多波束傾斜安裝在淺水區(qū)域中的測量應(yīng)用

周 林，任 皓，付 棟

（中國電建集團(tuán)港航建設(shè)有限公司，天津 300467）

引言

近年來，隨著國內(nèi)外經(jīng)濟(jì)實(shí)力的飛速增長，不僅帶動(dòng)了世界航運(yùn)事業(yè)的發(fā)展，同時(shí)促進(jìn)了大江大河治理和沿海港口的興建和擴(kuò)建，多波束測量技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。普遍意義上的多波束測量主要在水深大于3 m 的區(qū)域進(jìn)行，當(dāng)測量區(qū)域水深小于3 m 時(shí)，常規(guī)的多波束測量方法很難在淺水區(qū)域測得有效數(shù)據(jù)，多波束探頭傾斜安裝可以在很大程度上解決這一難題，使淺水區(qū)域可被多波束測量覆蓋，并提升了船舶測量設(shè)備的安全。

本文以孟加拉帕德瑪大橋河道整治項(xiàng)目為依托，探討多波束傾斜安裝在淺水區(qū)域測量中應(yīng)用。

1 多波束傾斜安裝系統(tǒng)組成

多波束設(shè)備在國內(nèi)外應(yīng)用比較廣泛，其主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 多波束技術(shù)設(shè)備的技術(shù)參數(shù)

運(yùn)動(dòng)傳感器（光纖羅經(jīng)）更適宜于本項(xiàng)目運(yùn)用小型測量船進(jìn)行淺水區(qū)域多波束測量，具有精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)。其主要技術(shù)指標(biāo)如表2 所示。

表2 技術(shù)指標(biāo)

定位設(shè)備水平精度為8 mm+1 ppm RMS，垂直精度為15 mm+1 ppm RMS。

聲速剖面儀量程為1 400-1 600 m/s，測量精度為±0.05 m/s。

多波束傾斜安裝架的設(shè)計(jì)使用可以更大程度的在水深小于3 m 的測量區(qū)域進(jìn)行多波束測量。綜合考慮多波束數(shù)據(jù)質(zhì)量和船型結(jié)構(gòu)，將傾斜安裝架的傾角設(shè)計(jì)為20°，配合多波束自身的旋轉(zhuǎn)測量功能，可以保證測量船在安全水深區(qū)域測到水深小于3 m 的淺水區(qū)域。傾斜安裝架設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 傾斜安裝架示意圖

傾斜安裝架的位置量取基點(diǎn)為法蘭盤中心，通過精確量取，測得基點(diǎn)與多波束探頭聲學(xué)中心的相對位置關(guān)系如表3。

表3 相對位置關(guān)系

2 設(shè)備安裝校準(zhǔn)

2.1 測量設(shè)備安裝及相對位置關(guān)系量取

本項(xiàng)目所用測量船為英國獵豹公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的玻璃鋼材質(zhì)雙體測量船，具備船體輕巧、易操作、抗風(fēng)浪能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可以在各種復(fù)雜水文條件下開展測量任務(wù)。

多波束換能器安裝池（月池）位于船體中心偏后（后甲板）的位置，定位設(shè)備GPS 安裝于月池中心的正上方，運(yùn)動(dòng)傳感器（光纖羅經(jīng)）安裝于船艙內(nèi)部船體中軸線上。

各測量設(shè)備在相應(yīng)位置安裝完畢后，需進(jìn)行精確的相對位置關(guān)系量取，量取方法包括全站儀測量、人工多次量取取平均值的方法。全站儀測量方法為分別在測量船的左右舷自由架站，然后測出各設(shè)備的坐標(biāo)，從而計(jì)算出各設(shè)備間的相對位置關(guān)系；另一方面，以人工多次量取取平均值的方法進(jìn)行量測。

將用兩種不同方法測算出的數(shù)值進(jìn)行比對，取平均值，最終得出各設(shè)備間的相對位置關(guān)系，本次相對位置關(guān)系量取的坐標(biāo)原點(diǎn)為運(yùn)動(dòng)傳感器(Octans)中心。如表4 所示。

表4 各設(shè)備的相對位置關(guān)系

2.2 多波束安裝校準(zhǔn)測試

多波束安裝校準(zhǔn)測試是進(jìn)行多波束測量的重要前提，其目的是校正多波束換能器與運(yùn)動(dòng)傳感器之間的系統(tǒng)偏移，偏移量最終體現(xiàn)在橫搖（Roll）、縱搖（Pitch）、朝向（Yaw）三個(gè)數(shù)值上。

對于多波束安裝校準(zhǔn)，應(yīng)遵循以下航行模式：

橫搖（Roll）：以相同的速度在平坦區(qū)域上進(jìn)行往返線測量（兩條測線數(shù)據(jù)彼此重疊）

縱搖（Pitch）：以相同速度在斜坡（或非平坦）區(qū)域進(jìn)行往返線測量（兩條測線數(shù)據(jù)彼此重疊）

朝向（Yaw）：以相同速度在斜坡（或非平坦）區(qū)域進(jìn)行兩條平行線測量并且航向需要一致（兩條測線數(shù)據(jù)需要至少一半數(shù)據(jù)重疊）

運(yùn)用以上方式采集的多波束測量數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，得到最終校準(zhǔn)值，如下表所示：

表5 多波束安裝校準(zhǔn)結(jié)果

3 多波束傾斜安裝測試

該項(xiàng)目所在孟加拉帕德瑪河全年河流水位變化較大，水位高程基準(zhǔn)為BangladeshPublicWorks Datum(簡稱PWD)，雨季水位可達(dá)6.0 m（PWD），干季水位約為1.0 m（PWD）。雨季高水位期進(jìn)行淺水區(qū)域的多波束測量相對容易，測量數(shù)據(jù)可以滿足施工需求；干季水位較低期的淺水區(qū)域多波束測量很難進(jìn)行，多波束換能器的傾斜安裝可以很大程度解決這一難題。項(xiàng)目設(shè)計(jì)疏浚邊坡坡比為1:6，測試在干季低水位期，高程為1.0 m（PWD）時(shí)進(jìn)行。

首先運(yùn)用常規(guī)多波束安裝方式，即多波束換能器朝船體正下方，測量區(qū)域選擇在施工區(qū)某段的-2.4 m（PWD）平臺處進(jìn)行，沿平臺內(nèi)側(cè)邊緣平行于河岸布設(shè)測線。

結(jié)合本項(xiàng)目實(shí)際，經(jīng)過長時(shí)間多次測試，通過不斷調(diào)整多波束控制軟件的各項(xiàng)參數(shù)，總結(jié)出了一套分別在多波束普通安裝方式和傾斜安裝方式下的最佳參數(shù)，通過本套參數(shù)測得的數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，可以為項(xiàng)目在淺水區(qū)域施工提供可靠的數(shù)據(jù)支持，具體參數(shù)設(shè)置如表6 所示。

表6 不同安裝方式的最佳參數(shù)

將所測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得知，以普通安裝方式進(jìn)行的多波束測量最淺可以測到-1.0 m（PWD）高程，如圖2 所示；運(yùn)用多波束傾斜安裝的方式，在同一區(qū)域的相同測線上進(jìn)行測量，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得知最淺可以測到0.0 m（PWD）高程，如圖3 所示。

圖2 普通安裝方式測量范圍

圖3 傾斜安裝測量范圍

4 結(jié)語

目前多波束傾斜安裝技術(shù)已應(yīng)用在孟加拉帕德瑪大橋河道整治項(xiàng)目中，通過不斷積累測量過程中的各種經(jīng)驗(yàn)，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)非常完善。

隨著水下工程施工技術(shù)水平的不斷提高，施工工藝日趨復(fù)雜，對施工精度的要求也逐漸增高，多波束傾斜安裝的應(yīng)用可以很大程度上解決淺水區(qū)域水下施工的測量問題，使多波束測量技術(shù)的應(yīng)用變得更加全面，可以為各類復(fù)雜水文條件下的施工提供可靠數(shù)據(jù)支持。