多波束测深系统在内河航道养护中的应用

陆培丰 湖南省水运建设投资集团有限公司

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。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。多波束测深系统在湘江航道养护中的配合应用为湖南航道实现高质量发展注入强劲动力。

1.多波束测深系统

多播速测深系统是将多个不同的技术集成的一个综合性系统，其中包括以下几种技术：给予数字化技术的具有高精度的辅助性传感技术、基于计算机数据处理功能的技术、组合惯导技术以及水声学声纳探测技术。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。它主要的工作其实是利用声波传递接收原理，通过发射一定角度的发散声波，然后用接收器接收声波传递到海底产生的回波中的窄波束，按照这种发射、接收声波，就形成了在海底的“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，进而提高精准度，使得在一定宽度范围内的目标在水下的大小、形状以及相关具体情况能够在较短时间内被测车。

1.1 多波束声呐工作原理

通过上述的利用发射装置对海底发射发散覆盖的人声波，然后通过接收装置接收海底传来的回波，发射和接收区域的正交性形成了对该区域的照射脚印，合理的分析处理这些照射脚印，就能够一次得到垂直于当时航向平面海底的许多点位的水深，进而可以高效、准确地得到航向下一定深度内的相关目标的大小、形状以及走势，得出其相关地形的三维特征，具体如图1。

图1 多波束声呐工作原理图

1.2 多波束声呐主要特点与作用

多波束声纳的海底地形测绘精度好和效率高，特别适合大面积海底地形勘测，是海底地形测绘的革命性装备，深刻影响海洋研究。

多波束声纳系典型多传感器融合系统，为信号与信息处理、电子与计算机、导航与定位、传感器与材料等多学科领域相关高新技术所交叉集成。

1.3 单波束测深仪原理

如下图所示测深仪的回声测距原理。Z为换能器到水底的距离，如果声速在水中的传播速度为v，传播时间为t，那么水深Z=vt/2那么最后的测量结果就等于水深Z加上吃水（吃水是水面到换能器底面的距离），见图2。

图2 回声测深仪原理

图3 湘江航道扫测区域成果图

1.4 单波束测深仪与多波束测深仪比较基本原理

对于测深系统而言，不论是单波系统还是多波系统，从本质上来看，主要应用的还是不同声波在水下的传播特性的不同来决定的，进而得出相关数据。就单波束来说，它通过特定频率的声波，使在水底能收到传递的声波，并在水底返回到换能器，结组两者之间声波传播的时间差，可以得出换能器到水底的距离；而多波束所发射的声波与垂直方向有一定的夹角，在计算时需要根据这一因素来求取水深和位置信息。

单波束与多波束测深系统应用区别。虽然单波束与多波束测深系统在基本原理等方面存在着相同点，但两者之间的区别仍然较大。下面以两者实际应用为出发点，从系统构成、校准方法、测线布设、成图比例尺、测量效率、数据处理以及最终成果形式等方面阐述两者的区别。

1.5 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.多波束测深系统的在内河航道实际适用范围

（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，见图3。

（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.总结

综上所述，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。