多波束测深系统在水下障碍物探测中的应用探讨

2020-02-15邱安琪

江西建材 2020年12期

邱安琪

福建省港航管理局勘测中心，福建福州 35009

在水运工程建设中，水下障碍物的探测是常遇到的问题。当前水下障碍物探测常用的方法有：水下探摸、侧扫声呐、水下机器人摄影、水下三维声呐和多波束测深系统等。其中,多波束测深系统以其高精度高效率的特点在水下地形测绘、水下施工检测及港口工程验收中得到广泛的应用。本文对上述几种探测方法的优缺点进行分析，结合工作实践着重探讨多波束测深系统在水下障碍物探测中的应用优势。

1 水下障碍物探测方法

1.1 水下探摸

通过潜水员借助辅助设备对水下障碍物进行摸排。此方法简单易行，但效率低、可靠度不高，作业环境受流速、水下压强、水底能见度影响较大，人身安全难以保障。

1.2 侧扫声呐

通过换能器阵将水底的回波放大处理和记录并转换成声学图像显示在电脑上。其特点是快速识别回波信号的强弱，通过不同明暗灰度表示水底地形地貌的形态特征。此方法成像清晰，探测效率高。缺点是侧扫声呐一般借助托体，采用船尾拖拽的方式进行扫测，易产生定位传递误差，且目前针对托体在水中姿态和航向数据的改正技术并不成熟，难以获得高精度定位和深度信息。

1.3 水下机器人摄影

利用水下潜器ROV 搭载高清摄像机和机械手等工具对水下目标物进行测量。此方法有效降低人员水上作业风险，数据直观。缺点是相机在浊度大的浑水中影像模糊不清，ROV 在起伏较大和水生物多的水底行进困难。

1.4 水下三维成像声呐

通过发射超高频率的扇形波束，接收目标物的反射信号后，运用波束形成、指向、振幅及相位检测等技术，检测目标物不同部位的位置信息，生成三维全景图像［1］。此方法能精细探测水下目标物的相对空间位置，对细部结构进行定性、定量分析。缺点是三维声呐需在相对静止且近距离条件下才能保证采集数据完整度和精细度。声呐头一般采用水底架设三脚架方式安置，测量范围大时需多次设站，对水流和水底平坦度要求高。

1.5 多波束测深系统

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海底被测点的水深值［2］。该系统集成了高精度的定位传感器、姿态传感器和高分辨率的声呐探头，可实现全覆盖高精度高效率的水下扫测工作。

2 应用实例

项目位于福建省泉州市某大桥附近水域。桥长9.46km，桥面宽33m，设计通航标准为2000t 级船舶，通航净宽为180m。目前该桥主体结构基本完成，施工栈桥已拆除。本次测量的目的是检验施工栈桥的拆除效果，探明未清除完全管桩的具体位置、深度及数量，为后续的清障工作提供基础资料。

2.1 项目难点

⑴ 在桥区探测时卫星信号易受遮挡造成定位失锁。多波束配备的POS MV 惯导系统内置陀螺仪和加速度计结合2 台GNSS 接收机，可在卫星信号接收不连续或多路径效应的情况下提供连续精确的位置和方向数据。桥区附近水流复杂，侧扫声纳船尾拖拽方式作业有一定安全风险，而多波束测深系统与其相比具有定位精度高，扫测灵活的优势。

⑵ 这些障碍物在水底分布零散，数量和概位均不确定，若采用水下三维声呐进行探测，水底平整度未可知，水底设站难度较大，且需多次设站，效率低下。而多波束测深系统采用走航式远距离条带测量，轻松实现快速全覆盖无遗漏探测。

2.2 扫测外业实施

本次扫测采用SeaBat T50-P 多波束测深系统。该系统由频率为190～420kHz 线性调频声呐探头、SVP-70 表面声速剖面仪、T50-P 处理器主机，采集计算机及显示器、HY1200 声速剖面仪和POS MV惯性导航系统组成。该系统测深分辨率为6mm，水平定位均方差约为0.03m。系统采用侧舷安装方式，外业实施过程要点如下：

（1）换能器杆吃水不宜过深，其固定点前、后、过底三个方向的钢缆在扫测中必须保持拉紧状态，以防换能器杆在船速较大时受水流作用出现抖动，导致边缘波束发散；

（2）POS MV 本身有固定的指向，其主辅GNSS 天线的接线口要朝向相同的方向，且尽量在同一水平高度，才能获得准确的姿态信息；

（3）测前须将表面声剖和HY1200 声速仪测定数据进行互比验证，确保用于波束导向的声速值准确可靠，再进行系统的校准包括（横摇、纵摇、艏摇偏差）；

（4）扫测采用等距工作模式，使水深数据密度均匀，按预布设测线行进，船速控制在3～4 节，根据实时情况调整波束角、功率、脉冲等参数，数据覆盖重叠度＞100%，保证数据的精度和密度。

2.3 成果分析

外业完成后，进行Caris 数据后处理，提取数据建立水下三维模型，对水下特征地形进行细化处理，将这些特征地物标记并量测其坐标信息、深度、长度。本次探测共发现主桥墩台附近存在15 根未清除完全的管桩（其中管桩4#高出泥面达4.3m）和1 个横倒钢筋笼（直径2.3m）。管桩的形态和数量在点云图上清晰可见。