呂曰恒

（國(guó)家海洋技術(shù)中心 天津市 300111）

多波束測(cè)深技術(shù)的應(yīng)用試驗(yàn)

呂曰恒

（國(guó)家海洋技術(shù)中心 天津市 300111）

闡述 HS—600F 多波束測(cè)深系統(tǒng)的基本組成、功能特性及其技術(shù)指標(biāo)，以云南省臨滄地區(qū)瀾滄江干流段的漫灣水電站水墊塘為例，應(yīng)用該系統(tǒng)對(duì)該地水底地形地貌進(jìn)行實(shí)地勘察測(cè)量，獲得了勘察測(cè)量的多項(xiàng)結(jié)果，為漫灣水電站水墊塘修補(bǔ)維護(hù)制定了有效技術(shù)方案，也顯現(xiàn)了多波束測(cè)深技術(shù)的先進(jìn)性和優(yōu)越性。

勘察測(cè)繪地形地貌多波束測(cè)深系統(tǒng)

多波束測(cè)深系統(tǒng)是一種多傳感器組合的復(fù)雜的測(cè)量系統(tǒng)。自20世紀(jì)70年代問世以來，隨著近代計(jì)算機(jī)技術(shù)、高精度定位技術(shù)以及數(shù)字化電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，多波束測(cè)深系統(tǒng)也得到了相應(yīng)的迅速發(fā)展，使其功能和應(yīng)用都更加完善及增強(qiáng)。不但提高了工程測(cè)量的準(zhǔn)確性，而且相對(duì)單波束測(cè)量而言，也大大提高了工作效率，改變了傳統(tǒng)單波束測(cè)量模式，把點(diǎn)—線測(cè)量變成線—面測(cè)量模式，這樣根據(jù)大量測(cè)量的聲回波信號(hào)數(shù)據(jù)后處理，便可獲得平面及立體的測(cè)量成果圖像，給人以更直觀的實(shí)時(shí)的所謂 3D 效果圖。因此，多波束測(cè)深系統(tǒng)已成為目前江河湖海水下工程領(lǐng)域里測(cè)量水下地形地貌的有效工具，得到了廣泛的推廣應(yīng)用，倍受人們青睞。

HS—600F 多波束測(cè)深系統(tǒng)是一款新型水下地形地貌測(cè)量新裝備，由日本古野電氣公司研發(fā)，可廣泛適用于海洋資源調(diào)查、海洋工程、水文地質(zhì)勘探、港灣工程建設(shè)、航道疏浚、海上打撈救助、水庫(kù)大壩監(jiān)測(cè)維修、水下管道路由測(cè)量以及漁業(yè)資源調(diào)查等廣泛的工程領(lǐng)域中。

1 HS—600F 多波束測(cè)深系統(tǒng)組成及工作原理

HS—600F 多波束測(cè)深系統(tǒng)的硬件主要包括：顯示器單元、換能器單元、收發(fā)器單元、系統(tǒng)處理單元四大部分。

圖1 HS—600F 多波束測(cè)深系統(tǒng)的硬件組成

圖2 HS－600F 多波束測(cè)深系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)工作過程原理是通過發(fā)射和接收120°掃測(cè)寬度的超聲波束，即可獲得近似 3.5 倍水深范圍的水底地形地貌的數(shù)據(jù)和水底反射強(qiáng)度數(shù)據(jù)。該發(fā)射波束朝著船左右舷 120°方向和船艏艉 1.5°方向，以扇形波束進(jìn)行傳播，水底的反射回波是相交于發(fā)射波的扇形波束，并分別形成一條船艏艉方向 20°和船左右舷方向 1.5°的回波接收覆蓋范圍。系統(tǒng)通過電子掃描左右舷方向回波的信號(hào)數(shù)據(jù)，即可獲得 1.0°×1.5°高分辨率的水底回波信號(hào)，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)可進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并記錄和保存，經(jīng)過后處理編輯得到 3D 水底地形地貌圖像，有效探測(cè)到水下目標(biāo)情況。

該系統(tǒng)水底顯示模式見圖3，工作過程的交叉扇形波束原理見圖 4。

圖3 系統(tǒng)水底顯示模式

圖4 交叉扇形波束原理

2 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)和功能特性

HS—600F 多波束測(cè)深系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)見表 1。該系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)先進(jìn)，功能完善，測(cè)量精度高，分辨率高，測(cè)量速度快，掃測(cè)范圍大。對(duì)測(cè)量船實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)補(bǔ)償，滿足IHO 測(cè)量規(guī)范要求；可提供多種在線測(cè)量模式選擇；整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，穩(wěn)固可靠；換能器設(shè)計(jì)多樣，可滿足不同安裝條件要求；整個(gè)系統(tǒng)體積小巧，便于攜帶和運(yùn)輸。另外，該系統(tǒng)可兼容第三方采集后處理專業(yè)軟件，便于滿足各類海洋水文勘察工程需要，顯現(xiàn)出系統(tǒng)更完善的適應(yīng)性和靈活性。

3 實(shí)例應(yīng)用與分析

2010年1月至3月，應(yīng)用 HS—600F 多波束測(cè)深系統(tǒng)，在云南省臨滄地區(qū)瀾滄江干流段的漫灣水電站水墊塘進(jìn)行了該地水底地形地貌的實(shí)地勘察測(cè)量，見圖 5—圖 6。

表1 HS—600F 多波束測(cè)深系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)表

圖5 漫灣電廠水墊塘

漫灣水電站建于1995年，至今已運(yùn)行達(dá) 15之久，是個(gè)百萬千瓦級(jí)的大型水力發(fā)電站，對(duì)西南地區(qū)建設(shè)和人民生活至關(guān)重要。漫灣電廠水墊塘池是建站初期在大壩下游中的自然河道，以人工澆筑而成的一個(gè)水泥底板地形的塘池。由于長(zhǎng)年泄洪沖刷以及后期對(duì)塘池水下的修補(bǔ)澆筑維護(hù)，造成水墊塘底板出現(xiàn)各種形態(tài)的不規(guī)則的沖刷陷坑和澆筑造成的不規(guī)則的水泥塊體突起，如此惡劣的地理環(huán)境狀況，長(zhǎng)期必將影響水電站的安全運(yùn)行。

圖6 水墊塘水上交叉作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)

因此，為了確切了解水墊塘底板的地形地貌情況，對(duì)其進(jìn)行實(shí)地勘察測(cè)量，以便制定有效的水墊塘底板修補(bǔ)的技術(shù)方案，確保大壩安全，有力保障水電站的正常運(yùn)行是十分必要的。

2010年1月至3月，北京麥格美科科技公司和云南浩蘭水下工程公司聯(lián)合對(duì)漫灣水電站水墊塘進(jìn)行了該地的水下地形地貌勘察測(cè)量。應(yīng)用主機(jī)為 HS—600F 多波束測(cè)深系統(tǒng)，配備輔助設(shè)備有聲速儀，星站差分 GPS，三維姿態(tài)儀，GPS 羅經(jīng)，筆記本電腦以及數(shù)據(jù)后處理 HyPack 軟件和Cass 軟件。經(jīng)過全面綜合的實(shí)地勘察，最后獲得了滿意的測(cè)量結(jié)果：即漫灣水電站水墊塘水下地形 1∶500 地形圖測(cè)繪，總面積達(dá) 24 029 m2；原始點(diǎn)位數(shù)據(jù)文件約 350 萬個(gè)點(diǎn)位信息；后處理點(diǎn)位數(shù)據(jù)文件約 75 萬個(gè)點(diǎn)位信息；橫縱剖面分布圖 24 幅（見圖 7 ）； 1∶500 水下平面圖 1 幅（見圖 8 ）；三維彩色地形圖 2 幅（見圖 9 ）。

圖7 橫縱剖面線分布示意圖

圖8 水墊塘等深地形平面示意圖

圖9 水墊塘水下三維彩色地形示意圖

根據(jù)以上勘察結(jié)果，為制定漫灣水電站水墊塘底板修補(bǔ)和清淤維護(hù)方案提供了有力依據(jù)。

4 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)證明了整個(gè)實(shí)地的水下勘察測(cè)量工程的技術(shù)路線設(shè)計(jì)正確，工作程序科學(xué)合理，勘察過程嚴(yán)謹(jǐn)，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。所選用的 HS—600F 多波束測(cè)深系統(tǒng)性能良好，功能完備，操作方便，安全可靠，是一款先進(jìn)的水下工程地形地貌測(cè)繪的高效技術(shù)裝備。為漫灣水電站水墊塘底板修補(bǔ)和清淤維護(hù)提供了有力的技術(shù)支持。

2010年4月23日