多波束测深系统在海洋工程测量中的应用论文_ 李善粒

多波束测深系统在海洋工程测量中的应用论文_ 李善粒

摘要:多波束测深系统是一种由多传感器组成的复杂系统,系统自身性能、辅助传感器性能和数据处理方法,对于系统的数据采集和波束脚印的归位计算起着十分重要的作用。本文分析了多波束测深系统在海洋工程测量中的应用。

关键词:多波束测深系统;航道疏浚;数据处理

不同于单波束测深系统,多波束测深系统可在测量断面内形成十几个至上百个测深点,几百个甚至上千个回向散射强度数据,从而保证了较宽的扫幅和较高的测点密度;

一、多波束水下测深系统

1.多波束测深系统的组成。多波束测深技术是现代水下探测领域的新兴技术,它集成了现代空间测控技术、声呐技术、计算机技术、信息处理技术等一系列高新技术,实现了对水下探测目标的高精度和高密度测量。如SeaBat 8101是目前世界上最先进、精度最高的多波束测深系统之一,它主要由OCTANS光纤罗经和运动传感器、声速剖面仪、侧扫图像处理系统、多波束数据后处理系统(CARIS

HIPS后处理软件)、QTC Multiview底质分类系统等共同组成。

2.系统特点。(1)SeaBat 8101以带状方式进行测量,波束连续发射和接收,测量覆盖程度高,对水下地形可100%覆盖。与单波束比较,波束角窄,能够完全反映细微地形的变化。单波束是点、线的反映,而多波束则是面上的整体反映。多波束测深系统的测量成果更真实可靠,由于是全覆盖,其大量的水深点数据使等值线生成真实可靠。而单波束是将断面数据进行摘录成图以插补方式生成等值线,在数据采集不够时,等值线会存在一定偏差。(2)SeaBat 8101条带覆盖宽度210°,波束大小为1.5°×1.5°,波束数目为101个,测深分辨率为1.25 cm。波束后向散射强度图像和检测到的距河床底距离实时显示在声呐监视器上,且便于快速质量检查。(3)CARIS HIPS后处理软件功能强大,可以根据需要抽取不同比例尺的数据成图,生成的图件类型有:测深数据图,水深等值线图;三维数字地形模型(DTM)图;彩色水深图;彩色地形阴影图以及质量控制报告等。

二、案例分析

某港30万吨级航道工程是按照已投入使用的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。

1.多波束测深系统安装测试。利用多波束系统进行测量实施。该系统在引进后就一直都是安装在固定的测量船的固定位置上,所以系统进行使用都是整体工作的。多波束测深系统的各部分,按设计位置进行安装,并量测DGPS接收机天线、多束换能器、运动传感器(TTS)、电罗经等相对船体坐标系原点的位置关系。量测各传感器相对船体坐标原点的偏移量,以便在数据处理时进行相应的改正。

(1)电罗经传感器的安装。电罗经的安装位置有着严格的要求,电罗经传感器应安装在船舶中心附近,电罗经指示方向应与船首方向一致,并且要求在船体坐标系的水平面内。安装位置应远离导磁物质或易被磁化的物质;电罗经与较大的铁性物体、强电流的电线及电池组至少保持1.3~1.5m的距离;一些电子设备(如计算机、电视显示器、雷达磁控管、扩音器、UPS不间断电源装置等)的使用会影响电罗经的正常工作,使其测出的方向数据失真或干忧,应远离它们。(2)运动传感器(运动补偿仪,TTS)的安装。

期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆运动传感器应固定安装,并尽可能与水平面平行;运动传感器离船舶重心越远,船舶纵横倾幅度越大,产生的测量误差也越大,所以安装位置应在船舶的重心或尽可能靠近重心;运动传感器的安装具有方向性,其罩壳上的指示方向应与船首方向一致,否则将产生反向改正,造成严重误差。(3)多波束换能器的安装。多波束换能器的安装主要取决于船型和船的结构,同时还应考虑多波束测深系统使用的水域。如在内河测量,因受风浪的程度较小,可以安装在船首;而在潮汐河口或近海水域,因受风浪的程度较大,宜采用船舷固定安装。安装时要注意固定好,以免测量换能器产生抖动,下沉。此外,还考虑换能器的安全性,以免在靠离码头碰撞损坏,建议安装的换能器,还具有可拆卸或可移动的功能。(4)DGPS接收机天线的安装。DGPS接收机天线应安装在船舶高处(低于避雷针),视场内障碍物的高度角不能超过10°;尽可能远离船舶主桅杆;尽量远离大功率的无线电发射信号源(如雷达、高频电话天线等);天线安装要稳固,避免船舶姿态变化使其产生位移;天线位置应选择远离船体大型金属物体结构,距甲板高度至少在1.5m以上,减少信号多路径效应。系统安装后,应进行测试,测试可分为通电测试和航行测试。通电测试:在静态状态下进行,检查系统各部分电缆连接是否良好牢靠、正确无误;检查接地是否正确、牢靠;检查供电电源输出电压是否正常,以及直流供电的极性是否正确无误;一切正常后,开始目测系统各部分的通电运行状况、信号的稳定性和数据的通信情况。航行测试:要选择适宜水域设测多条往返重复测线进行横倾、纵倾、定位延迟、电罗经偏差等系统参数改正。

2.测量与数据处理。(1)扫道设计和测线布设。扫道方向。在扫道方向设计时,考虑到多波束测深系统采集的是高密度条带式水深数据,它可以对水下地形进行全覆盖测深。在正常工作环境中,只要船速选择适当,就不会把特殊水深遗漏,因此,扫道方向的设计顺着航道方向布设。(2)扫道宽度。Atlas Fansweep20的扫道设计宽度为W=2D图tanθ,式中D图为海图水深,θ为波束角。在实际操作中,扫道宽度根据现场水深来确定,是以扫道设计宽度值为准。另考虑到施工时对涨潮水位的充分利用,也可以实际扫侧数据填满屏幕显示的设计范围并有重叠为准。(3)重叠带宽度。《水运工程测量规范》规定:当测图比例尺大于

1∶5000时,测深定位点点位中误差限值为图上1.5mm,定位点记录中误差为图上0.5mm。重叠带宽度计算如下:

(1)

式中,S为多波束扫侧重叠带宽度;E 0为测量船定位中误差;E 1为船舶偏航系统性误差。根据上述的要求对该港航道进行测线布设:多波束测线平行于航道布设,测线间距10m,测量时根据覆盖宽度选择测线号,保证在测量范围内全覆盖测量。具体布设局部区段示意图见图1。(2)测量实施和数据后处理。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。

多波束测深系统广泛应用于堤防、水库、湖泊及海洋等水域的水下地形测量,进行水下工程及其水工建筑物的安全检测(如抛石护岸等);河道疏浚及港口、码头、桥梁的工程测量;水下管线、电缆等的监测;沉船、水下物体的打捞搜寻等。这套系统的测量效益、实用性和广阔的应用前景将进一步显现。

参考文献:

[1]李伟.传统多波束系统与具有相干特点的多波束系统的研究[J].海洋测绘,2018。27(2):77—80.

[2]李丽.铰链混凝土板沉排新技术与施工实践[J].人民长江,2018,33(8):26—29.

论文作者: 李善粒

论文发表刊物:《科学与技术》2019年第22期

论文发表时间:2020/4/29

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多波束测深系统在海洋工程测量中的应用论文_ 李善粒
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