橡皮沖鋒舟搭載多波束測深系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張智敏，梅同單，袁野，甘坤

(長江水利委員會(huì)水文局西南諸河水文水資源勘測局，云南 昆明 650051)

1 引 言

多波束測深系統(tǒng)是利用發(fā)射換能器陣列向海底發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波，利用接收換能器陣列對聲波進(jìn)行波束接收，通過發(fā)射、接收扇區(qū)指向的正交性形成對水下地形的照射腳印，對這些腳印進(jìn)行有效處理，一次探測就能給出與航向垂直的垂面內(nèi)上百個(gè)甚至更多水域被測點(diǎn)的水深值，從而能夠精準(zhǔn)、快速地測出沿航線一定寬度內(nèi)水下目標(biāo)的大小、形狀和高低變化，比較可靠地描繪出水域地形的三維特征[2]。在海洋及內(nèi)河測量中可以獲取水下地貌的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，測量效率和精度高，在水下地形測量、水電站庫容淤積測量、重要建筑物掃測、涉水應(yīng)急測量等方面應(yīng)用廣泛。

市面上主要使用的多波束設(shè)備有勞雷公司R2 Sonic系列、Reason公司的Seabat系列、Kongsberg公司的EM系列等，以及國產(chǎn)中海達(dá)iBeam、海卓MS系列等，型號(hào)較多且各具特點(diǎn)[3]。不同的設(shè)備性能決定了多波束換能器重量，其主要聲學(xué)設(shè)備(換能器)，輕便型的僅僅有 4 kg，重型的有 25 kg，甚至更重，加上安裝支架等全套系統(tǒng)輕則十幾公斤，重則上百公斤。輕便型的可以使用無人船搭載，但大部分還是使用鐵制機(jī)動(dòng)船搭載，多波束的重量、性能、測量環(huán)境和測量精度等決定了搭載船的大小[4]。

多陣列適用于大水深測量，此多波束系統(tǒng)往往設(shè)備較重，對搭載船要求更高，無人測量船難以滿足要求且價(jià)格高昂；對于測量精度來說，大型的搭載船相比無人船等姿態(tài)更為穩(wěn)定，測量成果更可靠。在內(nèi)河水下掃測生產(chǎn)中，更需要便于攜帶運(yùn)輸、易于安裝使用的小型搭載船，橡皮沖鋒舟是最佳選擇。在長江等船只較多且通航條件較好的河段，使用者往往租用船只或者自配船只測量，基本能滿足測量需求。但在一些不通航河段，難以找到合適的搭載船只，以及在船只難以到達(dá)的局部地區(qū)，如水電站水墊塘、泄洪洞或河流淺灘區(qū)域，受船只等因素的影響較難發(fā)揮多波束測量系統(tǒng)的優(yōu)勢。

傳統(tǒng)的鐵制機(jī)動(dòng)船體積大，運(yùn)輸不便，成本較高，采用租賃船只的方式也受當(dāng)?shù)卮磺闆r限制，使用測量船存在難以控制、受測量環(huán)境影響等問題。橡皮沖鋒舟體積小、質(zhì)量輕、便于攜帶，測量時(shí)機(jī)動(dòng)靈活[4]，非常適用在局部測量環(huán)境。本文以R2 Sonic 2024多波束測深系統(tǒng)為例，將橡皮沖鋒舟作為載體，對其進(jìn)行加工改造以達(dá)到搭載多波束測深系統(tǒng)進(jìn)行測量的目的，以實(shí)現(xiàn)對普通船只難以到達(dá)的區(qū)域進(jìn)行掃測。

2 橡皮沖鋒舟設(shè)計(jì)改造

市面上沖鋒舟種類較多，常規(guī)的有玻璃鋼沖鋒舟、橡皮沖鋒舟、不銹鋼沖鋒舟等，船只規(guī)格也有大有小，大的有十幾米長，小的僅有一米左右。各生產(chǎn)單位按需配備不同類型的沖鋒舟。當(dāng)測量項(xiàng)目較大或需要周期性觀測，大多采用玻璃鋼沖鋒舟，其優(yōu)點(diǎn)是船體穩(wěn)定，抗風(fēng)浪能力強(qiáng)，便于安裝設(shè)備等；但多數(shù)生產(chǎn)單位往往采用的是橡皮沖鋒舟，其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，易于折疊，方便搬運(yùn)和運(yùn)輸，靈活性更強(qiáng)。本文主要是研究采用橡皮沖鋒舟對其進(jìn)行改造，已達(dá)到測量的需要。

常規(guī)測量采用的橡皮沖鋒舟主要是橡皮制作氣囊，使用時(shí)充氣即可，測畢將氣囊內(nèi)氣體放空即可收疊運(yùn)輸；底板采用鋁合金材質(zhì)制作，使用時(shí)拼接起來即可，如圖1所示：

圖1 橡皮沖鋒舟外觀示意圖

在測量使用中，往往選擇在船舷安裝測深換能器，船板上安裝固定采集設(shè)備以達(dá)到測量的目的。由于承載能力不大，受風(fēng)浪影響大，且安裝的測深設(shè)備重量不宜太重，一般僅為幾公斤。如多波束測深系統(tǒng)等測量設(shè)備時(shí)常難以使用，故需對其進(jìn)行改造。

(1)改造方案

橡皮沖鋒舟改造設(shè)計(jì)方案為：將沖鋒舟底部氣囊去除，在底板開孔，孔徑大小根據(jù)入水測量設(shè)備的大小確定；在船底板上設(shè)計(jì)制作安裝支架，以適合將測量設(shè)備入水，保證船體的穩(wěn)定和正常航行、承載的需求。

(2)改造實(shí)例

本案例所改造的沖鋒舟為常規(guī)的4.25 m長的橡皮沖鋒舟，其寬度為 1.75 m，側(cè)面為4個(gè)充氣氣囊連接形成，底板為4塊鋁合金拼接而成，發(fā)動(dòng)機(jī)采用雅馬哈兩沖程30馬力發(fā)動(dòng)機(jī)。

在底部橡皮和底板上開孔，根據(jù)R2 Sonic 2024多波束測深設(shè)備換能器的需要，開孔大小設(shè)置為 55 cm*70 cm。因?yàn)榈撞繗饽覝p少，將底板加厚處理，同時(shí)采用螺絲固定設(shè)備安裝支架基座，如圖2所示：

圖2 橡皮沖鋒舟改造設(shè)計(jì)圖

安裝平臺(tái)采用304不銹鋼材質(zhì)鋼管，用螺絲拼裝固定，將底部橡皮加長，防止航行時(shí)底部進(jìn)水。多波束換能器定制連接桿，本文研究所用的R2 Sonic 2024多波束換能器下部為法蘭盤連接，定制法蘭盤，如圖3、圖4所示：

圖3 安裝支架

圖4 換能器連接桿

3 應(yīng)用實(shí)踐

在瀾滄江中游某電站壩下水墊塘區(qū)域和泄洪洞區(qū)域多波束掃測項(xiàng)目中，使用R2 Sonic 2024多波束測深系統(tǒng)進(jìn)行外業(yè)采集，分析岸坡和江底的沖刷掏空和淤積情況。由于測區(qū)屬于狹長形河道，兩岸有大量暗礁，主河道寬度僅 20 m左右，水流流速約2 m/s，部分河段流速較大且伴有漩渦，使用常規(guī)測船存在許多安全風(fēng)險(xiǎn)，故采用改裝后的沖鋒舟測量。

(1)安裝設(shè)備

將改造后的橡皮沖鋒舟充氣組裝，將支架等安裝在船上，沖鋒舟抬入水中。R2 Sonic 2024多波束換能器與定制的法蘭盤連接桿進(jìn)行連接，將換能器放入水中，采用換能器連接桿的上部橫桿與安裝平臺(tái)連接，盡量使換能器連接桿豎桿垂直。換能器安裝后，將安裝平臺(tái)上用制作的板材蓋住并固定，在蓋板上安裝顯示器、光纖羅經(jīng)、GNSS設(shè)備等。

測量設(shè)備包括多波束2024換能器、控制器接線盒、GNSS、運(yùn)動(dòng)傳感器、聲速剖面儀、數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)等。其中，運(yùn)動(dòng)傳感器采用法國OCTANS光纖羅經(jīng)，GNSS采用Trimble R7 GNSS雙頻分體接收機(jī)，聲速剖面儀采用海鷹HY1200B。

(2)數(shù)據(jù)采集

將R2 Sonic 2024多波束測深系統(tǒng)換能器、羅經(jīng)、GNSS等數(shù)據(jù)接入筆記本電腦，采用PDS2000外業(yè)采集軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。由于沖鋒舟航線靈活，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力強(qiáng)勁，對流速較大或暗礁區(qū)域均進(jìn)行了掃測。

通過多波束測深系統(tǒng)采集高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，能直觀地看出岸坡和江底的沖刷掏空情況。生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與單波束測量數(shù)據(jù)對比接近，數(shù)據(jù)可靠。通過對比數(shù)據(jù)，分析出水墊塘區(qū)域和泄洪洞區(qū)域的沖刷淤積情況，為電站安全運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

采用橡皮沖鋒舟測量時(shí)，未出現(xiàn)因船體抖動(dòng)或換能器抖動(dòng)等因素造成的數(shù)據(jù)成果質(zhì)量問題，其測量的便捷性和適用性凸顯。但是該船體不適用于水域高速航行。

4 結(jié)論與思考

通過對橡皮沖鋒舟的改造，實(shí)現(xiàn)了采用橡皮沖鋒舟搭載R2 Sonic 2024多波束測深系統(tǒng)的需求。

此次橡皮沖鋒舟改造，船體及加工改造成本低，實(shí)用性較強(qiáng)，再加上橡皮沖鋒舟易于折疊，方便搬運(yùn)和運(yùn)輸、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)，大大提高了多波束測深系統(tǒng)等大型測量設(shè)備的使用效率。其改造和安裝方式同樣可搭載單波束測深儀、ADCP、淺地層剖面儀等水下測量設(shè)備，在水利測量工程應(yīng)用中非常值得推廣和借鑒。對于測區(qū)環(huán)境要求較高的區(qū)域，同樣有很強(qiáng)的適應(yīng)性。

但是由于該船設(shè)計(jì)時(shí)下部開孔，阻水面積加大，不太適用于水域的高速航行。