多波束測深儀在碼頭基坑平整度檢測的應用

任洪玉

摘 要：伴隨現代測量數據采集手段的不斷發展，以多波束測深系統為代表的水深測繪方法，被廣泛應用于港口與碼頭建設、壩體堤防平整度監測與海底地形測繪等諸多方面。文章擬從多波束測深系統的構成為基礎，闡述超聲波測深的原理與精度影響因子，并以R2Sonic 2022聲吶多波束測深系統為例，分析其在碼頭基坑平整度檢測中的應用，為類似工程檢測提供參考依據。

關鍵詞：多波束；超聲波測深；精度因子；平整度檢測

中圖分類號：U656.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）22-0163-02

Abstract： With the continuous development of modern survey data acquisition methods such as multi-beam bathymetric system are widely used in port and wharf construction dam and embankment smoothness monitoring and submarine topography mapping and many other aspects. Based on the constitution of multi-beam bathymetric system， this paper expounds the principle of ultrasonic sounding and its precision influence factors， and takes R2Sonic 2022 sonar multi-beam bathymetric system as an example to analyze its application in the detection of the smoothness of wharf foundation pit. It can be used as reference for similar engineering inspection.

Keywords： multibeam； ultrasonic sounding； accuracy factor； flatness detection

伴隨現代數據獲取與處理技術的不斷提升，以多源數字化傳感器、GNSS衛星定位、慣性導航與數據分析模塊為構成的多波束測深系統，利用高低頻信號往返時間與路徑分析，快速獲取水下深度信息，并以其高精可靠分辨率的特點，被廣泛應用于水深測繪與水運設施檢測中。

1 多波束測深系統的組成概述

從構成單元分析，多波束測深系統主要由聲吶探測模塊、狀態數據采集模塊與數據綜合處理模塊構成，同時包含GNSS定位、聲速剖面傳感設備與姿態測定傳感器等硬件終端。數據分析與處理軟件，即包含分析原始定位與濾波、測深改正等相關信息，利用插值原理繪制水下地形等深線圖等資料。以R2Sonic系列多波束測深系統為例，其基本構成如圖1所示。

2 多波束測深儀的工作原理

與單波束測深原理基本相同，多波束采用超聲波探測的方法，測定換能器發出的聲波在水體中的往返傳播時間，進而解析水體深度的過程。相對于單波束而言，多波束由的換能器采取正交形式分組構成，呈現一定指向的窄波束，并向水體發射扇形脈沖波，單次探測即可瞬時獲取航向正交面的眾多水深數據，進而表示出水體地形起伏情況，因此多波束亦被稱之聲吶陣列測深或水下CT掃描儀。波束測點從換能器為起點，所測算的水深Hi與中心點水平間距Di如下：

由于多波束測深系統構造相對復雜，其成果精度與GNSS、電羅經等慣導姿態測定設備也密不可分。為精確測定水深測量載體的狀態參數，多采用雙GNSS定位設備進行短基線約束差分定位，基于RTCM或CMR形式獲取高精度動態三維坐標數據，明確船艏基線方位，其精度優于電羅經測定的方位；多波束系統布設了聲速剖面儀、姿態傳感器等終端，實時測定船體姿態與聲速變化數據，并采用數據處理器即時快速校正測深數據。

3 多波束測深儀在碼頭基坑平整度檢測的應用研究

現有某碼頭基坑施工建設工程，為確保基坑混凝土工膜防滲補強能力，需采用現代技術手段對碼頭基坑平整度檢測，結合實際情況，本項目采用R2Sonic 2022第五代聲吶多波束測深儀進行碼頭基坑平整度檢測，控制中心Sonic Control采用以太網連接聲吶SIM接口，該多波束測深儀信號帶寬60KHZ、160個波束、最大量程500m。其多波束檢測基本工藝流程如下：

（1）多波束系統的安裝。將換能器固定于測量船舷，并將GNSS設備固定于安裝桿，然后以安裝桿與水面交點為原點建立測量載體坐標基準，分別定義X、Y、Z軸向，解算單個傳感器（GNSS、換能器、光纖或電羅經）相對坐標點位。

（2）系統參數檢校。根據慣性測量模塊IMU以及同線反向相關條帶或中央波束采集的水深數據來求解橫搖（roll）和縱搖（pitch）偏差校準數據，根據GNSS獲取船艏（yaw）方位向量，并依托異線反向邊緣數據解析偏差值；同時，將GNSS時鐘與R2Sonic 2022多波束測深系統保持時間同步，無延遲量修正。

（3）平整度數據采集。碼頭基坑平整度掃測時，根據規劃的四條測線與測點密度指標，重復測掃兩次，共計八條測線，采用1°波束角間隔，開角120°，為確保邊緣測定的數據質量，相鄰測線間距邊緣25%重疊；設備標稱工作頻率為200-400KHZ，為提升測量船只載體的穩定性，將工作頻率設定300KHZ，以降低基坑測掃時的邊緣形變情況。

（4）測掃數據分析。利用多波束采集的龐大數據點云，基于海量數據處理平臺，首先利用多余觀測量，剔除測量中的粗差錯誤數據，進行剖面判讀分析，平整度取15cm為限定標準，然后以TIN三角網為基礎來構建碼頭基坑數字高程模型（如圖2）。

4 結束語

多波束水深數據采集時，針對重復掃描測線應確保基本測量條件類似，降低外界因素引起的成果質量誤差，提升固定桿的穩固性，降低傳感器姿態偏差，適當調整工作頻率，降低測量平臺載體的震動偏差。隨著多源傳感器靈敏度的提升，多波束測深以其快速準確、分辨率高等優點，將在航道水運測繪、水工平整度檢測中展現出傳統測量所無法比擬的優勢，提升相關工程建設的精準度與安全性。

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