測(cè)量應(yīng)盡量選擇在風(fēng)浪較小的天氣狀況下進(jìn)行，測(cè)量船應(yīng)盡量保持沿預(yù)先布置好的測(cè)線勻速、直線航行，船速不宜過(guò)大，應(yīng)盡量保持在6節(jié)以內(nèi)，每條測(cè)線結(jié)束后，應(yīng)保持原航向航行一段距離后再轉(zhuǎn)向，避免因急轉(zhuǎn)向而導(dǎo)致羅經(jīng)及姿態(tài)傳感器不穩(wěn)定，造成測(cè)量數(shù)據(jù)的失真。

2.2.4 數(shù)據(jù)處理

將外業(yè)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換并導(dǎo)入專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件，瀏覽并檢查各傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)突變的定位數(shù)據(jù)、羅經(jīng)數(shù)據(jù)及姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，刪除質(zhì)量較差的邊緣波束數(shù)據(jù)，剔除失真數(shù)據(jù)。

3 應(yīng)用案例

2019年，公司承擔(dān)了某港區(qū)航道及附近水域水深監(jiān)測(cè)的任務(wù)，其目的是及時(shí)掌握該航道水深變化情況，為該航道維護(hù)性疏浚及船舶的安全通航提供水深依據(jù)。

3.1 儀器設(shè)備的選擇

使用R2 SONIC 2024多波束測(cè)深儀采集水深數(shù)據(jù)。使用GNSSS衛(wèi)星定位系統(tǒng)采集坐標(biāo)數(shù)據(jù)及提供PPS同步脈沖信號(hào)。使用OCTANS光纖羅經(jīng)實(shí)時(shí)采集測(cè)量過(guò)程中船的姿態(tài)及艏向。使用表面聲速計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量多波束換能器位置海水的聲速值，實(shí)時(shí)傳遞給多波束系統(tǒng)控制軟件。使用聲速剖面儀按時(shí)間采集水域內(nèi)分布均勻的多點(diǎn)聲速剖面。

3.2 儀器設(shè)備的安裝校準(zhǔn)

本次工程所使用的測(cè)量船長(zhǎng)24 m，寬4.8 m。將R2 Sonic 2024多波束測(cè)深儀的換能器安裝在測(cè)量船的左舷距船尾9 m處；OCTANS光纖羅經(jīng)安裝在測(cè)量船的縱軸線上，盡量靠近船舶的穩(wěn)心；GNSS接收機(jī)的天線盤(pán)安裝在多波束換能器安裝桿的頂端；以換能器安裝桿與海水面交點(diǎn)作為參考原點(diǎn)建立數(shù)學(xué)坐標(biāo)系，精確測(cè)定換能器、姿態(tài)儀、GNSS接收機(jī)天線盤(pán)等傳感器相對(duì)于參考原點(diǎn)的位置。

本次工程的參數(shù)校準(zhǔn)工作選擇在航道邊坡附近進(jìn)行，在每次測(cè)量開(kāi)始前均進(jìn)行了多波束系統(tǒng)的參數(shù)校準(zhǔn)工作，測(cè)定了多波束測(cè)深系統(tǒng)聲吶換能器安裝偏差角度。

3.3 外業(yè)施測(cè)

3.3.1 潮位測(cè)量

為控制測(cè)區(qū)水位，在測(cè)區(qū)內(nèi)部布設(shè)臨時(shí)水位站（2#水位站），2#水位站與測(cè)區(qū)最遠(yuǎn)位置直線距離不超過(guò)2.7 km，使用固定投放于海底的自容式潮位儀自動(dòng)進(jìn)行水位測(cè)量。為聯(lián)測(cè)2#水位站零點(diǎn)高程，在青島港前灣港區(qū)拖輪碼頭前沿布設(shè)臨時(shí)水位站（1#水位站），使用固定投放于海底的自容式潮位儀自動(dòng)進(jìn)行水位測(cè)量，并于碼頭前沿設(shè)置人工驗(yàn)潮點(diǎn)，以測(cè)區(qū)附近的水準(zhǔn)點(diǎn)M2為起算點(diǎn)，按四等水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)要求引測(cè)驗(yàn)潮點(diǎn)高程。

于水深測(cè)量開(kāi)始前將各潮位儀分別固定投放于1#、2#水位站位置，設(shè)定驗(yàn)潮儀每10 min記錄一個(gè)數(shù)據(jù)，在潮位儀進(jìn)行水位測(cè)量期間，同時(shí)測(cè)量測(cè)區(qū)氣壓值。根據(jù)潮位儀各個(gè)時(shí)刻的記錄數(shù)據(jù)，結(jié)合對(duì)應(yīng)時(shí)刻的氣壓值，計(jì)算1#、2#水位站各個(gè)時(shí)刻水深值。

為聯(lián)測(cè)1#水位站潮位儀零點(diǎn)高程，選擇天氣狀況良好、風(fēng)浪較小的工天，采用人工觀測(cè)方式測(cè)量水位。于每天水深測(cè)量前10 min開(kāi)始觀測(cè)水位，水深測(cè)量結(jié)束后10 min結(jié)束水位觀測(cè)，水位觀測(cè)期間每10 min觀測(cè)記錄1次水位，每次觀測(cè)2遍取均值作為對(duì)應(yīng)時(shí)刻水位。根據(jù)人工觀測(cè)水位數(shù)據(jù)及同時(shí)刻該水位站水深值，計(jì)算1#水位站潮位儀零點(diǎn)高程。根據(jù)1#、2#水位站同步觀測(cè)水位，采用同步期平均海平面法計(jì)算出2#水位站潮位儀零點(diǎn)高程，繼而計(jì)算出2#水位站各時(shí)刻水位，采用該水位站水位對(duì)測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行單站水位改正。

3.3.2 測(cè)線布設(shè)

測(cè)線沿航道走向方向布設(shè)。參照測(cè)區(qū)以往水深資料，并綜合考慮水深及船舶航行時(shí)的偏航影響，測(cè)線間距設(shè)置為45 m。

3.3.3 水深測(cè)量

外業(yè)測(cè)量時(shí)使用HYPACK 2010版測(cè)量軟件實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位，使用Qinsy 9.1版多波束數(shù)據(jù)采集軟件實(shí)時(shí)采集水深、姿態(tài)、定位等數(shù)據(jù)，并將各傳感器數(shù)據(jù)按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)融合成XTF格式數(shù)據(jù)文件。掃測(cè)期間使用多波束中心控制軟件，人工交互式控制采集水深門(mén)檻、功率、增益等，盡量保證多波束水深及其他各傳感器的數(shù)據(jù)良好。

3.3.4 聲速測(cè)量

外業(yè)測(cè)量期間，根據(jù)每個(gè)工天外業(yè)施測(cè)的實(shí)際情況，結(jié)合多波束測(cè)深系統(tǒng)表面聲速計(jì)所反映的換能器位置聲速的變化情況，選擇測(cè)區(qū)內(nèi)水深較深并具有代表性的地方對(duì)測(cè)區(qū)聲速進(jìn)行了測(cè)量。數(shù)據(jù)后處理時(shí)，按“最近距離”的改正方式進(jìn)行聲速改正。

3.4 數(shù)據(jù)處理

外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作完成后，使用業(yè)內(nèi)認(rèn)可度較高的Caris 11.3版軟件處理所采集的多波束數(shù)據(jù)。處理流程采用行業(yè)內(nèi)通用流程，先檢查、編輯定位、姿態(tài)、潮位、聲速剖面等各傳感器數(shù)據(jù)，后經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)、吃水改正、聲速改正、潮位改正、數(shù)據(jù)融合、子區(qū)編輯等一系列后處理后得到水深圖。

3.5 結(jié)果分析

分別于2020年12月、2021年9月對(duì)該航道監(jiān)測(cè)水域進(jìn)行了多波束水深掃測(cè)。將2020年掃測(cè)水深數(shù)據(jù)與2021年掃測(cè)水深數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，航道東邊界區(qū)域出現(xiàn)大約10 cm的回淤現(xiàn)象，航道西邊界區(qū)域出現(xiàn)大約10 cm的回淤現(xiàn)象，航道中心區(qū)域出現(xiàn)大約10 cm的沖刷現(xiàn)象；將2021年水深成果圖中的20 m等深線與2020年掃測(cè)水深圖中的20 m等深線進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)航道東邊界20 m等深線侵入航道內(nèi)最大為27 m，較2021年增加了約20 m。西邊界20 m等深線向航道內(nèi)方向有少許侵入但都未侵入航道以內(nèi)。

在處理多波束水深數(shù)據(jù)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)航道西邊界外4處疑似拋泥的區(qū)域，具體位置分布如圖2所示。

疑似拋泥點(diǎn)1：大地坐標(biāo)B=xx°59′39.62″N，L=xxx°20′07.16″E；平面坐標(biāo)X=xxxx966.52，Y=xxx236.10。高出原泥面最大約1.0 m，范圍大小約為30 m×35 m。測(cè)深點(diǎn)位分布如圖3所示。

疑似拋泥點(diǎn)2：大地坐標(biāo)B=xx°59′21.49″N，L=xxx°20′09.98″E；平面坐標(biāo)X=xxxx407.96，Y=xxx308.66。高出原泥面最大約0.8 m，范圍大小約為25 m×15 m。測(cè)深點(diǎn)位分布如圖4所示。

疑似拋泥點(diǎn)3：大地坐標(biāo)B=xx°59′19.12″N，L=xxx°20′14.98″E；平面坐標(biāo)X=xxxx335.34，Y=xxx434.16。高出原泥面最大約1.5 m，范圍大小為30 m×20 m。測(cè)深點(diǎn)位分布如圖5所示。

疑似拋泥點(diǎn)4：大地坐標(biāo)B=xx°59′09.20″N，L=xxx°20′14.68″E；平面坐標(biāo)X=xxxx029.56，Y=xxx427.70。高出原泥面最大約1.3 m，范圍大小約為20 m×25 m。測(cè)深點(diǎn)位分布如圖6所示。

4 結(jié)語(yǔ)

文章主要介紹了多波束測(cè)深系統(tǒng)的組成、工作原理、測(cè)深流程以及在測(cè)深過(guò)程中需要注意的問(wèn)題，并將其應(yīng)用在某航道水深監(jiān)測(cè)中，通過(guò)比較2020年、2021年兩期水深，闡述了該航道海底沖刷情況，探明了四處疑似拋泥區(qū)域，為該航道的維護(hù)性疏浚及船舶的安全通航提供了重要依據(jù)。

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