多波束测深系统及其在水下工程监测中的应用
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【摘要】本文通过对多波束测深系统的研究，了解了多波束测深系统所具备的特点，并根据多波束系统的组成及功能，着重的分析与研究了多波束测深系统常见问题，并根据其常见的问题提出了相应的解决措施。
【关键词】多波束；测深系统；水下工程；监测；
中图分类号：{P756} 文献标识码：A 文章编号：
一．前言
多波束测深系统，在国内河道测量中使用比较频的一种测深方法与技术，通过对测深系统的仪器的分析与比较，对最先进的仪器之一的测深仪器的测深方法进行研究，力求发挥其最大功用。
二．概述
多波束测深系统主要由主系统和辅助系统组成。以目前较有代表性的挪威KonsbergSimrad公司生产的EM950多波束系统，SeaBat8101系统，还有英国GeoSwath Plus多波束条带测深系统。其主系统主要包括:发射接收阵、收发单元、海底检测单元和操作控制单元四个部分。辅助系统主要包括:定位系统、声速剖面测量系统、电罗经和船姿传感器。
以GeoSwath Plus多波束条带测深系统为例，对多波束测深系统做简要叙述，英国GeoSwath Plus多波束条带测深系统是一种多传感器的复杂组合测量系统，主要由换能器、DSP数据处理系统、高精度的运动传感器、GPS卫星定位系统、声速剖面仪及数据处理软件构成，见图1。GeoSwath多波束由2组换能器组成，呈“V”字型，每组换能器与竖直方向交30°角。每组由4个换能器单元组成，其中一个用来发射和接收，另外3个只用来接收，单边换能器的波束开角为120°。GeoSwath多波束条带测深系统(250 kHz) ，其深度量程可达200m，最大覆盖可达12倍水深，分辨率为6 mm，每次扫描的取样数在20 m水深时，可达2 500个，在100 m水深时，可达12 500个，精度符合国际海道测量组织( IHO) S - 44精度标准。
Knudsen 320M双频测深系统属于高精度单波束测深技术的一种,适用于水文、勘察、航道及港口工程等行业的专业测量和水深数据记录。能与计算机和GPS定位系统等外设进行数据传输。Knudsen 320M双频测深系统的主要指标如下:测深范围0. 3～300m;测深精度±1 cm (0 - 99. 99 m) , ±10 cm (100～999. 9 m) ;包括高频和低频两个换能器,分别为28～200 kHz,可以单双频交替使用。Knudsen 320M双频测深系统为水下地形线性测量仪器,在两条测线之间存在一定的盲区,为了使盲区的区域降低,只能采取加密测线的方法,但是这样会成倍增加工作量。
多波束测深系统能够对水下地形进行全覆盖测量，具有同步测深点多、测量快捷、全覆盖等特点，能完成常规方法难以胜任的测量任务，尤其适用于大比例尺的测绘和特殊要求的水道地形测量等。由于多波束系统具有实时监测功能，可以现场监视水下地物地貌的细微变化，因而在堤防安全、溃口、崩岸监测、抛石护岸监测、水下工程施工监测、港口及疏浚工程监测、水下物体摸探及打捞等方面具有其它方法不可替代的作用。
三．多波束测深系统特点：
多波束测深系统安装好后及工作中每隔一定时间要对电罗经的舷向测量偏差(Headingoffset)，船姿感器的横摇偏差(Rollbias)和纵摇偏差(nitchbias)及时间延迟(timedday)作校准试验。电罗经的校准一般将船固定在码头，用GPS或经纬仪等设备直接测量船舷向，以获得偏差值。横摇校准试验一般选择一平坦海域测量一对或几对方向相反的重合测线;纵摇校准试验一般选择一水下斜坡以相同船速测量一对以上相反方向的重合测线;时间延迟校准试验也选择一水下斜坡，但以相同方向、不同船速测量一对以上重合测线。多波束测深系统一般都有专门用于上述校准试验数据处理的模块，并以直观的图示方式处理、获取校准试验结果。
多波束系统数据采集和后处理一般以工作站为平台。采集的数据文件主要包括两方面内容：测深数据和定位数据，多数多波束系统还包括声纳方面的信息。数据后处理一般包括数据预处理和成图两部分。其中数据预处理主要包括定位处理、深度处理和数据统计清除。成图后处理主要是指对预处理后的数据进行网格化，生成数字地形模型，形成水深图的过程。
多波束测深系统可以水深的2一10倍的条幅方式对水下地形进行全筱盖测量，不但可以精确反映水下地形，其声纳功能还可清晰反映水下微细貌和障碍物情况，可产生并输出二维、三维水深图、海底影像图、声纳图等。根据反射特征，配合相应软件，还可对海底底质类型进行分类。因此，多波束测深系统可广泛应用于港口、码头、航道、路由等水下地形地貌、障碍物的调查。
护岸范围内岸坡总体上微淤,铰链沉排工程护岸效果良好,工程整体运行稳定。铰链沉排工程对水流阻力小,对近底水流结构影响小,局部淤积属于微调。铰链排排体下的土工编织布垫层能阻止岸坡泥沙被淘刷,排体稳定,搭接良好,整体护岸效果好。
四．多波束系统的组成及功能
一套完整的多波束测深系统，还包括定位测量系统、船舶姿态测量系统、船艏向测量系统、声学剖面和水位测量系统等。
多波束测深系统不仅在海洋测绘中得到广泛应用,而且在江河湖泊水下测绘中的作用也日益广泛。它不仅实现了测深数据自动化和在外业准实时绘制测区水下彩色等深图,而且还可利用多波束声信号进行侧扫成像,提供直观的测时水下形态如水中探自然流鱼雷、探死者、探中华鲟、探沉船、大坝水下探伤、近坝水下探坑、检测轮船吃水深等。
五．多波束测深系统常见问题及解决措施
多波束测深系统目前应用于某海洋勘测专项中。声速剖面(SVP)的精度和有效性是影响多波束测深精度的主要因素之一，也是现场测量时一项极重要也是容易忽视的质量监控内容，特别在水文环境复杂多变的测区。这是由于水体是非均质流体，往往成层状，各层的温度、盐度、压力各不相同，而声波在水体中的传播速度是温度、盐度、压力的函数，因此，在各层中声速具有很大的差异。多波束系统除了中央波束垂直人射外，其余波束均以一定的角度人射，且越往外侧，角度越大。这样由于不同水层中声速的差异，导致了声波传播路径的弯曲，弯曲的程度直接受声速剖面的制约。声速剖面的有效性可通过采集系统的实时横向水深剖面监测，如果在水下地形平坦时实时水深剖面出现连续的对称下弯或上拱，且边缘与中央水深差值超过IH误差标准时说明声速剖面已失效，就及时进行声速剖面的测量。因此，为提高测量精度，加大SVP采样站位密度是必不可少的，不能因为麻烦而减少SVP密度。此外，提高精度的措施还包括：对长测线分段测量，对大测区分块测量;相邻测线条幅至少保证10%的重迭，当边缘波束接收质量和精度下降时，适当加大重迭率;检查线必不可少，并且最好能与各主测线相交;后处理时舍弃部分质量差的边缘波束，网格化时适当降低边缘数据权值。
双频测深仪在水下地形起伏较大的区域自符性较差，其原因有：双频测深系统在测量时没有进行姿态补偿。在测量时,船随着水流摇晃,此时所测的水深不是换能器垂直向下的深度,而是一个倾斜的长度。在地形起伏较大的区域,更容易造成偏差。再者是由于双频测深系统换能器的波束角大于多波束的波束角,在水底的波束“脚印”较大,只获取一个简单的深度值,会加大测量误差。
与传统的测量方法相比,多波束测深系统具有高分辨率、高精度、全覆盖的特点,且精确、高效、快捷、实时直观的优势十分显著,能大大提高工作效率,为该技术在水下工程进一步开展工作,积累了工作经验,为其他水下工程的测量和运行状况监测提供参考。建议在其他水下工程和应用中进一步推广使用。
六．结束语
本文经过对多波束测深系统的分析与研究，旨在能为多波束测深系统在水下工程中的应用拓展，能提供部分科学的依据。
参考文献：
[1] 任永涛《影响多波束测深精度因素及提高方法研究》科技创新导报. 2009(09)
[2] 高彬，都业勤《浅谈影响多波束测深系统数据质量的几个问题》中小企业管理与科技(上旬刊). 2009(08)
[3] 董庆亮，欧阳永忠，陈岳英，韩文华，曹建波《侧扫声纳和多波束测深系统组合探测海底目标》海洋测绘. 2009(05)