徐樂(lè)

（交通運(yùn)輸部北海航海保障中心天津海事測(cè)繪中心，天津300000）

1 引言

由于科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，在我國(guó)海洋航道測(cè)量中逐漸出現(xiàn)多種測(cè)量系統(tǒng)，其中多波束系統(tǒng)是一種應(yīng)用較為廣泛，且具有較好實(shí)際效果的測(cè)量系統(tǒng)。因此，本文對(duì)多波束系統(tǒng)在海洋航道測(cè)量中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

2 多波束系統(tǒng)概述

多波束測(cè)深系統(tǒng)是一種利用多波束對(duì)水底情況進(jìn)行測(cè)量的系統(tǒng)。該系統(tǒng)區(qū)別與傳統(tǒng)單波束測(cè)深系統(tǒng)不僅具有良好的海底地形測(cè)量效率，而且在實(shí)際的測(cè)量中還能夠?qū)Χ鄠€(gè)海底測(cè)量點(diǎn)的深度值進(jìn)行獲取。主要分為以下三個(gè)子系：多波束的發(fā)射接收系統(tǒng)；定位、定姿態(tài)等輔助系統(tǒng)；數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)。該種系統(tǒng)的應(yīng)用將對(duì)海洋航道實(shí)行面化的測(cè)量，提升了我國(guó)在海洋航道測(cè)量過(guò)程中的效率以及準(zhǔn)確程度，將在一定程度上推動(dòng)我國(guó)海洋運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展[1]。

3 多波束系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)

3.1 應(yīng)用帶狀方式進(jìn)行測(cè)量

多波束系統(tǒng)作為一種新型的技術(shù)，是多種先進(jìn)技術(shù)的集成，在應(yīng)用過(guò)程中，測(cè)量是以帶狀方式進(jìn)行的。多波束系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中，優(yōu)勢(shì)在于具有較高的測(cè)量覆蓋程度，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水下完全覆蓋。多波束系統(tǒng)與單波束相比，更能夠完全反映出水下地形的任何細(xì)微變化。這主要是由于多波束系統(tǒng)是面的反應(yīng)，而單波束則是一種點(diǎn)的反應(yīng)。在對(duì)水下地形進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中，帶狀方式進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的數(shù)據(jù)是具有較高的可靠性的。這主要是由于在生成等值線的過(guò)程中，這種全覆蓋的測(cè)量方式，數(shù)據(jù)量較大，可靠性較好。而單波束則不然，在收集數(shù)據(jù)過(guò)程中，會(huì)由于數(shù)據(jù)不夠而出現(xiàn)偏差。因此，多波束系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中，具有較大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

3.2 發(fā)射換能器較為先進(jìn)

多波束系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中，能夠向水底投射的覆蓋扇區(qū)可達(dá)到165°寬。與此同時(shí)，接收器還能夠形成動(dòng)態(tài)聚焦波數(shù)。不僅如此，對(duì)探測(cè)到的數(shù)據(jù)還能夠?qū)崟r(shí)傳遞至監(jiān)視器中。由此可見，發(fā)射換能器的先進(jìn)性。

3.3 保障海洋航道測(cè)量的精確

在測(cè)量過(guò)程中，船只是動(dòng)態(tài)的，因而對(duì)水下測(cè)量的精確性和可靠性是存在很大的影響的。在應(yīng)用多波束系統(tǒng)時(shí)，由于能夠?qū)?dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，因而在測(cè)量精確性方面和可靠性方面均具有很重要的優(yōu)勢(shì)。這不僅體現(xiàn)在測(cè)量前，更體現(xiàn)在測(cè)量過(guò)程中。為進(jìn)一步保障海洋巷道測(cè)量的精確性，運(yùn)動(dòng)傳感器以及光纖羅經(jīng)和相應(yīng)軟件等等，能夠?qū)Υ贿M(jìn)行同步的記錄，不僅如此，還能夠?qū)ζ溥M(jìn)行及時(shí)矯正，從而真實(shí)且精確地反映出水底的實(shí)際情況。這些均歸功于多波束系統(tǒng)的應(yīng)用。

3.4 可形成直觀的數(shù)據(jù)圖

多波束系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中，除了具有以上的應(yīng)用特點(diǎn)外，還能夠形成直觀的數(shù)據(jù)圖。這主要是由于多波束系統(tǒng)是較為強(qiáng)大的處理軟件，具有十分完善的功能，能夠從實(shí)際需求出發(fā)，對(duì)不同比例尺的數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取，并生成數(shù)據(jù)圖。同時(shí)功能的強(qiáng)大性還體現(xiàn)在數(shù)據(jù)圖類型的多樣化方面，有測(cè)量深度的數(shù)據(jù)圖，還有測(cè)量水深等值線的數(shù)據(jù)圖，也有地形模型圖，更有彩色水深圖以及地形陰影圖等等。除此之外，還有質(zhì)量控制報(bào)告。由此可見，多波束系統(tǒng)功能的強(qiáng)大。

4 多波束系統(tǒng)在海洋航道測(cè)量中的應(yīng)用

4.1 項(xiàng)目概況

某項(xiàng)目部承擔(dān)了某港區(qū)的港口航道圖測(cè)量任務(wù)，為編繪該港區(qū)港口航道圖提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用Seabat 7125型多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)的港池航道及礙航物進(jìn)行了多波束全覆蓋掃測(cè)。

4.2 多波束系統(tǒng)應(yīng)用的前期準(zhǔn)備

①多波束系統(tǒng)的安裝與船體坐標(biāo)系構(gòu)建。安裝時(shí)以多波束換能器桿與水面交點(diǎn)作為坐標(biāo)系參考點(diǎn)，安裝在測(cè)量船的舷側(cè)。以多波束系統(tǒng)安裝聲納頭安裝桿與海水面交點(diǎn)作為參考點(diǎn)，定義船右舷方向?yàn)閄軸正方向，船頭方向?yàn)閅軸正方向，垂直向下為Z軸正方向，量取各傳感器相對(duì)于參考點(diǎn)的位置，往返各測(cè)量一次，取其中值。②測(cè)線布設(shè)。多波束主測(cè)線順航道方向按水深3～4倍布設(shè)，要保證測(cè)量區(qū)域全覆蓋，若發(fā)現(xiàn)可疑淺點(diǎn)，應(yīng)進(jìn)行復(fù)測(cè)，準(zhǔn)確確定目標(biāo)的性質(zhì)和深度。檢查線垂直于主測(cè)線且應(yīng)達(dá)到主測(cè)線長(zhǎng)的5%。③聲速剖面測(cè)量。多波束測(cè)量不同區(qū)域海水溫差較大，測(cè)量區(qū)域內(nèi)海水溫度和鹽度均隨時(shí)間及地理位置的變化發(fā)生變化，直接導(dǎo)致不同時(shí)間、地點(diǎn)的聲速剖面差異明顯，為不影響多波束測(cè)深精度，提高邊緣波束的利用率，測(cè)量時(shí)根據(jù)當(dāng)天測(cè)量區(qū)域及時(shí)間跨度合理加密聲速剖面的測(cè)量，應(yīng)早、中、晚各測(cè)定一次聲速，詳細(xì)準(zhǔn)確記錄測(cè)量的時(shí)間、地點(diǎn)，在后處理軟件中選擇距離最近或測(cè)量時(shí)間最接近的聲速剖面進(jìn)行聲速改正。④數(shù)據(jù)采集。測(cè)量時(shí)使用RBN/DGPS差分定位系統(tǒng)進(jìn)行定位，使用HYPACK 2014軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)導(dǎo)航和航跡線定位數(shù)據(jù)的采集，采樣間隔設(shè)置為1秒；使用QINSy 8.1軟件進(jìn)行多波束水深數(shù)據(jù)的采集。⑤數(shù)據(jù)處理。采用CARIS HIPS and SIPS 6.1軟件后處理軟件對(duì)多波束原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、聲速剖面改正、潮汐改正、線模式編輯、SUBSET子區(qū)編輯，最后采用CARIS GIS 4.5a軟件按照1∶1000比例尺壓縮水深數(shù)據(jù)用于留存待用。⑥儀器檢驗(yàn)。以上所使用之儀器包括：定位設(shè)備、聲速儀、測(cè)深設(shè)備、測(cè)量船動(dòng)吃水、多波束探頭校準(zhǔn)測(cè)試均應(yīng)在測(cè)量前依技術(shù)規(guī)范進(jìn)行檢校。

4.3 海洋測(cè)量應(yīng)用

通過(guò)對(duì)港池及航道內(nèi)水域進(jìn)行掃測(cè)，測(cè)區(qū)內(nèi)主測(cè)深線與檢查線符合情況良好，共比對(duì)104個(gè)水深點(diǎn)，比對(duì)半徑圖上1.0mm以內(nèi)，比對(duì)結(jié)果符合規(guī)范要求，如下表所示：

表1 水深主檢測(cè)線比對(duì)表

主、檢測(cè)線比對(duì)結(jié)果符合測(cè)量規(guī)范要求。

對(duì)某港池內(nèi)港池航道進(jìn)行多波束全覆蓋掃測(cè)后。在內(nèi)業(yè)處理期間發(fā)現(xiàn)本次掃測(cè)范圍內(nèi)現(xiàn)疑似沉船信號(hào)。經(jīng)對(duì)2017-143、2017-146、2017-245的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析后確認(rèn)該可疑信號(hào)為沉船，通過(guò)對(duì)多波束影像判讀顯示，該沉船長(zhǎng)約40m、寬約12m，呈正座姿態(tài)沉于海底,船艏-船尾約呈155°～335°方向。多波束掃測(cè)最淺水深為3.8m，高出海底面約4.6m。

圖1 “沉船”掃測(cè)圖

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)多波束系統(tǒng)進(jìn)行闡述，進(jìn)而分別從應(yīng)用帶狀方式進(jìn)行測(cè)量、發(fā)射換能器較為先進(jìn)、保障海洋航道測(cè)量的精確、可形成直觀的數(shù)據(jù)圖四方面對(duì)多波束系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的分析，并分別從項(xiàng)目概況、多波束系統(tǒng)應(yīng)用的前期準(zhǔn)備以及海洋航道測(cè)量的應(yīng)用三方面對(duì)在海洋航道測(cè)量中的具體應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)的研究與思考。在未來(lái)的研究生活中應(yīng)進(jìn)一步對(duì)多波束系統(tǒng)在海洋航道測(cè)量中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)的研究與分析，希望本文能夠?yàn)槎嗖ㄊ到y(tǒng)在海洋航道測(cè)量中的應(yīng)用研究提供幾點(diǎn)借鑒，并為我國(guó)海洋航道的發(fā)展提供積極的推動(dòng)作用。