摘要：随着我国一带一路和海洋战略进程的持续深入，我国海洋测绘工作进入蓬勃发展的时代，即面临巨大的发展机遇，同时面临着来自技术方面的种种压力，海洋测绘作为海洋基础建设的基础性工作，由于历史原因，我国一直存在诸多海洋测绘方面的瓶颈需要突破。本次主要针对海洋测绘中的海洋基坑平整度检测问题，从多波束测深系统理论基础、系统构成、系统安装校准、系统运用方面进行简要阐述。
关键词：海洋战略；海洋测绘；多波束测深系统；基坑平整度监测
引言
海洋基坑平整度检测是海洋基础设施建设中质量保障的重要一环，是测绘技术人员一种必备的技能。目前许多海洋国家和海洋国际组织都在海洋基坑平整度检测方面进行多种多样的技术尝试，以期在未来的海洋基础设施建设和海洋开发中处于领先地位。如美国、英国、澳大利亚、日本、韩国等海洋大国都投入很大的人力、物力、财力进行海洋基坑平整度检测软硬件的研究与开发。而正如古人云“他山之石，可以攻玉”，深入学习了海洋先进国家的技术和设备不仅可以短期内提升我们的应用水平，对今后长期而言我国在整体软硬件自主开发均有恒大的帮助，本文以美国产R2Sonic2022多波束测深系统为例简述其在海洋基坑平整度方面的应用。
1多波束测深系统理论基础
多波束测深系统的理论基础是利用水下声纳单元发射和接收脉冲声波，声波被海底或海中物体反射，其中部分被探头接收，根据声波在海中的传播时间乘以声波的速度便可计算出水深。
2美国R2Sonic2022多波束测深系统构成
R2Sonic2022多波束测深系统是美国R2Sonic公司在多波束领域的新一代产品，保持了前代多波束产品的灵活性、便携性和易于使用的特征，且在测量范围、扫幅宽度和更新率方面均有提高。
2.1系统特点
①属于宽带多波束，可在200k-400kHz范围内实时在线选择20多个工作频率；②条带覆盖宽度在10°-160°范围内实时可调，可根据实际情况选择合适的覆盖角度。当选择一个较窄的覆盖扇区时，所有的波束集中在这个窄条带内，增加了系统的分辨率，可检测海底微特征和小目标；③具有等角和等距波束模式、纵横摇实时补偿和量程自动检测能力；④具有“测深”与“前视”声纳转换功能；⑤具有近场聚焦功能。
2.2系统技术指标
工作频率：200k-400kHz；带宽：60kHz；波束角：0.5°×1°、1°×2°；覆盖宽度：10°-160°；最大量程：500m；最大发射率：75Hz；量程分辨率：1.25cm；脉冲宽度：10μs-1ms；波束数目：256个；接收阵重量：12kg。
2.3系统组成
R2Sonic2022系统由基本声学系统、数据实时采集处理显示系统、辅助设备和后处理软件系统四部分组成。
3多波束测深系统安装校准
多波束测深系统的换能器及其他辅助传感器应安装到理想的位置，但实际无法达到，为了消除或减弱安装偏差对测量结果的影响，需要在安装后精确测量各传感器的相互关系，包括位置偏差和角度偏差。另外，平面位置和水深量测采用不同的传感器，即使通过GNSS秒脉冲信号控制设备的同时触发，但传输延迟也会造成平面位置和水深数据的时间不匹配。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆一般来说，安装后各传感器的相对位置关系容易用全站仪、钢尺等传统方法测量，而安装角度偏差和导航延迟则需要借助在野外实测的方式进行校准。多波束系统安装误差校准主要有横摇偏差、导航延迟、纵摇偏差及首摇偏差的校准等。通常可以通过在典型区域采用经典方法进行校准，这个过程被成为“斑片测试”。
不同安装参数的校准对海底地形有不同的要求，因此校准需要遵循一定的顺序。由于导航延迟和纵遥偏差会造成测点前后位移，而首摇偏差在平坦海底只造成波束横向排列角度的旋转，因此在平坦海底进行横摇校准不受其他偏差的影响，可首先进行，也可于导航延迟、纵摇校准后进行。可行的校准顺序是横摇、导航延迟、纵摇和首偏校准，或者是导航延迟、纵摇、横摇和首摇校准。
4海洋基坑平整度检测设计方案
根据已有的测区资料，在多波束测深系统外业数据采集的软件环境下，利用测区已有的控制网成果点，进行测区坐标系统的转换参数的计算，把测区原有的海洋地形图转换成外业数据采集环境的导航背景图，根据基坑水深情况及作业要求，编辑测区的计划测线。
用多波束系统对基坑面进行扫描数据采集工作，进入R2Sonic2022多波束测量系统外业数据采集界面，分别打开各项数据显示窗口，在测量过程中，监视各外围设备的工作情况、数据信号质量以及相关的测量信息，及时调整测船航向，控制声纳接收信号的各项参数。
5海洋基坑平整度检测
5.1设备安装、参数设置
根据海洋基坑平整度检测的作业条件和测船的情况，采用便携式安装方式，将探头安装在测船的右舷，其前后位置选在测船的中部偏前位置。声纳头与安装杆连接使用螺钉固定，然后再与测船进行焊接安装，并在探头底部前后方向用钢丝与船体固定。保证声纳探头与连接杆在测量过程中不会晃动及产生振动，以利于提高声纳接收信号的信噪比，保证测量成果的精度。
GPS卫星接收天线安装在测船顶部中间部位，光纤罗经和运动传感器安装在测船中轴线前部位置，并与测船中轴线保持平行，使用螺栓固定在测船上，保证了设备的稳定。
所有设备安装完毕，定义船体中心位置，量取各设备相对于该中心的三维坐标。各设备安装位置参数输入后，调用图形显示画面，检查参数输入正确无误。
5.2海底测量
在实际测量中，在基坑根据计划测线及测点的密度要求，测船按照涉及的测线，每条重复扫描多次以满足基坑平整度检测的需要。
平面定位使用GPS相位差分方式，使用Leica双频RTK GPS接收机作参考台，参考台架设于测区边沿的平面控制网上，高程控制用于水位观测，由等级水准点通过全站仪三角高程接测至相应位置上，在测量过程中，分别在测前及测后对水位观测点上进行水位观测、读数读至厘米，供内业水深数据改正用。
使用声速剖面仪测量测区典型水体的声速剖面数据，选择测区内的典型水域处，使用声速剖面仪实时测量水体声速剖面数据，并记录成数据文件，以供内外业数据处理使用，达到精确计算海底基坑水深的目的。
结语
综上所述，通过多波束测深系统在海洋基坑平整度检测方面的应用，证明了该系统的先进性和易操作性，为今后同类项目的开展提供了很好的实例经验。
[1]吴小将、刘国彬、卢礼顺；基于深基坑工程测斜监测曲线的地下连续墙弯矩估算方法研究.岩土工程学报,2009；27(9)：1086-1090
[2]黄克辉；基坑测斜观测数据误差分析方法研究.上海地质.2010（1）:55-57
[3]阳凡林、暴景阳、胡兴树.水下地形测量.青岛：山东科技大学.2015
论文作者:张述升
论文发表刊物:《基层建设》2018年第36期
论文发表时间:2019/3/13
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