多波束傾斜安裝在淺水區域中的測量應用

周 林，任 皓，付 棟

（中國電建集團港航建設有限公司，天津 300467）

引言

近年來，隨著國內外經濟實力的飛速增長，不僅帶動了世界航運事業的發展，同時促進了大江大河治理和沿海港口的興建和擴建，多波束測量技術的應用越來越廣泛。普遍意義上的多波束測量主要在水深大于3 m 的區域進行，當測量區域水深小于3 m 時，常規的多波束測量方法很難在淺水區域測得有效數據，多波束探頭傾斜安裝可以在很大程度上解決這一難題，使淺水區域可被多波束測量覆蓋，并提升了船舶測量設備的安全。

本文以孟加拉帕德瑪大橋河道整治項目為依托，探討多波束傾斜安裝在淺水區域測量中應用。

1 多波束傾斜安裝系統組成

多波束設備在國內外應用比較廣泛，其主要技術參數如表1 所示。

表1 多波束技術設備的技術參數

運動傳感器（光纖羅經）更適宜于本項目運用小型測量船進行淺水區域多波束測量，具有精度高、穩定性強等特點。其主要技術指標如表2 所示。

表2 技術指標

定位設備水平精度為8 mm+1 ppm RMS，垂直精度為15 mm+1 ppm RMS。

聲速剖面儀量程為1 400-1 600 m/s，測量精度為±0.05 m/s。

多波束傾斜安裝架的設計使用可以更大程度的在水深小于3 m 的測量區域進行多波束測量。綜合考慮多波束數據質量和船型結構，將傾斜安裝架的傾角設計為20°，配合多波束自身的旋轉測量功能，可以保證測量船在安全水深區域測到水深小于3 m 的淺水區域。傾斜安裝架設計如圖1 所示。

圖1 傾斜安裝架示意圖

傾斜安裝架的位置量取基點為法蘭盤中心，通過精確量取，測得基點與多波束探頭聲學中心的相對位置關系如表3。

表3 相對位置關系

2 設備安裝校準

2.1 測量設備安裝及相對位置關系量取

本項目所用測量船為英國獵豹公司設計生產的玻璃鋼材質雙體測量船，具備船體輕巧、易操作、抗風浪能力強等特點，可以在各種復雜水文條件下開展測量任務。

多波束換能器安裝池（月池）位于船體中心偏后（后甲板）的位置，定位設備GPS 安裝于月池中心的正上方，運動傳感器（光纖羅經）安裝于船艙內部船體中軸線上。

各測量設備在相應位置安裝完畢后，需進行精確的相對位置關系量取，量取方法包括全站儀測量、人工多次量取取平均值的方法。全站儀測量方法為分別在測量船的左右舷自由架站，然后測出各設備的坐標，從而計算出各設備間的相對位置關系；另一方面，以人工多次量取取平均值的方法進行量測。

將用兩種不同方法測算出的數值進行比對，取平均值，最終得出各設備間的相對位置關系，本次相對位置關系量取的坐標原點為運動傳感器(Octans)中心。如表4 所示。

表4 各設備的相對位置關系

2.2 多波束安裝校準測試

多波束安裝校準測試是進行多波束測量的重要前提，其目的是校正多波束換能器與運動傳感器之間的系統偏移，偏移量最終體現在橫搖（Roll）、縱搖（Pitch）、朝向（Yaw）三個數值上。

對于多波束安裝校準，應遵循以下航行模式：

橫搖（Roll）：以相同的速度在平坦區域上進行往返線測量（兩條測線數據彼此重疊）

縱搖（Pitch）：以相同速度在斜坡（或非平坦）區域進行往返線測量（兩條測線數據彼此重疊）

朝向（Yaw）：以相同速度在斜坡（或非平坦）區域進行兩條平行線測量并且航向需要一致（兩條測線數據需要至少一半數據重疊）

運用以上方式采集的多波束測量數據經過處理后，得到最終校準值，如下表所示：

表5 多波束安裝校準結果

3 多波束傾斜安裝測試

該項目所在孟加拉帕德瑪河全年河流水位變化較大，水位高程基準為BangladeshPublicWorks Datum(簡稱PWD)，雨季水位可達6.0 m（PWD），干季水位約為1.0 m（PWD）。雨季高水位期進行淺水區域的多波束測量相對容易，測量數據可以滿足施工需求；干季水位較低期的淺水區域多波束測量很難進行，多波束換能器的傾斜安裝可以很大程度解決這一難題。項目設計疏浚邊坡坡比為1:6，測試在干季低水位期，高程為1.0 m（PWD）時進行。

首先運用常規多波束安裝方式，即多波束換能器朝船體正下方，測量區域選擇在施工區某段的-2.4 m（PWD）平臺處進行，沿平臺內側邊緣平行于河岸布設測線。

結合本項目實際，經過長時間多次測試，通過不斷調整多波束控制軟件的各項參數，總結出了一套分別在多波束普通安裝方式和傾斜安裝方式下的最佳參數，通過本套參數測得的數據質量良好，可以為項目在淺水區域施工提供可靠的數據支持，具體參數設置如表6 所示。

表6 不同安裝方式的最佳參數

將所測數據進行處理后得知，以普通安裝方式進行的多波束測量最淺可以測到-1.0 m（PWD）高程，如圖2 所示；運用多波束傾斜安裝的方式，在同一區域的相同測線上進行測量，經過數據處理得知最淺可以測到0.0 m（PWD）高程，如圖3 所示。

圖2 普通安裝方式測量范圍

圖3 傾斜安裝測量范圍

4 結語

目前多波束傾斜安裝技術已應用在孟加拉帕德瑪大橋河道整治項目中，通過不斷積累測量過程中的各種經驗，該項技術已經非常完善。

隨著水下工程施工技術水平的不斷提高，施工工藝日趨復雜，對施工精度的要求也逐漸增高，多波束傾斜安裝的應用可以很大程度上解決淺水區域水下施工的測量問題，使多波束測量技術的應用變得更加全面，可以為各類復雜水文條件下的施工提供可靠數據支持。