摘要：早期的水下地形测量采用测绳、测杆等，测量精度不高。后来基于回波测深技术的单波束测深仪大大提高了水深测量的精度，由原来的点测量发展为断面式线测量。多波束测深技术是基于声波探测技术的新一代水下地形测量技术，一次照射能够获得几百个水深信息。相对于单波束测量，其测量精度和效率更高，在库容测量、水库淤积测量、河道勘测等方面应用广泛。基于此，本文主要对多波束测深系统在水下地形测量中的应用进行了简要的分析，以供参考。
关键词：多波束测深系统；水下地形测量；应用
引言
多波束测深系统的发展很大程度上解决了水下地形测量的精度和效率问题，可以在较短的时间内获取某水域详细准确地地形信息，是一种高精度、高效率的测量方法。
1多波束水深探测技术
1.1基本原理
多波束测深系统能够有效探测水下地形，得到高精度的三维地形图。多波束测深系统的工作原理是利用发射换能器阵列向水底发射宽扇区覆盖的声波，利用接收换能器阵列对声波进行窄波束接收，通过发射、接收扇区指向的正交性形成对水底地形的照射脚印，对这些脚印进行恰当的处理，一次探测就能给出与航向垂直的垂面内上百个甚至更多的水底被测点的水深值，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底地形的三维特征。
1.2多波束系统组成
一套完整的多波束测深系统通常由多波束声学系统、外围辅助传感器、数据处理软件3部分组成。多波束声学系统主要包括换能器、声纳处理系统及显示系统；外围辅助传感器包括GPS、罗经、表面声速仪、声速剖面仪以及姿态传感器；数据处理软件主要包括导航采集软件和后处理软件。系统组成见图1。
图1多波束系统组成示意图
多波束声学处理系统主要由发射和接受换能器以及甲板单元PU组成，负责接受采集软件的指令实现波束的发射与接受以及波束的修正处理。外围辅助设备中GPS提供实时平面位置以及PPS同步时间信号，罗经和姿态传感器为系统提供真北方向和测船纵横摇以及艏摇姿态信息，声速剖面仪提供声线改正，用于对水深测量数据的修正。导航采集软件实时控制多波束系统用于数据采集和提供导航信息，后处理软件用于数据精细化处理和建模分析。
2多波束测深系统在水下地形测量中的应用
2.1工程概况
某海域按照已投入使用的25万吨级航道的轴线，进一步浚深，全长54.90km。外航道设计底宽310m，底标高-21.6m，边坡1∶5；内航道设计底宽310m，底标高-21.9m，边坡1∶5。
2.2测量精度要求
根据《水运工程测量规范》（JTS131—2012）规定，测深定位点的点位误差极限值为测图比例尺大于1：5000时，定位点的点位中误差限值不超过图上1.5mm，测图比例尺小于或等于1：5000时，定位点的点位中误差限值不超过图上1mm。水深测量深度误差限值为水深H≤20m时，深度误差限值为±0.2m，深度H>20m时，深度误差限值为±0.01H。安庆浅区测量区域水深均在20m以下，在比例尺为1：2000测量时，测量中误差限值为0.2m，定位中误差限值3m。
2.3测量方案
2.3.1设备安装
多波束测深系统换能器（内置GNSS惯导系统）采用舷侧悬挂安装方式，使用专门设计的安装支架将换能器稳固安装在测量船的右舷下方，换能器下底面低于船底面；两个GPS天线安装在与船龙骨线平行的位置；多波束测深系统的甲板单元、数据采集和导航计算机布设在船上合适位置。
2.3.2测量航迹线
由于此次测量区域紧靠水库大坝泄洪洞进口，测量区域的面积小，并且测量水域有一部分被坝体包围，船体无法进入这一水域进行扫测，所以选择船体沿着大坝方向，保证测量设备安全的条件下进行测量，尽可能靠近被测区域。
2.3.3数据采集
多波束测量过程中，船只沿着大坝行进，航速保持稳定，控制在2节左右。多波束测深系统配套的显控软件和导航软件运行在数据采集计算机上，完成设备工作控制、数据采集显示和测量导航功能使用多波束显控软件，可以控制多波束测深系统的工作状态及其工作参数。实时地显示出多波束水体图像数据和水下剖面数据结果。测量过程中，多波束测深系统采用了143°开角的覆盖扇面，最大覆盖宽度达到6倍水深。多波束采集导航软件完成数据采集记录、测量数据显示、多波束彩色地形实时显示、测量船航迹线和偏航提示等功能。导航软件实时显示出已测区域的深度分布和测量覆盖情况。
2.3.4数据后处理
多波束测量使用的是PDS2000测量软件，软件同步采集DGPS位置数据、多波束测深仪水深测量数据、波浪补偿仪姿态补偿数据、电罗经数据。声速仪实时采集声速数据确定单波束声速和多波束的声速剖面。使用CARIS后处理软件进行水深点的后处理，除去假水深，在CARIS软件中录入潮位信息，自动对水深数据进行水位改正。数据处理包括数据预处理和成图两个部分。预处理主要包括定位数据处理，声速剖面数据处理，潮位数据处理，姿态数据处理，深度数据处理和数据编辑、去噪、合并、清项；成图处理是对预处理后得到的水深数据进行网格化，生成数字地形模型（DTM），形成海底地形图。
2.4测量成果
2.4.1实测水下三维地形
数据处理完成后，生成测量区域的三维测量数据（XYZ数据）。使用多波束处理软件图功能模块，生成测量区域的三维地形图，通过地形图清晰地反映出泄洪洞进口建筑物结构和淤积物位置。
2.4.2测量成果图
测量区域为10m×10m的方形水域，生成的三维地形图清晰地显示出大坝泄洪洞进口水下地形情况。从地形图中可以看出泄洪洞进口下方靠拦污栅左侧和右侧处有凸起的地形，左侧凸起面积约8m2，右侧凸起约4m2，平均堆积高度0.5m。为了验证测量结果的准确性，测量结束后专门派潜水员进行有目标的水下探测，潜水员探测描述与多波束扫测结果基本一致，从而验证了多波束测量的准确性。
结束语
总而言之，目前采用水下机器人ROV和AUV代替蛙人进行水下检查与拍摄，可以克服作业时间、范围以及下潜深度的限制，灵活性更高。多波束联合水下机器人的综合水下检测技术既能直观反应水下情况，又能提供定量的数据分析，将其应用于大坝冲坑检查，测量成果会更丰富，应用效果会更好。该技术具有很大的推广价值，后续值得更进一步的研究。
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论文作者:陈国伟
论文发表刊物:《基层建设》2018年第34期
论文发表时间:2019/1/3
标签：波束论文; 测量论文; 水下论文; 水深论文; 地形论文; 系统论文; 数据论文; 《基层建设》2018年第34期论文;