多波束测深系统在内河航道测量中的运用.doc

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多波束测深系统在内河航道测量中的运用
多波束测深系统在内河航道测量中的运用

摘要：在三角碛河段卵石沙波运动观测中，用SEABAT8101多波束测深系统对一段航道试验段做了2次重复水深测量，目的是研究在短时间内河床卵石沙波微小变化。讨论了多波束系统的安装校准及质量控制问题；分析了测量中的主要误差源。通过对测量结果的分析表明，多波束测量的水深数据在反映水下微地形和分析局部沉积物运移趋势中，具有传统单波束测深不可比拟的优势。

关键词：多波束水下扫描误差来源
多波束测深系统简介
多波束测深是水声技术、计算机技术、导航定位技术和数字化传感器技术等多种技术的高度集成，最常使用在海洋环境中，多波束测深系统打破了传统单波束以点为基础的离散式的作业模式，而代之以空间面为基础的立体式作业模式，实现了立体测图、智能处理以及自动化成图。其工作原理是通过换能器阵进行声波广角度定向发射、接收，运用各种传感器（卫星定位系统、运动传感器、电罗经、声速剖面仪等）对各个波束测点的空间位置进行归算，从而获取与航向垂直的条带式高密度水深数据。
与传统的单波束测深技术相比较，多波束测深系统优势明显。①多波束系统采用了全覆盖的测量方式，采集的数据全面，能真实的反映河床地形；②多波束系统同步记录船体姿态信息，起伏、纵摇、横摇、航向等，由后处理软件对测量结果进行校正，使测量结果受外界不利因素影响减小到最低限度；③多波束系统后处理软件功能强大，能对测量资料进行多种成图处理，可生成等值线图、三维立体图、彩色图像、剖面图等，同时还能对同一测区不同测次进行比较以及土方计算等，极大地提高了工作效率；④多波束系统应用的采集软件具有实时成像功能，可以直观地看到水下的地形起伏，以及护岸工程的效果，便于指挥决策和重点监测，利用软件的回放功能，不仅在现场而且在室内也能演示；⑤多波束系统通过后处理软件可以绘制任意比例尺水下图形图，可以满足高精度的水利工程测量要求。
与常规多波束系统不同，SEABAT8101采用特殊的波束形成方法，即在发射和接收时，系统均产生完全经过横摇校正的波束，此项技术被称为旋转定向发射（RDT），其优点为：在发射和接收时无论在沿航迹方向还是垂直航迹方向均可以获得极好的指向性，换能器小但声源级高、系统的安装应用非常方便灵活、旁瓣抑制好于36dB、错误率低。而常规多波束在发射脉冲时将声波照射到某一区域，仅在接收时产生波束形成。
多波束系统的安装
SEABAT8101系统由GPS导航定位系统、多波束换能器（探头）、光纤罗经和运动传感器、声速剖面仪、水深数据采集处理器、数据处理计算机和处理软件构成。各部分之间通过专用数据线连接，固定安装在测量船上。结合我院现有设备安装如下：SEABAT8101多波束测深系统一套，安装于“渝工测201”上，考虑到测量船的大小（26*6m）和结构以及测量环境（内河），换能器采用船舷（右舷）固定安装并可拆卸。安装时要注意固定好，为避免换能器产生抖动、下沉，换能器与测量船用一根3m长φ200*5mm不锈钢钢管连接。OCTANS（光纤罗经和运动传感）器固定安装于船体重心位置并尽可能与水面平行；同时考虑到运动传感器的方向性，其罩壳上的指示方向与船艏方向一致。DGPS接收机天线应安装在船舶高处（低于避雷针），视场内障碍物的高度角不能超过10°；尽可能远离船舶主桅杆；尽量远离大功率的无线电发射信号源（如雷达、高频电话天线等）；天线安装要稳固，避免船舶姿态变化使其产生位移；天线位置应选择远离船体大型金属物体结构，距甲板高度为6.2m，尽可能减少信号多路径效应。
多波束系统的参数校正应在水下扫测之前或扫测结束后立即开展，以保证系统校正与扫测时多波束系统各仪器状态一致。多波束系统校正计算应在校正操作现场完成并做好校正参数记录，多波束系统校正方法及要求见下表。
实例工程运用：三角碛河段卵石沙波运动观测
1、项目背景
在三角碛水域选取两块面积为0.25平方公里的区域（南面，北面各一块），在一天时间内各测量两次（时间间隔在5～6小时），利用多波束的高密度点来反应卵石沙波的微小运动。
2、技术实施
仪器选用：该系统导航定位采用TrimbleR8型GPS，利用其实时载波相位差分技术进行GPS导航定位。导航软件采用PDS2000。水下地形施测前应选取岸上至少一个D级GPS平面控制点对DGPS定位精度进行检验，达到精度要求方可用于水下定位测量，DGPS参考站架设引据控制点一般不应低于五等平面精度。
多波速系统的参数校正。
声速剖面测量：声速剖面测量采用SVPlusV2型声速剖面仪，量测扫测区域水表面至河床底（最大水深）的温度和声速，形成声速文件。
测线布设：主测线宜平行于等深线总方向或岸线，检查线垂直于主测线方向且均匀布设，在重要航行地区，测线间