邱安琪

福建省港航管理局勘測(cè)中心，福建 福州 35009

在水運(yùn)工程建設(shè)中，水下障礙物的探測(cè)是常遇到的問(wèn)題。當(dāng)前水下障礙物探測(cè)常用的方法有：水下探摸、側(cè)掃聲吶、水下機(jī)器人攝影、水下三維聲吶和多波束測(cè)深系統(tǒng)等。其中,多波束測(cè)深系統(tǒng)以其高精度高效率的特點(diǎn)在水下地形測(cè)繪、水下施工檢測(cè)及港口工程驗(yàn)收中得到廣泛的應(yīng)用。本文對(duì)上述幾種探測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，結(jié)合工作實(shí)踐著重探討多波束測(cè)深系統(tǒng)在水下障礙物探測(cè)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

1 水下障礙物探測(cè)方法

1.1 水下探摸

通過(guò)潛水員借助輔助設(shè)備對(duì)水下障礙物進(jìn)行摸排。此方法簡(jiǎn)單易行，但效率低、可靠度不高，作業(yè)環(huán)境受流速、水下壓強(qiáng)、水底能見(jiàn)度影響較大，人身安全難以保障。

1.2 側(cè)掃聲吶

通過(guò)換能器陣將水底的回波放大處理和記錄并轉(zhuǎn)換成聲學(xué)圖像顯示在電腦上。其特點(diǎn)是快速識(shí)別回波信號(hào)的強(qiáng)弱，通過(guò)不同明暗灰度表示水底地形地貌的形態(tài)特征。此方法成像清晰，探測(cè)效率高。缺點(diǎn)是側(cè)掃聲吶一般借助托體，采用船尾拖拽的方式進(jìn)行掃測(cè)，易產(chǎn)生定位傳遞誤差，且目前針對(duì)托體在水中姿態(tài)和航向數(shù)據(jù)的改正技術(shù)并不成熟，難以獲得高精度定位和深度信息。

1.3 水下機(jī)器人攝影

利用水下潛器ROV 搭載高清攝像機(jī)和機(jī)械手等工具對(duì)水下目標(biāo)物進(jìn)行測(cè)量。此方法有效降低人員水上作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，數(shù)據(jù)直觀。缺點(diǎn)是相機(jī)在濁度大的渾水中影像模糊不清，ROV 在起伏較大和水生物多的水底行進(jìn)困難。

1.4 水下三維成像聲吶

通過(guò)發(fā)射超高頻率的扇形波束，接收目標(biāo)物的反射信號(hào)后，運(yùn)用波束形成、指向、振幅及相位檢測(cè)等技術(shù)，檢測(cè)目標(biāo)物不同部位的位置信息，生成三維全景圖像［1］。此方法能精細(xì)探測(cè)水下目標(biāo)物的相對(duì)空間位置，對(duì)細(xì)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性、定量分析。缺點(diǎn)是三維聲吶需在相對(duì)靜止且近距離條件下才能保證采集數(shù)據(jù)完整度和精細(xì)度。聲吶頭一般采用水底架設(shè)三腳架方式安置，測(cè)量范圍大時(shí)需多次設(shè)站，對(duì)水流和水底平坦度要求高。

1.5 多波束測(cè)深系統(tǒng)

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［2］。該系統(tǒng)集成了高精度的定位傳感器、姿態(tài)傳感器和高分辨率的聲吶探頭，可實(shí)現(xiàn)全覆蓋高精度高效率的水下掃測(cè)工作。

2 應(yīng)用實(shí)例

項(xiàng)目位于福建省泉州市某大橋附近水域。橋長(zhǎng)9.46km，橋面寬33m，設(shè)計(jì)通航標(biāo)準(zhǔn)為2000t 級(jí)船舶，通航凈寬為180m。目前該橋主體結(jié)構(gòu)基本完成，施工棧橋已拆除。本次測(cè)量的目的是檢驗(yàn)施工棧橋的拆除效果，探明未清除完全管樁的具體位置、深度及數(shù)量，為后續(xù)的清障工作提供基礎(chǔ)資料。

2.1 項(xiàng)目難點(diǎn)

⑴ 在橋區(qū)探測(cè)時(shí)衛(wèi)星信號(hào)易受遮擋造成定位失鎖。多波束配備的POS MV 慣導(dǎo)系統(tǒng)內(nèi)置陀螺儀和加速度計(jì)結(jié)合2 臺(tái)GNSS 接收機(jī)，可在衛(wèi)星信號(hào)接收不連續(xù)或多路徑效應(yīng)的情況下提供連續(xù)精確的位置和方向數(shù)據(jù)。橋區(qū)附近水流復(fù)雜，側(cè)掃聲納船尾拖拽方式作業(yè)有一定安全風(fēng)險(xiǎn)，而多波束測(cè)深系統(tǒng)與其相比具有定位精度高，掃測(cè)靈活的優(yōu)勢(shì)。

⑵ 這些障礙物在水底分布零散，數(shù)量和概位均不確定，若采用水下三維聲吶進(jìn)行探測(cè)，水底平整度未可知，水底設(shè)站難度較大，且需多次設(shè)站，效率低下。而多波束測(cè)深系統(tǒng)采用走航式遠(yuǎn)距離條帶測(cè)量，輕松實(shí)現(xiàn)快速全覆蓋無(wú)遺漏探測(cè)。

2.2 掃測(cè)外業(yè)實(shí)施

本次掃測(cè)采用SeaBat T50-P 多波束測(cè)深系統(tǒng)。該系統(tǒng)由頻率為190～420kHz 線性調(diào)頻聲吶探頭、SVP-70 表面聲速剖面儀、T50-P 處理器主機(jī)，采集計(jì)算機(jī)及顯示器、HY1200 聲速剖面儀和POS MV慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)測(cè)深分辨率為6mm，水平定位均方差約為0.03m。系統(tǒng)采用側(cè)舷安裝方式，外業(yè)實(shí)施過(guò)程要點(diǎn)如下：

（1）換能器桿吃水不宜過(guò)深，其固定點(diǎn)前、后、過(guò)底三個(gè)方向的鋼纜在掃測(cè)中必須保持拉緊狀態(tài)，以防換能器桿在船速較大時(shí)受水流作用出現(xiàn)抖動(dòng)，導(dǎo)致邊緣波束發(fā)散；

（2）POS MV 本身有固定的指向，其主輔GNSS 天線的接線口要朝向相同的方向，且盡量在同一水平高度，才能獲得準(zhǔn)確的姿態(tài)信息；

（3）測(cè)前須將表面聲剖和HY1200 聲速儀測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行互比驗(yàn)證，確保用于波束導(dǎo)向的聲速值準(zhǔn)確可靠，再進(jìn)行系統(tǒng)的校準(zhǔn)包括（橫搖、縱搖、艏搖偏差）；

（4）掃測(cè)采用等距工作模式，使水深數(shù)據(jù)密度均勻，按預(yù)布設(shè)測(cè)線行進(jìn)，船速控制在3～4 節(jié)，根據(jù)實(shí)時(shí)情況調(diào)整波束角、功率、脈沖等參數(shù)，數(shù)據(jù)覆蓋重疊度＞100%，保證數(shù)據(jù)的精度和密度。

2.3 成果分析

外業(yè)完成后，進(jìn)行Caris 數(shù)據(jù)后處理，提取數(shù)據(jù)建立水下三維模型，對(duì)水下特征地形進(jìn)行細(xì)化處理，將這些特征地物標(biāo)記并量測(cè)其坐標(biāo)信息、深度、長(zhǎng)度。本次探測(cè)共發(fā)現(xiàn)主橋墩臺(tái)附近存在15 根未清除完全的管樁（其中管樁4#高出泥面達(dá)4.3m）和1 個(gè)橫倒鋼筋籠（直徑2.3m）。管樁的形態(tài)和數(shù)量在點(diǎn)云圖上清晰可見(jiàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

多波束測(cè)深系統(tǒng)通過(guò)全覆蓋高效率的掃測(cè)能夠快速準(zhǔn)確地獲取水下障礙物的位置和深度信息，并提供高精度的水下地形數(shù)據(jù)。隨著科技不斷發(fā)展，對(duì)多波束關(guān)于反向散射強(qiáng)度的深入研究和多探頭集成技術(shù)的不斷研發(fā)，將為多波束在水運(yùn)工程中的應(yīng)用提供更廣闊的空間。