侧扫声呐和多波束测深系统在内河航道养护中的应用分析

徐媛媛 高上

摘 要 本文介绍了侧扫声呐与多波束测深的原理与技术特点，以湘江航道实际应用的案例，分析两种设备在内河航道养护中的作业方式的优缺点及适用范围。

关键词 侧扫声呐;多波束测深系统;水下测量;航道扫床

引言

航道测量是航道养护工作的一项重要工作，也是维护和运行数字化、智慧化航道系统的重要基础工作。航道扫床是清障、查找沉船、沉标的重要手段，传统航道扫床属于靠经验盲扫，运用侧扫声呐，可快速获取河床声呐图像数据，从而直观了解到航道状况，但由于侧扫声呐不能直接获取航道水深数据，所以侧扫已无法完全满足我单位在航道测绘上的需求。我局配置了多波束测深系统，多波束不仅可以准确获取目标物空间数据，而且可实现水下三维成图，具有测量范围广、速度快、精度高的特点。侧扫声呐和多波束测深系统在湘江航道养护中的配合应用为长沙航道实现高质量发展注入强劲动力。

1侧扫声呐

1.1 基本原理

侧扫声呐的工作原理是通过左右两侧的换能器阵，向两侧发射声脉冲，声波以球面波方式向外传播，碰到水底或水中物体会形成反射波或者反向散射波（回波），回波会按原传播路线返回，近距离的回波先到达换能器，远距离的回波后到到达换能器，通过接收水下物体的回波来发现目标。

不同硬度、粗细和高度的河床底质，回波强度是不同的，河床粗糙、坚硬、凸起的区域，回波较强;河床平滑、软底，凹陷的区域，回波较弱;在声波被遮挡的区域不产生回波，形成“阴影区”;距离声呐越远的区域回波越弱。利用声呐处理单元和工作站对这一系列脉冲进行数字化处理，并显示在显示器上，每一点显示的位置与回波接收到时刻对应，每一点的亮度和回波的强度有关。

将每一发射周期的接收数据一线接一线地纵向排列，在显示器上显示就构成了二维河床地貌声图。声图平面和海底平面成逐点映射关系，声图的亮度包涵了河床的特征。

1.2 主要性能指标

我局目前使用的中海达iSide4900侧扫声呐，其主要性能指标为400kHz和900kHz双频同时工作、最大量程150m、水平波束角0.2°垂直波束角50°、脉宽1～4ms、沿航迹分辨率0.003h（h代表量程），垂直航迹分辨率1.25cm等，这些指标不是独立的，它们存在联系：工作频率决定了量程大小，频率越大，量程越小，反之。在同一工作频率下，设置量程越大，其测量覆盖的范围越大，扫测效率越高。脉宽直接影响垂直航迹分辨率，脉宽越小，垂直航迹分辨率越高，反之。水平波束开角和航速直接影响沿航迹分辨率，垂直波束开角影响侧扫声呐的覆盖宽度，开角越大，覆盖范围就越大。

1.3 侧扫声呐系统组成

一套完整的侧扫声呐系统主要由五个部分组成;

（1）拖鱼：声学收发系统;侧扫聲呐鱼是一个流线型稳定拖曳体，拖鱼由左右换能器线列阵、电子舱、尾翼、拖曳钩及壳体组成;

（2）拖缆、数据线缆及绞盘：用来拖曳拖鱼以及声呐信号传输;

（3）甲板单元：用来控制拖鱼发射接收声波信号;

（4）定位设备：用于输出定位信息;

（5）工作站：运行相关软件来控制整套系统，可显示、记录，存储和处理镶嵌侧扫数据。

1.4 侧扫声呐的优缺点

优点：①垂直航迹分辨较高，可获得河床高精度的二维声呐图像;②可利用河床回波强度的信息，对河床底质进行定性分析;③相比于多波束测深系统，侧扫价格便宜，设备安装连接简单;④侧扫无需固定安装，搬运方便，可携带至侧扫地点，用于应急扫床;

缺点：侧扫声呐不能精准地测量水深，不能获取直观的三维地形图，在测绘方向的应用受到限制[1]。

2多波束测深系统

多波束测深系统是高性能计算机数据处理技术、水声学声呐探测技术、组合惯导技术和高精度数字化辅助传感器技术的高度集成。多波束测深仪打破了单波束测深仪“以点成线”的工作方式，实现了“以线成面”的全覆盖、立体化成图，智能化、高效率点云数据处理的工作模式。其工作原理是多波束甲板单元控制发射换能器基阵产生一定覆盖角度的扇形声波，利用接收换能器阵列对触碰到海底的回波进行窄波束接收，通过发射、接收扇区的“十字交叉”形成了海底地形的“波束脚印”，运用组合惯导和表面声速传感器对各个“波束脚印”的空间位置进行归算处理，从而可精确、快速地测出沿航线一定宽度内水下目标的大小、形状以及河床起伏变化情况。

我局使用的中海达iBeam 8120固定式安装多波束测深系统，其性能指标为频率200kHz，条带覆盖角度30～140°，波束角1.5°× 1.5°，波束数目512个，测深范围0.5～300m，水深分辨率1cm，最大Ping率60Hz，实时横/纵摇精度0.01°。

2.1 多波束换能器及IMU安装

本文介绍的多波束测深仪换能器和惯性测量单元（IMU）采用固定安装方式。换能器采用竖井月池安装，换能器和升级支架固定后，采用自动升降装置实现升降，为防止紊流层的干扰，测量前会将换能器下降至龙骨下20cm处再进行跑线，其余时间可以将换能器收回月池，保护换能器。IMU固定安装在竖井附近，开机后实时提供高精度姿态、定位、航向数据。固定式安装的好处是，只需要第一次安装或者移动拆卸设备后进行设备偏距的量取和校准，简化测量流程，提高测量效率。

2.2 组合惯导GNSS天线安装

GNSS天线安装在船顶，固定式安装且不存在遮挡，基线距离为2m，惯导的实时艏向精度可达0.03°。

2.3 甲板单元、UPS及电脑主机连接

多波束甲板单元、惯导甲板单元、UPS、电脑主机及显示器安装在测量室内工作台，方便测量人员进行操作。

2.4 偏移量量取

多波束测量系统属于高精度测量设备，设备固定后需要量取IMU和换能器，IMU和GNSS天线之间的偏距。

2.5 多波束校准

为保证校准效果，校准线测量时一定要保证条带之间重叠率到达50%以上。校准的先后顺序为Roll（横摇）、Pitch（纵摇）、Yaw（艏摇）。

横摇校准（Roll）：选择平坦区域、一条往返测线、垂直于航向选择区域;

纵摇校准（Pitch）：选择高低起伏变化区域、一条往返测线，平行于测线选择区域;

艏摇校准（Yaw）：选择高低起伏变化区域，两条平行测线，平行于测线中间区域。

使用HiMax MBE多波束软件校准数据，按照横摇、纵摇、艏摇的顺序进行校准后，根据剖面图，可以看到校准效果条带间数据重合程度高以后方可开展测量。

2.6 多波束测深系统优缺点

优点：①测深精度高，波束角小会在河床形成的波束脚印就极小，多波束测深系统采集水深数据的同时也会记录船体姿态数据及表面声速，考虑到温盐深的变化需做声速剖面测量，使各种因素对多波束水深数据的影响降低了最低;②地物识别能力强，多波束采用全覆盖的测量方式，每Ping可形成几百个水深点，高频率形成的点云数据可以真实的反映整体河床三维地形;③采集软件具有实时生成三维地形图功能，可以直观地看到水下的地形起伏以及护岸工程的效果，便于指挥决策和重點监测;④多波束后处理软件可对点云数据进行多种成图处理，可生成等深线图、三维立体图、断面剖面图等，同时可对同一测区不同测次进行比较以及土方计算等;⑤多波束测深系统可拓展侧扫图像、水柱数据显示以及河床底质后向散射等功能，具有更多的应用方向和更广阔的应用前景。缺点：①系统采集的数据量极大，由于声呐技术、水体水质等原因，往往会产生噪点，需要对点云数据进行自动滤波处理和人为干涉处理，后处理工作量较大;②系统的条带覆盖宽度与水深成正比关系，由于测量船吃水深度大，极浅水区域和岸边区域，多波束作业效率低，甚至考虑到多波束换能器安全性因素无法施测;③采用固定式安装，虽然省略了安装校准时间但由于测量船机动性差，其跨度覆盖区域往往受限，测绘应急能力被削弱[2]。

3侧扫声呐与多波束测深系统的在内河航道实际适用范围

3.1 在湘江航道中，结合侧扫声呐的优缺点建议可应用于

（1）河床冲刷研究，图1为湘江航道河床的沙波，由于水流冲刷形成。

（2）航道障碍物扫测，图2为湘江中长沙某自来水取水管道。

（3）内河救助搜寻，图3为湘江某航段的沉船。

3.2 结合多波束测深系统优缺点可应用于

（1）趸船移位选址。项目案例：湘江某航段5公里长、0.3公里宽的水域测量，面积1.5平方公里。建立格网模型，生成TIF影像图，也可生成等深线图。

（2）航道应急抢通项目工程量计算及验收。航道应急抢通前对所在航道进行多波束扫测，完成后再次对相同区域进行测量，因为多波束可输出三维地形图，可直观地分析抢通航段的变化，也可以计算航道整治工程前后的土方量。

（3）可以应用到航道河床演变对比、水下的地形起伏、护岸工程及长河段测量等需要数据精度较高的测量项目[3]。

4结束语

综上所述，侧扫声呐设备量程较大，能快速完成湘江航道河床碍航物的定位、救助搜寻、水下建筑物位置分布的调查等各项工作。侧扫声呐的应用揭开了内河航道水下地貌的神秘面纱，首开湖南航道水下测量的先河。多波束测深系统可应用于内河航道浅滩航槽冲淤变化的分析、航道河床演变对比、护岸工程、航道应急抢通项目工程量计算及长河段测量等需要高精度数据的测量项目。两种测量设备各有优势，在具体工作中根据实际情况需要配合使用，可更大地提高工作效率。

参考文献

[1] 别伟平，郭志勇，于永宽.多波束与侧扫声呐在水下障碍物探测中的综合应用[J].港工技术，2019，56（S1）：157-159.

[2] 陈正荣，王正虎.多波束和侧扫声呐系统在海底目标探测中的应用[J].海洋测绘，2013，33（4）：51-54.

[3] 沈蔚，程国标，龚良平，等.C3D测深侧扫声呐探测系统综述[J].海洋测绘，2013，33（4）：79-82.