多波束測(cè)深系統(tǒng)在現(xiàn)代海洋測(cè)繪中的應(yīng)用研究

紀(jì)君平

摘 要：隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，測(cè)量技術(shù)也在不斷提升進(jìn)步，日益現(xiàn)代化。多波束具有較高的分辨率和全覆蓋、高效率等優(yōu)勢(shì)，使其在航道維護(hù)、工程施工、水下目標(biāo)探測(cè)等方面中得以廣泛應(yīng)用。文章以現(xiàn)代海洋測(cè)繪中多波束系統(tǒng)的運(yùn)用為基礎(chǔ)，結(jié)合具體事例分析了多波束測(cè)深系統(tǒng)在現(xiàn)代海洋測(cè)繪中發(fā)揮的作用及其優(yōu)勢(shì)，對(duì)多波束系統(tǒng)做了簡(jiǎn)要介紹，對(duì)其在現(xiàn)代海洋測(cè)繪中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的分析與闡述。

關(guān)鍵詞：多波束測(cè)深系統(tǒng)；現(xiàn)代海洋測(cè)繪；應(yīng)用；研究

中圖分類號(hào)：U652 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）19-0178-02

Abstract： With the progress and development of science and technology， measurement technology is also constantly improving progress and increasingly modernized. Multi-beam has the advantages of high resolution， full coverage and high efficiency， so it is widely used in channel maintenance， engineering construction， underwater target detection and so on. Based on the application of multi-beam system in modern marine surveying and mapping， with specific examples， this paper analyzes the role and advantages of multi-beam bathymetric system in modern marine surveying and mapping， and briefly introduces the multi-beam system. Its application in modern marine surveying and mapping is analyzed and expounded in detail.

Keywords： multi-beam bathymetric system； modern marine surveying and mapping； application； research

引言

由于海洋有其流速多變、水位影響因素較多、海底地形復(fù)雜、各種情況相互交叉影響等特點(diǎn)，使得海洋測(cè)繪面臨較為復(fù)雜的情況。在現(xiàn)代海洋應(yīng)急的情況下，快速、準(zhǔn)確確定事故的位置和狀態(tài)，對(duì)及時(shí)正確地作出應(yīng)急反饋尤為重要。

現(xiàn)代海洋測(cè)繪的準(zhǔn)確與否，直接關(guān)系著海洋緊急情況應(yīng)急措施實(shí)施是否順利進(jìn)行。隨著測(cè)量技術(shù)的飛速發(fā)展和新設(shè)備的陸續(xù)運(yùn)用，海洋測(cè)繪方法也發(fā)生了較大變化?，F(xiàn)今，多波束系統(tǒng)在海洋測(cè)繪中得以廣泛應(yīng)用，并在海洋緊急情況應(yīng)急措施實(shí)施中發(fā)揮重要作用。本文結(jié)合多波束測(cè)深系統(tǒng)在海洋測(cè)繪中的運(yùn)用實(shí)例，淺談多波束測(cè)深系統(tǒng)在海洋測(cè)繪中發(fā)揮的作用。

1 多波束測(cè)深系統(tǒng)技術(shù)原理

多波束測(cè)深系統(tǒng)的工作原理是利用發(fā)射換能器陣列向海底發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波，利用接收換能器陣列對(duì)聲波進(jìn)行窄波束接收，通過(guò)發(fā)射、接收扇區(qū)指向的正交性形成對(duì)海底地形的照射腳印，對(duì)這些腳印進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚?，一次探測(cè)就能給出與航向垂直的垂面內(nèi)上百個(gè)甚至更多的海底被測(cè)點(diǎn)的水深值，從而能夠精確、快速地測(cè)出沿航線一定寬度內(nèi)水下目標(biāo)的大小、形狀和高低變化，比較可靠地描繪出海底地形的三維特征。多波束測(cè)深系統(tǒng)海洋測(cè)繪如圖1所示。

2 多波束測(cè)試概況

2018年6月，應(yīng)該單位的邀請(qǐng)，海卓MS200淺水多波束測(cè)深儀制造商對(duì)海上游航道的適用性進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)演示測(cè)試。多波束探測(cè)系統(tǒng)的工作原理是利用水下聲納單元發(fā)射和接收脈沖聲波。聲波被河床或水下物體反射，有些被探頭接收。水深可以從聲波在水中傳播的時(shí)間和聲速來(lái)計(jì)算。該系統(tǒng)由高分辨率聲納系統(tǒng)，聲速探測(cè)器，水下聲納傳感器和完整的數(shù)據(jù)采集軟件包PDS2000組成。

400kHz聲納傳感器可同時(shí)采集512個(gè)水深信號(hào)；最大發(fā)射開口角度為165°；ping速率為50Hz（±1Hz）。因此，它對(duì)水下地形的測(cè)量是在一個(gè)完整的覆蓋范圍內(nèi)進(jìn)行的，它測(cè)量的水下地形是一個(gè)面。多波束探測(cè)系統(tǒng)由四部分組成：基本系統(tǒng)，輔助設(shè)備，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和處理系統(tǒng)PDS200以及數(shù)據(jù)后處理軟件包。針對(duì)某海洋上游航道的特殊性和運(yùn)行要求，結(jié)合多波束探測(cè)的性能和特點(diǎn)，論證主要集中在以下三個(gè)方面：

（1）任意角度傾斜測(cè)量——采用傾斜測(cè)量的方式對(duì)水下淺灘或建筑物進(jìn)行測(cè)量，重點(diǎn)測(cè)試多波束的任意角度傾斜測(cè)量功能的可靠性和測(cè)量效果的一致性。

（2）航道水深測(cè)量——針對(duì)某海洋航道日常測(cè)量作業(yè)要求，考察多波束的測(cè)深功能和側(cè)掃功能，重點(diǎn)測(cè)試多波束免安裝校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)拼接和測(cè)量效果。多波束測(cè)深系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集如圖2所示。

（3）航道障礙物掃測(cè)——對(duì)水下沉船或其他礙航物進(jìn)行掃測(cè)，重點(diǎn)考察多波束的水下目標(biāo)物的探測(cè)功能及分辨率。

3 測(cè)量實(shí)施

3.1 系統(tǒng)組成

本次測(cè)量采用了海卓MS200淺水型多波束測(cè)深系統(tǒng)，與其他多波束測(cè)深相比，其最大的特點(diǎn)是采用了一體化設(shè)計(jì)，水下聲納換能器集成了光纖羅經(jīng)姿態(tài)傳感器、表面聲速儀，水上處理單元集成了GNSS定位系統(tǒng)，使得整個(gè)系統(tǒng)僅有換能器電纜、GNSS天線饋線、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)線和電源線等四條連線，使設(shè)備的連接使用大大簡(jiǎn)化。多波束測(cè)深系統(tǒng)全覆蓋工作原理如圖3所示。

3.2 傾斜測(cè)量

崖壁地形、水下建筑物等原有測(cè)量盲區(qū)安全測(cè)量利用海卓MS200的任意角度傾斜安裝功能，在不進(jìn)行任何安裝校準(zhǔn)的情況下，能夠有效對(duì)水下崖壁進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)量。在傾斜測(cè)量過(guò)程中，可以使測(cè)量船遠(yuǎn)離水下礁石、建筑物等，從而有效保障測(cè)量安全。

3.3 沉船掃測(cè)

海卓MS200地形測(cè)量具有高分辨、高精度和高精細(xì)度的特點(diǎn)，可以對(duì)沉船在水底位置、形態(tài)進(jìn)行精細(xì)測(cè)量。依次為沉船的平面彩圖、三維模型圖和三維點(diǎn)云圖，從多個(gè)角度分別給出了沉船的位置、沉船的三維形態(tài)分布。海卓MS200采集軟件中，可以對(duì)沉船的大小、高度等信息進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，為后續(xù)的沉船清理工作提供數(shù)據(jù)支撐。

3.4 礁石掃測(cè)

通過(guò)三維地形圖，可以清晰的分辨水底的礁石等其他目標(biāo)物。航道邊坡附近的大塊礁石和邊緣的小尺寸礁石的分布、大小等特征信息都可以清晰的顯示。除利用測(cè)深功能獲得的水下地形外，還可以根據(jù)海卓MS200側(cè)掃成像功能輸出的側(cè)掃圖像判別水底目標(biāo)。

3.5 水下目標(biāo)物掃測(cè)小結(jié)

海卓MS200多波束測(cè)深系統(tǒng)可以對(duì)航道和邊坡進(jìn)行精細(xì)化的地形測(cè)量和清晰的側(cè)掃圖像測(cè)量功能。通過(guò)以上功能，可以對(duì)水下沉船、礁石等礙航物進(jìn)行掃測(cè)，也可以對(duì)丁壩等水下建筑物的損毀情況進(jìn)行精細(xì)的調(diào)查；水下目標(biāo)物掃測(cè)功能為礙航物的清理、水下建筑物的維護(hù)決策提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

3.6 測(cè)量數(shù)據(jù)融合

由于海卓MS200多波束系統(tǒng)內(nèi)置高精度光纖慣導(dǎo)且具備免安裝校準(zhǔn)功能，有效保證不同模式下的測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)高吻合度拼接，使得傾斜安裝測(cè)量的航道兩岸邊坡數(shù)據(jù)和水平安裝測(cè)量的航道數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行無(wú)縫數(shù)據(jù)融合。

4 測(cè)試結(jié)論

通過(guò)此次針對(duì)海卓MS200的三個(gè)主要測(cè)試項(xiàng)目的過(guò)程和測(cè)量成果的分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）利用傾斜安裝測(cè)量方式能夠解決傳統(tǒng)多波束測(cè)量盲區(qū)的問(wèn)題。針對(duì)某海洋航道，傳統(tǒng)多波束測(cè)量的盲區(qū)主要集中在對(duì)崖壁地形、水下建筑物、淺灘、邊坡和淺水航道的低效測(cè)量。

（2）完全免安裝校準(zhǔn)功能能夠有效減輕多波束測(cè)量的工作量。通過(guò)傾斜測(cè)量和常規(guī)模式測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理和拼接可以證明，采用一體化設(shè)計(jì)的海卓MS200多波束測(cè)深系統(tǒng)在免安裝校準(zhǔn)情況下的測(cè)量結(jié)果能夠達(dá)到某海洋航道水下測(cè)量的要求。

（3）地形和地貌同時(shí)測(cè)量能夠有效提高各種水下目標(biāo)物的檢測(cè)和判斷。通過(guò)測(cè)試過(guò)程可以證明，利用多波束進(jìn)行水下地形測(cè)量以及水下目標(biāo)物探測(cè)的過(guò)程中，將側(cè)掃圖像與三維點(diǎn)云圖像相結(jié)合能夠?qū)λ鲁链⒔甘鹊K航物進(jìn)行掃測(cè)，對(duì)各類水下建筑物的損毀情況進(jìn)行精細(xì)的調(diào)查。

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