集成化水深測量裝置研發及應用

王文靜，尹學威，徐健

（1.東海航海保障中心上海海事測繪中心，上海 200090；2.上海達華測繪科技有限公司，上海 200136）

0 引言

海洋測繪是人類認知海洋的重要手段，是海洋一切活動的基礎前提[1]。在相當一段時間當中，海洋測量領域中的要素都比較單一，最為主要的是深度和底質測量[2]。深度測量在水庫、港口、碼頭、橋梁等工程建設中發揮著重要作用，在防洪減災的應用中也顯示出了巨大的經濟效益和社會效益，是一項重要的工程建設技術。

隨著項目建設在施工質量和施工效果要求上的不斷提高，對于水域區域水深測量精度也越來越高[3]。 海洋測繪在技術應用上取得了跨越式發展，實現了測繪的數字化、智能化、自動化的發展目標，在我國海洋事業的發展中發揮愈加重要的作用[4]。單波束測深系統作為地形測量、海圖繪制的主要手段之一，憑借其經濟、穩定等優勢在海洋測繪中一直擔當著重要角色，但是受限于船舶大小、換能器吃水深度、儀器靈敏度等因素，采用該種方法獲取碼頭前沿及下方、淺水區等一些特殊區域的水深數據十分困難，目前多采用傳統的人工錘測方法進行，但是該方法準確度低、效率低。

測深儀是通過聲波往返換能器面和水底的時間來間接測得水深值。聲波的往返時間取決于設備中模擬電路部分的發射接收處理電路和計時器的精度。而實際上真正的水深值是換能器吃水深度+聲波往返時間×聲速/2 得到，由此可見，換能器吃水深度和聲速成為影響測量水深精度的主要參數。但是市場上缺少能夠同時測得換能器吃水深度和水下聲速等水文參數的設備。為了測深系統實現測繪自動化，進一步提高測量精度，盡可能排除人為誤差，設計并集成了一套可以輕松獲取碼頭前沿及其下方、淺水區等船舶行駛受限區域水深的集成化測深裝置。該測深裝置集成度高，小巧輕便。在工作時可以自動獲取換能器探頭距離水面的深度，可自動獲取水下探頭所在位置的聲速值以及水文參數，從而實時修正換能器水深數值，并可通過網絡輸出水深數據。

文章將從集成化測深裝置的設計、集成化測深裝置的研發、穩定性及精度校驗、實踐驗證等方面，開展了集成化水深測量裝置研發及應用的研究。

1 集成化測深裝置的設計與實現

1.1 集成化測深裝置的設計

設計的集成化測深裝置包括3 個部分：電源模塊、測深模塊、水文參數測量模塊。其中，電源模塊為鋰電池設備，主要為測深模塊和水文參數測量模塊供電；測深模塊包括DSP 處理器、測深收發電路和測深換能器等設備；水文參數測量模塊包括MCU 主控單元、時間測量單元、溫度傳感器、壓力傳感器、聲速測量收發電路和聲速測量換能器。

相應傳感器的工作模式如下：

1） 測深收發電路的發射電路將來自DSP 處理器的控制信號經過驅動和功放后加載在測深換能器上發射出去，水底回波經過測深換能器接收后通過測深收發電路進行轉換，然后輸出到DSP處理器，AGC、TVG 的控制增益由DSP 處理器的DA 產生。

2） MCU 主控單元發送控制信號給時間測量單元，時間測量單元開始工作產生脈沖控制信號發送給聲速測量收發電路的發射電路，經過聲速測量換能器發射出去，經過聲速換能器下面的擋板反射面，由接收電路接收回波信號，最后返給時間測量單元，計算出一次往返的時間差，再把時間差發送給MCU 主控單元計算聲速值。

3） 壓力傳感器應用于測量吃水深度，通過MCU 主控單元的命令完成壓力傳感器的數據采樣，然后再傳送給MCU 主控單元計算出吃水深度。

4） 溫度傳感器連接在時間測量單元的端口上即可完成水下溫度的測量，基于電阻對電容的放電時間，利用高精度時間測量單元的溫度測量單元，完成高精度和低功耗的溫度測量。集成設計分解圖見圖1。

圖1 集成設計分解圖Fig.1 Integrated design composition diagram

1.2 集成化測深裝置的實現

硬件集成采用橡膠殼體將聲速儀、壓力傳感器、單波束換能器、線纜接頭、電源指示燈、無線WIFI 電纜、帶充電頭有線工作電纜等集合在一起。集成化測深裝置圖見圖2。測深裝置工作時，單波束換能器實時獲取探頭至水面的水深數據，壓力傳感器實時獲取探頭的吃水深度，聲速儀和溫度傳感器實時獲取探頭位置處的聲速、溫度等。結合實時聲速和探頭實時吃水深度可以獲得精確水深數據；并把聲圖信息和水深數據上傳（通過無線WIFI 或者有線電纜）至終端設備，實現信號的外部傳輸。此外，集成化測深裝置內置大容量可充電的鋰電池，工作時無需外部電源進行供電。

圖2 集成化測深裝置設計圖及實物圖Fig.2 Design and physical drawing of the integrated bathymetric device

2 集成化測深裝置驗證與應用

JTS 131—2012《水運工程測量規范》規定水深測量允許誤差為±0.2 m[5]，盡管0.2 m 的水深差不影響航海用圖，但0.2 m 的海底地形和微地貌變化對海洋工程的設計和施工是至關重要的[6]。為了驗證集成化測深裝置的穩定性和精度，以誤差傳導理論為參照分析測量精度，對集成化測深裝置的吃水深度、聲速、內符合和外符合方面的測量數據進行分析和評價。

2.1 壓力傳感器校驗

換能器吃水深度是影響測量水深精度的主要參數，集成化測深裝置的吃水深度是通過壓力傳感器獲取。校驗時，使用室內的儲水槽，將集成化測深裝置固定在儲水槽中，始終保持轉換器探頭吃水的深度值不變。利用鋼卷尺測量得到測深裝置壓力傳感器表面距離水面的高度值，與測深軟件顯示的傳感器入水深度值進行對比，判斷壓力傳感器的準確性。

進行3 次測試，入水深度分別設置為0.2 m、0.5 m 及1 m 時，測深軟件顯示的傳感器入水深度分別為0.21 m、0.48 m、1.01 m。單次誤差均在±3 cm 內。

2.2 聲速傳感器校驗

根據聲吶水下測量原理可知，聲速值的準確性決定了水深測量的準確性，及時獲取測量點準確的聲速值是保證水深準確性的關鍵。

校驗地點選擇黃浦江某一碼頭前沿區域，將傳統聲速剖面儀與集成化測深裝置綁扎在一起，然后下放至水深約0.5 m 處，靜置30 s，待設備表面溫度與水溫趨于一致后進行聲速數據同步采集。對兩者采集的聲速值進行比較，差值始終在1 m/s左右。

2.3 水深數據內符合比對

具體方法為：分別進行室內與室外測量數據測試，對多次測量的結果進行自身比對，以此判斷其水深測量的準確性。

室內測試時使用前文所述室內的儲水槽，將集成化測深裝置固定在儲水槽中，隨后采集水深數據，采集數據過程中始終保持換能器探頭吃水的深度值不變，采集一定時間的水深數據。

進行室外測試時，在已有水深測圖的區域找尋一處水下地形較為平坦處，布設一條計劃測線。測試時，將設備固定安裝在測量船船舷邊上，測量船沿該條計劃測線進行往返勻速測量，利用Hypack 軟件采集數據。如表1 所示，通過對往返測線水深差值比對，在52 個差值數據中，20 cm以內的差值占比100%，符合JTS 131—2012《水運工程測量規范》要求。

表1 內符合水深差值比對表（計劃測線）Table 1 Comparison of internal compliance with the difference in water depths(planned survey line)

2.4 水深數據外符合比對

將集成測深裝置與傳統單波束測深系統同步測量得到的數據進行比對，以此驗證集成化測深裝置的可靠性和準確性。其中，集成化測深裝置進行水深數據采集時，使用Hypack 軟件記錄測深點的位置信息和深度信息。參與比對的傳統單波束測深儀選用無錫海鷹公司的HY1600 型單波束測深儀。

將集成化測深裝置和傳統單波束測深儀這2套不同設備安裝在測量船船舷同一側，2 套設備間距相距30 cm，兩者的換能器吃水均為50 cm，認為兩者同步采集的水深數據理論上一致。采集作業方法同內符合室外測試的作業方法一致。完成數據采集后，將2 個設備測量的水深成果進行差值比對。

數據經過內業編輯后，比對差值在±20 cm 以內的占比為99.68%，僅有5 個點差值在20～30 cm之間，如表2 所示。通過查看聲圖信息，發現比對差值較大的測量點，存在水下地形輕微起伏的情況，由于2 設備固定位置具有一定間距，故造成了個別點出現差值較大的現象。

表2 內符合水深差值比對表Table 2 Comparison of internal compliance with the difference in water depths

3 應用

在黃浦江全測項目中，采用該集成化測深裝置獲取了船舶難以施測的碼頭前沿的水深數據，改變了以往人工打水砣的作業方式，降低了勞動強度，提高了效率。應用結果表明，該裝置手持式作業時可進行單點打標，實時顯示出測點的水深值，同時可以保存電子測深紙格式且可以回放查看。

4 結語

文章詳細分析了集成化測深裝置的設計、集成化測深裝置研發、穩定性及精度校驗、實踐驗證，進行了集成化水深測量裝置研發，實現了集成化測深裝置的應用。針對碼頭前沿、淺水水域等水深數據獲取困難的區域，有別于傳統人工測量水深的方式，利用該裝置可以獲取準確的水深數據。該裝置具有一定的便攜性，且可以自動獲取吃水、溫度、聲速等數據，達到水深測量的精度要求，具有一定的實用性。