多波束測深系統在內河航道養護中的應用

陸培豐 湖南省水運建設投資集團有限公司

航道測量是航道養護工作的一項重要工作，也是維護和運行數字化、智慧化航道系統的重要基礎工作。多波束不僅可以準確獲取目標物空間數據，而且可實現水下三維成圖，具有測量范圍廣，速度快，精度高的特點。多波束測深系統在湘江航道養護中的配合應用為湖南航道實現高質量發展注入強勁動力。

1.多波束測深系統

多播速測深系統是將多個不同的技術集成的一個綜合性系統，其中包括以下幾種技術：給予數字化技術的具有高精度的輔助性傳感技術、基于計算機數據處理功能的技術、組合慣導技術以及水聲學聲納探測技術。多波束測深儀打破了單波束測深儀“以點成線”的工作方式，實現了“以線成面”的全覆蓋、立體化成圖，智能化、高效率點云數據處理的工作模式。它主要的工作其實是利用聲波傳遞接收原理，通過發射一定角度的發散聲波，然后用接收器接收聲波傳遞到海底產生的回波中的窄波束，按照這種發射、接收聲波，就形成了在海底的“波束腳印”。運用組合慣導和表面聲速傳感器對各個“波束腳印”的空間位置進行歸算處理，進而提高精準度，使得在一定寬度范圍內的目標在水下的大小、形狀以及相關具體情況能夠在較短時間內被測車。

1.1 多波束聲吶工作原理

通過上述的利用發射裝置對海底發射發散覆蓋的人聲波，然后通過接收裝置接收海底傳來的回波，發射和接收區域的正交性形成了對該區域的照射腳印，合理的分析處理這些照射腳印，就能夠一次得到垂直于當時航向平面海底的許多點位的水深，進而可以高效、準確地得到航向下一定深度內的相關目標的大小、形狀以及走勢，得出其相關地形的三維特征，具體如圖1。

圖1 多波束聲吶工作原理圖

1.2 多波束聲吶主要特點與作用

多波束聲納的海底地形測繪精度好和效率高，特別適合大面積海底地形勘測，是海底地形測繪的革命性裝備，深刻影響海洋研究。

多波束聲納系典型多傳感器融合系統，為信號與信息處理、電子與計算機、導航與定位、傳感器與材料等多學科領域相關高新技術所交叉集成。

1.3 單波束測深儀原理

如下圖所示測深儀的回聲測距原理。Z為換能器到水底的距離，如果聲速在水中的傳播速度為v，傳播時間為t，那么水深Z=vt/2那么最后的測量結果就等于水深Z加上吃水（吃水是水面到換能器底面的距離），見圖2。

圖2 回聲測深儀原理

圖3 湘江航道掃測區域成果圖

1.4 單波束測深儀與多波束測深儀比較基本原理

對于測深系統而言，不論是單波系統還是多波系統，從本質上來看，主要應用的還是不同聲波在水下的傳播特性的不同來決定的，進而得出相關數據。就單波束來說，它通過特定頻率的聲波，使在水底能收到傳遞的聲波，并在水底返回到換能器，結組兩者之間聲波傳播的時間差，可以得出換能器到水底的距離；而多波束所發射的聲波與垂直方向有一定的夾角，在計算時需要根據這一因素來求取水深和位置信息。

單波束與多波束測深系統應用區別。雖然單波束與多波束測深系統在基本原理等方面存在著相同點，但兩者之間的區別仍然較大。下面以兩者實際應用為出發點，從系統構成、校準方法、測線布設、成圖比例尺、測量效率、數據處理以及最終成果形式等方面闡述兩者的區別。

1.5 多波束換能器及IMU安裝

本文介紹的多波束測深儀換能器和慣性測量單元（IMU）采用固定安裝方式。換能器采用豎井月池安裝，換能器和升級支架固定后，采用自動升降裝置實現升降，為防止紊流層的干擾，測量前會將換能器下降至龍骨下20CM處再進行跑線，其余時間可以將換能器收回月池，保護換能器。IMU固定安裝在豎井附近，開機后實時提供高精度姿態、定位、航向數據。固定式安裝的好處是，只需要第一次安裝或者移動拆卸設備后進行設備偏距的量取和校準，簡化測量流程，提高測量效率。

2.多波束測深系統的在內河航道實際適用范圍

（1）躉船移位選址。項目案例：湘江某航段5公里長、0.3公里寬的水域測量，面積1.5平方公里。建立格網模型，生成TIF影像圖，也可生成等深線圖，見圖3。

（2）航道應急搶通項目工程量計算及驗收。航道應急搶通前對所在航道進行多波束掃測，完成后再次對相同區域進行測量，因為多波束可輸出三維地形圖，可直觀地分析搶通航段的變化，也可以計算航道整治工程前后的土方量。

（3）可以應用到航道河床演變對比、水下的地形起伏、護岸工程及長河段測量等需要數據精度較高的測量項目。

3.總結

綜上所述，多波束測深系統可應用于內河航道淺灘航槽沖淤變化的分析、航道河床演變對比、護岸工程、航道應急搶通項目工程量計算及長河段測量等需要高精度數據的測量項目。兩種測量設備各有優勢，在具體工作中根據實際情況需要配合使用，可更大地提高工作效率。