多波速在扫海测量中的分析

多波速在扫海测量中的分析

蒋磊

中海辉固地学服务（深圳）有限公司广东深圳518067

摘要：扫海测量主要探明扫测范围内是否存在危及航道安全的障碍物，以确定最浅通航水深并绘制水下地形图。多波速水下扫描系统是一种具有高效率、高精度和高分辨率的水下地形测量新技术。目前实现了测深数据自动化和在外业准实时自动绘制出测区水下彩色等深图，利用多波束声信号进行侧扫成像，提供直观的水下地貌特征。介绍了多波束在扫海测量中的作业方法，分析了工作中影响精度的主要因素，并根据工作情况提出了相关的建议。

关键词：测线间距；船姿；可疑信号；多波速

1前言

水下施工具有隐蔽性，传统的施工质量控制及检测手段已受到越来越大的挑战，可追溯、可量化、可视化的客观记录越来越被重视。随着新技术的发展，传统的检测手段需要不断的更新，形成新的、有效的、便捷的行业检测新方法和标准。扫海测量简称扫测，其目的是查明航行的障碍物或确定船舶的航行安全水深。多波速以其对于海底地物的识别无法比拟的优越性被应用于扫海测量中。文章介绍了多波束在扫海测量中的作业方法，分析了工作中影响精度的主要因素，并根据工作情况提出了相关的建议。

2多波速测深系统

多波束测深系统是一种新型海底地形测量技术，具有扫幅宽、全覆盖、高效率、高精度和高分辨率的特点。其工作原理与传统的单波束回声测深系统类似，都是利用超声波原理进行工作的，但是不同的是，多波束测深系统信号发射、接收部分由n个成一定角度分布的正交组换能器阵列组成，相互独立向水下发射宽扇区覆盖的声波，接收获得一系列垂直航向窄波束，通过发射、接收扇区指向的正交性形成对水下地形的照射脚印，一次探测就能采集到高密度、海量水下地形数据，从而能够精确、快速地测出沿航线一定宽度内水下目标的大小、形状和高低变化，比较可靠地描绘出水下的三维特征。多波速测深系统的测深原理如图1所示。

测深时，载有多波束测深系统的船，每发射一个声脉冲，不仅可以获得船下方的垂直深度，而且可以同时获得与船的航迹相垂直的面内的几十个水深值。多波束测深系统一般由窄波束回声测深设备（换能器、测量船摇摆的传感装置、收发机等）和回声处理设备（计算机、数字磁带机、数字打印机、横向深度剖面显示器、实时等深线数字绘图仪、系统控制键盘等）两大部分组成。

图1水下多波束测深系统测深示意图

3扫海测量的作业方法

3.1比例尺的选择

对于港池、航道等通航水域进行扫海测量的主要目的是提供水深图，确定该水域的最浅水深，为满足工程项目的需要，通常选择1∶1000的比例尺进行施测。

3.2测线间距布设

测线间距布设的原则是测线间距小于有效扫宽。有效扫宽等于测深仪覆盖宽度减去1.5倍定位中误差。多波束测深仪的覆盖宽度是按7.4倍的宽深比计算，但是在实际工作中考虑到边缘波束精度误差的影响及内业处理的情况，覆盖宽度有效值一般取为测区平均水深的3～4倍，然后删除边缘波束水深值。这种作业方式虽然增加了外业工作量，但减少了大量内业处理量，并提高了水深精度。测线间距布设也存在特殊情况，当测区内水深过浅，有效扫宽小于5m时，按4m布线，允许各波束间有漏空，漏空值一般不超过0.3m。

3.3测线方向的布设

航道扫测布线宜平行于航道方向，港池扫测布线宜平行于码头，若垂直于码头测量时，应挨近于码头并与码头平行补上1～2趟测线。应注意的是码头零线（即港方指定的泊位水深有效使用前沿线）至少测两次以便分析比较异常的水深信号。

3.4码头零线及航道港池边线的水深值处理

码头零线水深信号处理要慎重，要考虑码头壁的影响，不要打到码头壁上，确保水深为真实水深，航道港池边线处水深应根据覆盖宽度选择有效水深，特别是对于航道边坡处的水深值，要判断它的位置和真伪，将虚假信号剔出，不能将浅水深值拉进航道内。

4多波速水下扫描的使用及扫描结果

采用美国R2SONIC公司的第五代宽带超高分辨率浅水多波束测深系统SONIC2024，整个系统达到世界领先水平，SONIC2024多波束测深仪具有256个0.5°超窄波束、160°超宽覆盖能力、1.25cm量程分辨率、最大量程达到500m、具有60Hz的信号带宽和200Hz—400Hz实时可选择的20多个工作频率，能根据水下测量需要达到最佳量程和条带覆盖宽度效果，SONIC2024多波束测深系统被称为“水下CT”，能够对水下地形地物实现无缝隙三维扫描，输出三维图像和坐标。本次勘察中使用的Sonic2024型宽带超高分辨率多波束测深系统是世界上第一台真正的宽带高分辨率浅水多波束测深仪，代表了当前最先进的水下声学技术。多波速测深系统扫描时实时操作软件为PDS2000LiteView，为一看点矩阵软件。通过Sonic2024型多波束系统，可以达到以下成果：①快速精确测定河湖、海的水下地形，并可生成水下三维图；②快速、准确的进行河势扫描，查明航行的障碍物或确定船舶的航行安全水深；

4扫海测量中的精度分析

4.1定位设备

定位设备的精度直接影响测量的精度，在有水下坡度的的航道进行施测时，定位误差对于水深精度的影响就是改变了具体位置的水深值。扫海测量属于高精度的测量作业，因此必须使用高精度的定位设备，使定位精度达到cm级，才能满足工程需要。

4.2船姿影响

实际测量中，由于风、流等外界因素的作用及船姿的瞬时变化，安装在船体上的多波束换能器也随之变化，致使多波束的理想测量状态经常被打破。每个波束施测的深度和平面位置不再真实地反映波束脚印在当地坐标系下的位置，为此就必须对船姿影响的伪观测值进行改正，以获得真实的或近似的海底点位置。

航偏角的影响

航偏角是由于船体的操纵或外界因素产生的。航偏角与流速的关系较为密切，流速增大，航偏角明显增大。航偏角会导致测量时航向不能与测线方向保持一致，产生绕z轴在水平面上的扭动。

动态吃水的影响

动态吃水反映的是船体在垂直方向的瞬时变化。由于多波束换能器与船体绑在一起，因而也随之变化，这种变化对波束脚印的深度产生影响，对于平面位置不产生影响。

①声纳参数的影响多波束的探头和传感器一般不能达到理想状态。换能器横向偏差的化对水深的影响是显著的，因此在扫海测量过程中必须使换能器的姿态与校准时的姿态严格保持一致，并且换能器要安装牢固可靠，校准时要采取适当的措施，使校准姿态相对标准化。②声速测量多波速测量系统依赖水介质的传播和海底的反射与散射，它把接受的信号折算成深度的侧向水平距离，因此海水的声速剖面特征和结构变化对测量及其精度控制来说十分重要，对于浅水区的扫海测量，中午、下午至少实测一次声速数据，以确保多波束的声速改正。③数据处理多波束采集的数据要经过定位处理、声速剖面处理、潮位数据处理、姿态数据处理和数据的编辑、去噪、合并清理等。对于扫海测量，既要剔出无效的伪水深值，还要保留真实的特殊意义的水深点，特别是这种特殊的水深浅点对于船舶的航行和航道的疏浚有重要的作用。

结语

扫海测量对于新（扩）建港口的码头、港池及航道投产使用前的通航水深的确定，以及通航水域中危及航行安全的特殊浅点的探测是一种非常有效的测量手段，将多波束应用于扫海测量，其测量的精度和数据的可靠性完全可以满足航道的疏浚和挖方量的计算等工程需要。

参考文献：

[1]许坚.利用数学形态学进行扫海测量的覆盖区域分析[J].海洋测绘，2001，04：18-21.

[2]罗意，扬凯，吴坤泽.多波束水下三维成像系统在工程检测中的应用[J].中国西部科技，2015，14（10）：80-82.