多波束測深系統在水下障礙物探測中的應用探討

邱安琪

福建省港航管理局勘測中心，福建 福州 35009

在水運工程建設中，水下障礙物的探測是常遇到的問題。當前水下障礙物探測常用的方法有：水下探摸、側掃聲吶、水下機器人攝影、水下三維聲吶和多波束測深系統等。其中,多波束測深系統以其高精度高效率的特點在水下地形測繪、水下施工檢測及港口工程驗收中得到廣泛的應用。本文對上述幾種探測方法的優缺點進行分析，結合工作實踐著重探討多波束測深系統在水下障礙物探測中的應用優勢。

1 水下障礙物探測方法

1.1 水下探摸

通過潛水員借助輔助設備對水下障礙物進行摸排。此方法簡單易行，但效率低、可靠度不高，作業環境受流速、水下壓強、水底能見度影響較大，人身安全難以保障。

1.2 側掃聲吶

通過換能器陣將水底的回波放大處理和記錄并轉換成聲學圖像顯示在電腦上。其特點是快速識別回波信號的強弱，通過不同明暗灰度表示水底地形地貌的形態特征。此方法成像清晰，探測效率高。缺點是側掃聲吶一般借助托體，采用船尾拖拽的方式進行掃測，易產生定位傳遞誤差，且目前針對托體在水中姿態和航向數據的改正技術并不成熟，難以獲得高精度定位和深度信息。

1.3 水下機器人攝影

利用水下潛器ROV 搭載高清攝像機和機械手等工具對水下目標物進行測量。此方法有效降低人員水上作業風險，數據直觀。缺點是相機在濁度大的渾水中影像模糊不清，ROV 在起伏較大和水生物多的水底行進困難。

1.4 水下三維成像聲吶

通過發射超高頻率的扇形波束，接收目標物的反射信號后，運用波束形成、指向、振幅及相位檢測等技術，檢測目標物不同部位的位置信息，生成三維全景圖像［1］。此方法能精細探測水下目標物的相對空間位置，對細部結構進行定性、定量分析。缺點是三維聲吶需在相對靜止且近距離條件下才能保證采集數據完整度和精細度。聲吶頭一般采用水底架設三腳架方式安置，測量范圍大時需多次設站，對水流和水底平坦度要求高。

1.5 多波束測深系統

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窄波束接收，通過發射、接收扇區指向的正交性形成對海底地形的照射腳印，對這些腳印進行恰當的處理，一次探測就能給出與航向垂直的垂面內上百個甚至更多的海底被測點的水深值［2］。該系統集成了高精度的定位傳感器、姿態傳感器和高分辨率的聲吶探頭，可實現全覆蓋高精度高效率的水下掃測工作。

2 應用實例

項目位于福建省泉州市某大橋附近水域。橋長9.46km，橋面寬33m，設計通航標準為2000t 級船舶，通航凈寬為180m。目前該橋主體結構基本完成，施工棧橋已拆除。本次測量的目的是檢驗施工棧橋的拆除效果，探明未清除完全管樁的具體位置、深度及數量，為后續的清障工作提供基礎資料。

2.1 項目難點

⑴ 在橋區探測時衛星信號易受遮擋造成定位失鎖。多波束配備的POS MV 慣導系統內置陀螺儀和加速度計結合2 臺GNSS 接收機，可在衛星信號接收不連續或多路徑效應的情況下提供連續精確的位置和方向數據。橋區附近水流復雜，側掃聲納船尾拖拽方式作業有一定安全風險，而多波束測深系統與其相比具有定位精度高，掃測靈活的優勢。

⑵ 這些障礙物在水底分布零散，數量和概位均不確定，若采用水下三維聲吶進行探測，水底平整度未可知，水底設站難度較大，且需多次設站，效率低下。而多波束測深系統采用走航式遠距離條帶測量，輕松實現快速全覆蓋無遺漏探測。

2.2 掃測外業實施

本次掃測采用SeaBat T50-P 多波束測深系統。該系統由頻率為190～420kHz 線性調頻聲吶探頭、SVP-70 表面聲速剖面儀、T50-P 處理器主機，采集計算機及顯示器、HY1200 聲速剖面儀和POS MV慣性導航系統組成。該系統測深分辨率為6mm，水平定位均方差約為0.03m。系統采用側舷安裝方式，外業實施過程要點如下：

（1）換能器桿吃水不宜過深，其固定點前、后、過底三個方向的鋼纜在掃測中必須保持拉緊狀態，以防換能器桿在船速較大時受水流作用出現抖動，導致邊緣波束發散；

（2）POS MV 本身有固定的指向，其主輔GNSS 天線的接線口要朝向相同的方向，且盡量在同一水平高度，才能獲得準確的姿態信息；

（3）測前須將表面聲剖和HY1200 聲速儀測定數據進行互比驗證，確保用于波束導向的聲速值準確可靠，再進行系統的校準包括（橫搖、縱搖、艏搖偏差）；

（4）掃測采用等距工作模式，使水深數據密度均勻，按預布設測線行進，船速控制在3～4 節，根據實時情況調整波束角、功率、脈沖等參數，數據覆蓋重疊度＞100%，保證數據的精度和密度。

2.3 成果分析

外業完成后，進行Caris 數據后處理，提取數據建立水下三維模型，對水下特征地形進行細化處理，將這些特征地物標記并量測其坐標信息、深度、長度。本次探測共發現主橋墩臺附近存在15 根未清除完全的管樁（其中管樁4#高出泥面達4.3m）和1 個橫倒鋼筋籠（直徑2.3m）。管樁的形態和數量在點云圖上清晰可見。

3 結語

多波束測深系統通過全覆蓋高效率的掃測能夠快速準確地獲取水下障礙物的位置和深度信息，并提供高精度的水下地形數據。隨著科技不斷發展，對多波束關于反向散射強度的深入研究和多探頭集成技術的不斷研發，將為多波束在水運工程中的應用提供更廣闊的空間。