多波束測深儀在航道測繪中的應用分析

張博文 廣東省粵西航道事務中心湛江航標與測繪所

近幾年，伴隨國家經濟水平的提高，“一帶一路”的實施與海洋強國戰略的實行，海洋經濟活動越來越頻繁，航道測繪的作用日益明顯。為了保障經濟的穩定、迅速發展，確保船舶的運行安全與海洋工程的要求，需要定時展開航道測繪。其中，多波束測深儀是一種高新測繪系統，在航道測繪方面使用普遍。

1.多波束測深儀介紹

多波束測深儀測繪，是依靠多波束作用而完成水下測繪的。相對于單波束測繪有許多優點，大幅度提高了水下地形測繪效率，在測繪時，能夠根據水下多個測繪點進行測繪，獲取相關的測繪深度值。多波束測深儀是由發射換能器、接收器和定位、定姿態輔助器，及處理得到信息的系統等多個子系統所組成。航道測繪中使用多波束測深儀提高了面化測繪效果，促使航道測繪效率和效果得到了明顯提高，推動了航道建設的持續發展。

1.1 多波束測深儀的構成

在現代水中探測方面，多波束測深儀發展迅速，是該領域的關鍵新興科技之一，多波束測深儀實現了計算機科技和聲吶系統及與空間測控系統及數據處理系統的充分結合。在進行水底探測時，其既具備較高密度，并且測繪精度很高。本文探究的多波束測深儀SeaBat 8101，是當前世界上精度較高的測深系統之一。其構成涉及運動傳感儀與OCTANS光纖羅經、側掃圖片處理平臺、聲速剖面器和處置多波束信息平臺及底質分類平臺等。

1.2 特征

（1）采取帶狀形式來測繪。多波束測深儀集合了許多先進科技，是一種十分先進的測繪技術，具體使用時，基于帶狀形式進行測繪。該系統的使用優點是，測繪涵蓋范圍較廣，能夠取得全覆蓋水底物體的成效。而且，相對于單波束測繪，該系統可以精確的呈現出水底每種地形細小的改變。這一特征主要是因為單波束是展開點式測繪，但多波束是進行面式測繪。測繪水底狀況時，基于帶狀方式測繪，可以全面獲得水底地形的有關信息。多波束測繪形成等值線的環節，該種測繪方式取得了全覆蓋，具備信息量很大，且有良好的穩定性。但單波束測繪在操作中會產生信息不全的現象，這就更加突出多波束測深儀的優勢。

（2）發射換能器比較先進。水下探深時，該技術可以實現165°寬的投射涵蓋面，而且接收器還可以把投射波實現動態聚焦，也可以實時的把探測到的信息依靠監視器傳輸。

（3）能產生直觀的信息圖。多波束測深儀使用時，除了以上優點以外，還能形成直觀的信息圖。該系統內處理系統較強大，功能十分完善，能夠根據實際情況進行不同比例尺的測繪，基于此形成信息圖。而且可以多元化處理信息圖，包含水下測深等直線的有關信息圖，也可以形成地形模型圖，能產生彩色水深圖等等。

2.多波束測深儀安裝檢測

2.1 設置電羅經傳感儀

電羅經的設置部位具有較高要求，電羅經傳感儀要安置于船舶中心周圍，電羅經指示角度要和船首方向相同，而且需要在船體坐標軸的水平面中。安裝部位要遠離導磁材料和易被磁化的材料；電羅經和很大的鐵性物質、強電流的導線和電池組最少維持1.3-1.5米的間距；有些電子產品的應用將影響電羅經的穩定運轉，使之測得的方向信息失真和干擾，要遠離它們。

2.2 設置運動傳感儀

運動傳感儀（TTS）要固定安置，且盡量和水平面平行；TTS離船體重心愈遠，船體縱橫傾變化越大，形成的測繪偏差也愈大，因此安裝部位要在船體重心或盡量接近重心；TTS的設置存在方向性，它罩殼上的顯示方位要和船首方向相同，否則就出現反向改正，引起較大偏差。

2.3 設置多波束換能設備

多波束換能設備的設置重點取決于船型與船舶結構，而且還要考量多波束測深儀應用的水域，像在內河測繪，由于受風浪程度很小，能夠安置于船首，但在潮汐河口和近海水域，由于受風浪程度很大，適合采取船舷固定設置。安置時應注意加固，防止測繪換能設備出現抖動、沉降。另外，還兼顧換能設備的安全性，防止在靠離碼頭碰撞受損，建議設置換能器，還存在可拆除和能轉移的作用。

2.4 設置DGPS接收器天線

DGPS接收器天線要設置在傳播高處，根據場內阻礙物的高度角不得大于10°；盡量遠離船體主桅桿；盡可能離開大功率的無線電發射信號源；設置天線要穩定，防止船體姿態改變使之出現移動；天線部位要選取遠離船舶重大金屬物體構造，離夾板高度最少1.5米之上，降低信號多途徑效應。

天線設置后，要嚴格測試，測試能夠分成通電測試與航行檢測。通電檢測：在靜態情況下展開，檢查平臺各部分導線銜接是否正常穩定，準確無誤；檢測接地是否準確，可靠；檢測配電電源傳輸電壓是否穩定，直流配電的極性是否準確，確認正常后，就目測系統每個部位的通電運轉情況、信號的穩固性與信息的通訊狀況。

航行檢測：要選取適合水域設測多個往返測線展開橫傾、縱傾、定位延緩、電羅經誤差等指標改正。另外，在測試時也要檢測DGPS接收器、聲速剖面器、電羅經等是否運行正常。當前，以上各檢測項目不只是安裝測試的需要，并且已經是各個航次和承接新測繪項目前需要處理的任務。

3.定位導航

水深測繪工作平面定位采用RBN-DGPS系統處理。因為GPS采集的是WGS-84坐標，但測繪成圖使用的坐標系是當地坐標系。所以，在測繪前要先計量WGS-84至當地坐標軸間的坐標變換值。

WGS-84坐標系到當地坐標系間的坐標調換值能夠直接使用2-3個控制點求出。為驗證坐標調換值的精準度，采取RBN-DGPS接收器展開坐標比較，依靠實測坐標和已知坐標的比較差來驗證調換值的精準性，比較結果符合標準要求才能夠投用。DGPS信標接收器接收差分信息完成平面定位。

4.測繪和信息處理

4.1 掃道規劃與測線分布

（1）掃道方位。掃道方位規劃時，兼顧到多波束測深儀收集的屬于高密度條帶式水深信息，其能夠對水底地形實現全覆蓋探測。在正常操作環境下，只需船速選取合理，就不會漏掉特別水深，所以，掃道方位規劃沿著航道方向分布。

（2 ）掃道道寬。Atlas Fansweep20 的掃道規劃寬度是W=2D圖tanθ（D圖指海圖水深，θ指波束角）。具體操作過程，掃道道寬按照場地水深來決定，主要以掃道規劃寬度值為基礎。此外，兼顧到施工過程對漲潮水位的合理使用，也能以實際掃側信息填充屏幕呈現的規劃范圍且有重合為準。

（3）重合帶寬度。在《多波束測深系統測量技術要求》JT/T 790-2010中提出：主測深線的間距應不大于有效測深寬度的80%，在重要航行水域，測深線的間距應不大于有效測深寬度的50%。

4.2 測繪實施與信息后處理

多波束測繪選擇的是PDS2000測繪系統，系統同步收集DGPS位置信息、多波束測深儀水深測繪信息、波浪補償器姿態補償信息、電羅經信息。聲剖器實時收集聲速信息明確單波束聲速與多波束聲速剖面。選擇CARIS后處理系統展開水深點后處置，剔除了假水深，于CARIS系統內記錄潮位數據，智能對水深信息完成水位改正。信息處理涉及信息預處理與成圖兩點，預處理包含定位信息處理，聲速剖面信息處理，潮位信息處理，姿態信息處理，深度信息處理與信息編輯、除噪、兼并、清項；成圖是對預處理后獲得的水深信息實現網格化，形成DTM，制定水下地形圖。