R2Sonic2024多波束系统在河道地形测量中的应用

马文喜，任宝学，张　羽（松辽委水文局黑龙江上游水文水资源中心，黑龙江 黑河164300）



R2Sonic2024多波束系统在河道地形测量中的应用

马文喜，任宝学，张羽
（松辽委水文局黑龙江上游水文水资源中心，黑龙江 黑河164300）

［摘要］R2Sonic2024多波束测深系统扫描测量范围大，采集到的数据精度高，能在保证安全的测量距离下对界河黑龙江水下地形进行精细测量。文中介绍了R2Sonic 2024系统的技术性能，分析了该系统在黑龙江河道地形测量中的应用价值，指出了存在的问题及对策。

［关键词］多波束测深；河道地形；测量；黑龙江

R2Sonic 2024多波束测深系统是一套全覆盖测深系统，测量精度高，并且具有电子波束旋转导向功能，可用于2～500 m深水域进行水下地形扫描测绘。系统工作频率在200～400 kHz有21个频率可调，对精密测深和目标搜索等浅水测量用高频和高分辨率，较为浑浊的高泥沙水域则采用较低的工作频率。下文结合实际测量过程及获取的资料，探讨该系统在河道测量的应用情况及存在的问题和对策。

1　R2Sonic2024多波束测深系统

1.1系统组成

多波束系统是由多个子系统组成的综合系统，分为声学系统、数据采集系统、数据处理系统和外围辅助设备。系统硬件包括多波束声呐、数据采集显示计算机、GPS、光纤罗经及运动传感器、表层声速仪、声速剖面仪以及超便携船舷安装架；软件包括R2Sonic配置软件、EIVA导航及多波束数据采集显示软件、Caris多波束数据后处理软件。其中，换能器为多波束的声学系统，负责波束的发射和接收；数据采集系统完成波束的形成和将接收到的声波信号转换为数字信号；辅助设备包括卫星定位系统、船横摇、纵摇、艏向、升沉等数据姿态传感器、验潮仪、声速剖面仪等。

1.2系统原理

多波束测深系统的工作原理是利用发射换能器阵列向海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波束接收，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，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域被测点的水深值，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域地形的三维特征。发射信号由探头一端水听器组合成256或512道接收阵，接收角为10°～160°在线可选，量程分辨率达到1.25 cm，对声源阵中不同基元接收到的信号进行适当的相位或时间延迟可实现波束导向。多波束硬件组成原理框图如图1所示。

图1　多波束硬件组成原理框图

2　R2Sonic 2024多波束测深系统校准

多波束系统是一个由多个传感器组成的复杂系统，最终测量成果的质量不但取决于多波束自身的测量数据质量，还取决于辅助传感器测量参数的精度，因此，系统安装完成后必须严格测量传感器之间的相互关系，使辅助系统能为多波束提供横摇、纵摇、起伏和船艏向变化的实时补偿。此外，根据多波束系统的使用要求，每次使用前都应对多波束系统进行校准，内容包括GPS时延、船艏向测量和纵摇、横摇调教误差进行校准。

3　实际应用

3.1扫描水域概况

扫描水域选择黑龙江干流上马厂水文站测验断面至黑河市码头约400 m江段进行，河道水下地形情况未知，水流平稳，水深较浅，水体清澈，泥沙含量低。

3.2多波束系统安装

根据测船的实际情况，选取了一处最为合适的安装位置，多波束换能器采取“船舷抱箍”方式安装，同时分别在船艏、船尾及船底，利用钢丝绳和拉紧器将整个船舷安装架与船体固定，牢固的安装方式可保证船只在高船速和高纵、横摇情况下获取高质量的多波束测深数据。多波束全系统安装耗时约1 h。

3.3现场河道地形扫测情况

考虑到扫描江段水域较浅，泥沙含量少，多波速系统扫描时采用波束角0.5°，频率400 kHz，开角120°，正常普通模式下扫描，每条测线间距边缘有20%的波束重叠，以保证测线间边缘部分的高分辨率和精度。实际扫描中，由于江段水深只有3 m左右，限制了扫描宽度，降低了效率。船体的震动，使波束扫描边缘有变形现象，此时减小频率为300 kHz，以克服干扰，获得稳定的扫描状态和扫面精度。

3.4扫测结果分析

系统往返共进行了20次纵向扫描，形成20条扫描线，2次横向扫描，用于数据处理时获取Roll和Pitch参数的校正值和误差检验。扫描数据通过纵、横测线交叉水深重合点统计符合精度要求，交叉水深值符合性良好。扫描数据利用Caris多波束后处理软件进行处理，包括：创建船文件，编辑传感器的空间相对位置；以图表展示和交互编辑姿态，GPS，水深条带数据；进行声速剖面改正，修正声速折射引起的水深数据偏差，进行数据合并处理，得到姿态改正后的带地理参考的水深数据；使用多波束的校正工具计算多波束安装偏差，实现不同测线间的数据拼接；生成光滑的水深曲面；消除冗余数据；处理后的数据输出，数据抽稀可选择不同比例尺的最浅或最深XYZ(东、北、高程)输出。获得了相应的水下地形图。

4　结语

Sonic 2024多波束测深系统具有设计紧凑、重量轻、运输及作业方便等优势，扫描采集到的数据具有高分辨率，全覆盖的特点。Caris后处理软件能够输出完整的水深分布图、水深等值图、高程图和3D水下地形图。在监测河道受洪水冲淤变化时有较高的准确性和实用性，实际应用中要注意，在重复扫描测量中多波束系统在安装和校准时，各次测量条件要尽可能保持一致，以使各次测量数据保持一致，克服系统误差，使结果更具可比性。同时要有牢固的框架支撑，确保系统工作时横摇、纵摇处在可控状态。船体微小的震动，可通过改变频率、开角参数等克服，以获得高质量的数据图形。多波束测深系统高精度和高密度扫描数据可以分辨水下地形的细微结构和变化，在水文河道演变及冲淤变化监测中将发挥越来越重要的作用。

［参考文献］

［1］丁德荣.R2Sonic2024多波束测深系统应用探讨［J］.机电技术，2011（4）：130—132.

［2］王闰成.多波束测深系统的安装校准［J］.海洋测绘，2003 （1）：34—37.

［3］李家彪.多波束勘测原理技术与方法［M］.北京：海洋出版社，1999.

［中图分类号］TV221.2

［文献标识码］B

［文章编号］1002－0624（2016）03－0055－02

[收稿日期]2015-07-09