浙江华东工程安全技术有限公司 浙江杭州 311122
摘要：多波束测深技术是一种利用声波广角定向发射和接收，获得条幅式高密度水深数据，从而绘制出高精度、高分辨率水下数字成果图的先进技术。随着我国海上风电建设的发展，多波束技术被广泛应用于海上风电场的检测、运行和维护当中。本文主要介绍了多波束测深系统的组成、工作原理、数据处理以及在海上风机基础冲刷检测中的应用，为风电场的正常运行和维护等提供参考依据。
关键词：多波束；风机基础；冲刷检测
1 概述
当前海上风电已成为全球风电发展的最新前沿，世界各国都把发展海上风电作为可再生能源开发利用的重要方向。近年来，在国家激励政策持续支持下，我国海上风电建设取得了初步成效。海上风电场建设完成以后，风机运行维护显得格外重要。由于风机基础桩体改变了海底局部海流流态，在其周围产生较高强度的水流紊动和漩涡体系，对风机基础周边海床面产生冲刷作用。在水流、涌浪作用下，海底地形在持续演变，遇到强风、大浪等海况对海底的冲刷更为严重。持之以久，在风机基础周边形成冲刷沟，影响风机基础的稳定，对风电场运行带来较大的隐患，严重影响风电场的安全运行。因此，利用多波束技术了解风机基础周边的海底地形及冲刷沟发育情况非常重要。
2 多波束测深系统组成
多波束测深系统是一种多传感器的复杂组合系统，是现代信号处理技术、高性能计算机技术、高分辨显示技术、高精度导航定位技术、数字化传感器技术及其他相关高新技术等多种技术的高度集成。多波束测深系统由GPS导航定位系统、多波束换能器、光纤罗经、姿态传感器、声速剖面仪、验潮仪、数据采集计算机、实时数据采集可视化软件、数据处理计算机和后处理软件构成。通过声呐控制单元和软件，可以实现在200～450kHz声学频率范围内，实时选择不同的频率和波束开角，最大限度的避免了噪声的干扰。并且多波束整个条带扇区还可以实时旋转，以适合特殊测量如码头壁以及风机桩体测量的需要。
3 多波束测深系统工作原理
多波束测深系统是利用发射换能器阵列向海底发射宽扇区覆盖声波，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海底地形的照射区域，对这些区域进行恰当的处理，单次探测就能获得与航向垂直的垂面内上百个甚至更多的海底水深点，从而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地形的三维特征。与传统的单波束测深系统每次测量只能获得一个测量点相比，多波束探测能获得一个条带覆盖区域内多个测量点的海底深度值，实现了从“点一线”测量到“线一面”测量的跨越。此外，多波束测深系统能够有效探测水下地形，形成高精度的三维地形图，与单波束测深仪相比，多波束测深系统具有水深全覆盖扫测、测量范围大、精度高、速度快等优点。根据风机基础周边海底高程变化可定量判别一定范围内海底冲刷深度及方量情况。
4 数据处理
多波束测深系统数据处理使用专业软件包，可以处理超大量的水深测量数据。通过软件对原始的水深数据，加以声速、潮位、姿态等参数改正，并且对错误的数据进行清理、剔除。然后对改正后的数据进行计算、描述和制图。经过各项改正后的水深数据，通过软件包可以生成水深数据图、三维数字模型图，并根据测图比例，生成格网水深数据文件，再将最终测点数据导入到专业成图软件中，生成等高线，再对生成的等高线进行勾绘处理，输出测量成果。
5 冲刷检测应用实例
例如某海上风电场风机基础周边50m范围内，受到海流和涌浪的影响，冲刷情况较严重。利用多波束系统实测该风机基础周边范围内海底高程数据，经过软件改正处理后形成三维数字模型见下图1。由图中颜色深浅变化可以清晰看出整个风机基础周边的地形变化以及冲刷情况。根据多波束水深数据以及海底高程的变化，可以定量计算出风机基础周边50m范围内冲刷的最大深度，以及海底底质冲走的方量。因此，可以通过多波束数据和图像成果综合评定风机基础稳定性，以及冲刷作用对风机运行产生的影响。
图1 风机基础周边50m范围内三维数字模型图
6 总结
利用多波束测深技术对海上风机基础周边的冲刷情况进行定期检测，能够充分了解风机基础周边的海底地形及冲刷沟发育、变化情况，可以为评价风机基础稳定性提供很好的依据，为后期设计加固方案和施工等提供可靠论据。
参考文献：
[1] 来向华，马建林，潘国富，陆晓鸣，傅晓明，等.多波束测深技术在海底管道检测中的应用[J].海洋工程，2006，24（3）：68-73.
[2] 李家彪．多波束勘测原理技术与方法[M]．北京：海洋出版社，1999.
[3] 饶光勇，陈俊彪，等.多波速测深系统和侧扫声呐系统在堤围险段水下地形变化监测中的应用[J].广东水利水电，2014，（6）：69-72.
论文作者:余晓东
论文发表刊物:《基层建设》2017年第36期
论文发表时间:2018/4/8
标签：波束论文; 风机论文; 海底论文; 基础论文; 水深论文; 系统论文; 海上论文; 《基层建设》2017年第36期论文;