多波束测深系统在水下地形测量中的应用

2018-03-24裴学军周迎奎

山东水利 2018年6期

裴学军，周迎奎，高洁

（利津县水利局，山东利津 257400）

水下地形测量是工程测量中的一种特定测量，主要是测量江河、湖泊、水库、港湾和近海水底点的平面位置和高程，用以绘制水下地形图的测绘工作。传统的水下地形测量方法（如测深杆法、测深锤法、回声测深仪法等）只能简单地获取水深信息，对于河底的地形信息却无能为力；声呐系统和单波束测深系统一定程度上解决了水下地形的测量问题，但是在测量效率和测量精度上已经无法满足测量要求。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　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。

2　应用实例

使用国产MS-400浅水多波束测深系统对黄河下游某水域进行实地探测，并使用专业的数据后处理软件对测量数据进行建模与显色处理。

2.1　技术要求

1）平面控制：水域平面坐标采用WGS84坐标系，120°标准三度带投影。

2）高程及水深基准：采用作业时段水位作为高程基准面。

2.2　系统组成

MS-400浅水多波束测深系统由换能器探头、声呐甲板单元、换能器电缆、笔记本电脑及系统软件等部分组成。换能器探头内部集成卫星/惯性组合导航系统，可提供高精度GNSS定位、艏向和三维姿态数据输出。声纳接口单元通过千兆以太网接口与主控电脑连接，实现数据传输。

2.3　主要仪器及软件配置

1）MS-400浅水多波束测深仪。MS-400高频浅水多波束测深仪主要面向内河、港口、航道、海岸线等浅水领域应用，拥有便携式、高分辨率和高性能等特点，可将操作人员的现场工作减少到最小。内置姿态仪，将声学基阵与姿态测量集成于一体，免去了测量时安装校准的繁琐过程，同时也兼容外部高精度姿态仪。

2）SVS1500表面声速仪。SVS1500系列高精度表面声速测量仪采用了目前最好的“时间飞跃”技术进行声速测量，并结合先进的数字信号处理技术，将声速的测量精度达到0.05 m/s的世界主流水平。其主要技术指标：声速测量范围为1 400~1 600 m/s（扩展范围可定制）；声速测量分辨率为0.001 m/s；声速测量精度为±0.03 m/s（反射面距离50 mm）；声频率为2 MHz；采样速率（数据率）为最大30 Hz；温度传感器类型为PT1000铂电阻温度传感器；温度测量分辨率为0.001℃；温度测量精度为±0.05℃。

3）数据采集软件和导航软件。HydroQuest数据采集软件基于VS2010开发平台开发，数据接口采用TCP/IP传输协议，软件主要包括用户工程文件管理，数据采集、解析、存储、绘图显示，用户与系统工作参数实时控制，采集数据回放控制四大功能模块。

HydroNavi水上导航软件是一款为海洋测绘、河道测量提供导航服务软件。为海底地形测绘，河道地形测绘，水下工程施工等应用提供完善的解决方案。

4）数据后处理软件。Hypack软件的测量模块具有设置灵活，支持硬件多的特点；能向用户提供高质量的定位和测深数据，同时提供了强大的内业编辑、绘图和土方测量计算功能。软件从大地测量转换、测量设计、数据采集、数据后处理直到最终测量成图都实现了快速可靠，强大的绘图引擎能够以当前所有格式的图件作为背景文件来实现测线建立和实时数据采集。