側(cè)掃聲吶和多波束測(cè)深系統(tǒng)在內(nèi)河航道養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用分析

1、    側(cè)掃聲吶和多波束測(cè)深系統(tǒng)在內(nèi)河航道養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用分析    徐媛媛 高上摘 要 本文介紹了側(cè)掃聲吶與多波束測(cè)深的原理與技術(shù)特點(diǎn)，以湘江航道實(shí)際應(yīng)用的案例，分析兩種設(shè)備在內(nèi)河航道養(yǎng)護(hù)中的作業(yè)方式的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍。關(guān)鍵詞 側(cè)掃聲吶;多波束測(cè)深系統(tǒng);水下測(cè)量;航道掃床引言航道測(cè)量是航道養(yǎng)護(hù)工作的一項(xiàng)重要工作，也是維護(hù)和運(yùn)行數(shù)字化、智慧化航道系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)工作。航道掃床是清障、查找沉船、沉標(biāo)的重要手段，傳統(tǒng)航道掃床屬于靠經(jīng)驗(yàn)盲掃，運(yùn)用側(cè)掃聲吶，可快速獲取河床聲吶圖像數(shù)據(jù)，從而直觀了解到航道狀況，但由于側(cè)掃聲吶不能直接獲取航道水深數(shù)據(jù)，所以側(cè)掃已無法完全滿

2、足我單位在航道測(cè)繪上的需求。我局配置了多波束測(cè)深系統(tǒng)，多波束不僅可以準(zhǔn)確獲取目標(biāo)物空間數(shù)據(jù)，而且可實(shí)現(xiàn)水下三維成圖，具有測(cè)量范圍廣、速度快、精度高的特點(diǎn)。側(cè)掃聲吶和多波束測(cè)深系統(tǒng)在湘江航道養(yǎng)護(hù)中的配合應(yīng)用為長(zhǎng)沙航道實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展注入強(qiáng)勁動(dòng)力。1側(cè)掃聲吶1.1 基本原理側(cè)掃聲吶的工作原理是通過左右兩側(cè)的換能器陣，向兩側(cè)發(fā)射聲脈沖，聲波以球面波方式向外傳播，碰到水底或水中物體會(huì)形成反射波或者反向散射波（回波），回波會(huì)按原傳播路線返回，近距離的回波先到達(dá)換能器，遠(yuǎn)距離的回波后到到達(dá)換能器，通過接收水下物體的回波來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。不同硬度、粗細(xì)和高度的河床底質(zhì)，回波強(qiáng)度是不同的，河床粗糙、堅(jiān)硬、凸起的區(qū)域，

3、回波較強(qiáng);河床平滑、軟底，凹陷的區(qū)域，回波較弱;在聲波被遮擋的區(qū)域不產(chǎn)生回波，形成“陰影區(qū)”;距離聲吶越遠(yuǎn)的區(qū)域回波越弱。利用聲吶處理單元和工作站對(duì)這一系列脈沖進(jìn)行數(shù)字化處理，并顯示在顯示器上，每一點(diǎn)顯示的位置與回波接收到時(shí)刻對(duì)應(yīng)，每一點(diǎn)的亮度和回波的強(qiáng)度有關(guān)。將每一發(fā)射周期的接收數(shù)據(jù)一線接一線地縱向排列，在顯示器上顯示就構(gòu)成了二維河床地貌聲圖。聲圖平面和海底平面成逐點(diǎn)映射關(guān)系，聲圖的亮度包涵了河床的特征。1.2 主要性能指標(biāo)我局目前使用的中海達(dá)iside4900側(cè)掃聲吶，其主要性能指標(biāo)為400khz和900khz雙頻同時(shí)工作、最大量程150m、水平波束角0.2°垂直波束角50

4、76;、脈寬14ms、沿航跡分辨率0.003h（h代表量程），垂直航跡分辨率1.25cm等，這些指標(biāo)不是獨(dú)立的，它們存在聯(lián)系：工作頻率決定了量程大小，頻率越大，量程越小，反之。在同一工作頻率下，設(shè)置量程越大，其測(cè)量覆蓋的范圍越大，掃測(cè)效率越高。脈寬直接影響垂直航跡分辨率，脈寬越小，垂直航跡分辨率越高，反之。水平波束開角和航速直接影響沿航跡分辨率，垂直波束開角影響側(cè)掃聲吶的覆蓋寬度，開角越大，覆蓋范圍就越大。1.3 側(cè)掃聲吶系統(tǒng)組成一套完整的側(cè)掃聲吶系統(tǒng)主要由五個(gè)部分組成;（1）拖魚：聲學(xué)收發(fā)系統(tǒng);側(cè)掃聲吶魚是一個(gè)流線型穩(wěn)定拖曳體，拖魚由左右換能器線列陣、電子艙、尾翼、拖曳鉤及殼體組成;（2）拖

5、纜、數(shù)據(jù)線纜及絞盤：用來拖曳拖魚以及聲吶信號(hào)傳輸;（3）甲板單元：用來控制拖魚發(fā)射接收聲波信號(hào);（4）定位設(shè)備：用于輸出定位信息;（5）工作站：運(yùn)行相關(guān)軟件來控制整套系統(tǒng)，可顯示、記錄，存儲(chǔ)和處理鑲嵌側(cè)掃數(shù)據(jù)。1.4 側(cè)掃聲吶的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：垂直航跡分辨較高，可獲得河床高精度的二維聲吶圖像;可利用河床回波強(qiáng)度的信息，對(duì)河床底質(zhì)進(jìn)行定性分析;相比于多波束測(cè)深系統(tǒng)，側(cè)掃價(jià)格便宜，設(shè)備安裝連接簡(jiǎn)單;側(cè)掃無需固定安裝，搬運(yùn)方便，可攜帶至側(cè)掃地點(diǎn)，用于應(yīng)急掃床;缺點(diǎn)：側(cè)掃聲吶不能精準(zhǔn)地測(cè)量水深，不能獲取直觀的三維地形圖，在測(cè)繪方向的應(yīng)用受到限制1。2多波束測(cè)深系統(tǒng)多波束測(cè)深系統(tǒng)是高性能計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)、

6、水聲學(xué)聲吶探測(cè)技術(shù)、組合慣導(dǎo)技術(shù)和高精度數(shù)字化輔助傳感器技術(shù)的高度集成。多波束測(cè)深儀打破了單波束測(cè)深儀“以點(diǎn)成線”的工作方式，實(shí)現(xiàn)了“以線成面”的全覆蓋、立體化成圖，智能化、高效率點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的工作模式。其工作原理是多波束甲板單元控制發(fā)射換能器基陣產(chǎn)生一定覆蓋角度的扇形聲波，利用接收換能器陣列對(duì)觸碰到海底的回波進(jìn)行窄波束接收，通過發(fā)射、接收扇區(qū)的“十字交叉”形成了海底地形的“波束腳印”，運(yùn)用組合慣導(dǎo)和表面聲速傳感器對(duì)各個(gè)“波束腳印”的空間位置進(jìn)行歸算處理，從而可精確、快速地測(cè)出沿航線一定寬度內(nèi)水下目標(biāo)的大小、形狀以及河床起伏變化情況。我局使用的中海達(dá)ibeam 8120固定式安裝多波束測(cè)深系統(tǒng)

7、，其性能指標(biāo)為頻率200khz，條帶覆蓋角度30140°，波束角1.5°× 1.5°，波束數(shù)目512個(gè)，測(cè)深范圍0.5300m，水深分辨率1cm，最大ping率60hz，實(shí)時(shí)橫/縱搖精度0.01°。2.1 多波束換能器及imu安裝本文介紹的多波束測(cè)深儀換能器和慣性測(cè)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(jí)支架固定后，采用自動(dòng)升降裝置實(shí)現(xiàn)升降，為防止紊流層的干擾，測(cè)量前會(huì)將換能器下降至龍骨下20cm處再進(jìn)行跑線，其余時(shí)間可以將換能器收回月池，保護(hù)換能器。imu固定安裝在豎井附近，開機(jī)后實(shí)時(shí)提供高精度姿態(tài)、定位、航向數(shù)

8、據(jù)。固定式安裝的好處是，只需要第一次安裝或者移動(dòng)拆卸設(shè)備后進(jìn)行設(shè)備偏距的量取和校準(zhǔn)，簡(jiǎn)化測(cè)量流程，提高測(cè)量效率。2.2 組合慣導(dǎo)gnss天線安裝gnss天線安裝在船頂，固定式安裝且不存在遮擋，基線距離為2m，慣導(dǎo)的實(shí)時(shí)艏向精度可達(dá)0.03°。2.3 甲板單元、ups及電腦主機(jī)連接多波束甲板單元、慣導(dǎo)甲板單元、ups、電腦主機(jī)及顯示器安裝在測(cè)量室內(nèi)工作臺(tái)，方便測(cè)量人員進(jìn)行操作。2.4 偏移量量取多波束測(cè)量系統(tǒng)屬于高精度測(cè)量設(shè)備，設(shè)備固定后需要量取imu和換能器，imu和gnss天線之間的偏距。2.5 多波束校準(zhǔn)為保證校準(zhǔn)效果，校準(zhǔn)線測(cè)量時(shí)一定要保證條帶之間重疊率到達(dá)50%以上。校準(zhǔn)的先

9、后順序?yàn)閞oll（橫搖）、pitch（縱搖）、yaw（艏搖）。橫搖校準(zhǔn)（roll）：選擇平坦區(qū)域、一條往返測(cè)線、垂直于航向選擇區(qū)域;縱搖校準(zhǔn)（pitch）：選擇高低起伏變化區(qū)域、一條往返測(cè)線，平行于測(cè)線選擇區(qū)域;艏搖校準(zhǔn)（yaw）：選擇高低起伏變化區(qū)域，兩條平行測(cè)線，平行于測(cè)線中間區(qū)域。使用himax mbe多波束軟件校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，按照橫搖、縱搖、艏搖的順序進(jìn)行校準(zhǔn)后，根據(jù)剖面圖，可以看到校準(zhǔn)效果條帶間數(shù)據(jù)重合程度高以后方可開展測(cè)量。2.6 多波束測(cè)深系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：測(cè)深精度高，波束角小會(huì)在河床形成的波束腳印就極小，多波束測(cè)深系統(tǒng)采集水深數(shù)據(jù)的同時(shí)也會(huì)記錄船體姿態(tài)數(shù)據(jù)及表面聲速，考慮到溫鹽深的變化

10、需做聲速剖面測(cè)量，使各種因素對(duì)多波束水深數(shù)據(jù)的影響降低了最低;地物識(shí)別能力強(qiáng)，多波束采用全覆蓋的測(cè)量方式，每ping可形成幾百個(gè)水深點(diǎn)，高頻率形成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以真實(shí)的反映整體河床三維地形;采集軟件具有實(shí)時(shí)生成三維地形圖功能，可以直觀地看到水下的地形起伏以及護(hù)岸工程的效果，便于指揮決策和重點(diǎn)監(jiān)測(cè);多波束后處理軟件可對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行多種成圖處理，可生成等深線圖、三維立體圖、斷面剖面圖等，同時(shí)可對(duì)同一測(cè)區(qū)不同測(cè)次進(jìn)行比較以及土方計(jì)算等;多波束測(cè)深系統(tǒng)可拓展側(cè)掃圖像、水柱數(shù)據(jù)顯示以及河床底質(zhì)后向散射等功能，具有更多的應(yīng)用方向和更廣闊的應(yīng)用前景。缺點(diǎn)：系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)量極大，由于聲吶技術(shù)、水體水質(zhì)等原因，往

11、往會(huì)產(chǎn)生噪點(diǎn)，需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)濾波處理和人為干涉處理，后處理工作量較大;系統(tǒng)的條帶覆蓋寬度與水深成正比關(guān)系，由于測(cè)量船吃水深度大，極淺水區(qū)域和岸邊區(qū)域，多波束作業(yè)效率低，甚至考慮到多波束換能器安全性因素?zé)o法施測(cè);采用固定式安裝，雖然省略了安裝校準(zhǔn)時(shí)間但由于測(cè)量船機(jī)動(dòng)性差，其跨度覆蓋區(qū)域往往受限，測(cè)繪應(yīng)急能力被削弱2。3側(cè)掃聲吶與多波束測(cè)深系統(tǒng)的在內(nèi)河航道實(shí)際適用范圍3.1 在湘江航道中，結(jié)合側(cè)掃聲吶的優(yōu)缺點(diǎn)建議可應(yīng)用于（1）河床沖刷研究，圖1為湘江航道河床的沙波，由于水流沖刷形成。（2）航道障礙物掃測(cè)，圖2為湘江中長(zhǎng)沙某自來水取水管道。（3）內(nèi)河救助搜尋，圖3為湘江某航段的沉船。3.2

12、結(jié)合多波束測(cè)深系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)可應(yīng)用于（1）躉船移位選址。項(xiàng)目案例：湘江某航段5公里長(zhǎng)、0.3公里寬的水域測(cè)量，面積1.5平方公里。建立格網(wǎng)模型，生成tif影像圖，也可生成等深線圖。（2）航道應(yīng)急搶通項(xiàng)目工程量計(jì)算及驗(yàn)收。航道應(yīng)急搶通前對(duì)所在航道進(jìn)行多波束掃測(cè)，完成后再次對(duì)相同區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)槎嗖ㄊ奢敵鋈S地形圖，可直觀地分析搶通航段的變化，也可以計(jì)算航道整治工程前后的土方量。（3）可以應(yīng)用到航道河床演變對(duì)比、水下的地形起伏、護(hù)岸工程及長(zhǎng)河段測(cè)量等需要數(shù)據(jù)精度較高的測(cè)量項(xiàng)目3。4結(jié)束語綜上所述，側(cè)掃聲吶設(shè)備量程較大，能快速完成湘江航道河床礙航物的定位、救助搜尋、水下建筑物位置分布的調(diào)查等各項(xiàng)工作。側(cè)掃聲吶的應(yīng)用揭開了內(nèi)河航道水下地貌的神秘面紗，首開湖南航道水下測(cè)量的先河。多波束測(cè)深系統(tǒng)可應(yīng)用于內(nèi)河航道淺灘航槽沖淤變化的分析、航道河床演變對(duì)比、護(hù)岸工程、航道應(yīng)急搶通項(xiàng)目工程量計(jì)算及長(zhǎng)河段測(cè)量等需要高精度數(shù)據(jù)的測(cè)量項(xiàng)目。兩種測(cè)量設(shè)備各有優(yōu)勢(shì)，在具體工作中根據(jù)實(shí)際情況需要配合使用，可更大地提高工作效率。參考文獻(xiàn)1 別偉平，郭志勇，于永寬.多波束與側(cè)掃聲吶在水下障礙物探測(cè)中的綜合應(yīng)用j.港工技術(shù)，2019，56（s1）：157-159.2 陳正榮，王正虎.多波束和側(cè)掃聲吶系統(tǒng)在海底目標(biāo)探測(cè)中的應(yīng)用j.海洋測(cè)繪，2013，33（4）