麻定很

（珠海市測繪院，廣東 珠海 519015）

0.引言

當(dāng)前世界各國都致力于建設(shè)各種水運(yùn)工程，包括水下鉆探、海底輸油管道、海底電纜等。在這些工程中，測量水下地形是一個基礎(chǔ)的步驟。在深水港構(gòu)建、沿海深水岸線開發(fā)時，同樣需要細(xì)致、全面、高精度的水下地形圖[1]?？梢哉f測量水下地形對于航海業(yè)以及多種行業(yè)來說都是不可或缺的一步。在這些行業(yè)的發(fā)展中，對測量水下地形的詳細(xì)性與精度也提出越來越高的要求。多波束測深系統(tǒng)的發(fā)展源頭是單頻測深系統(tǒng)，是一種分辨率高、精度高、效率高的新型測量技術(shù)。相較于單波束測深儀，其具備自動化成圖、數(shù)字化記錄、高精度、高速度、大范圍等優(yōu)勢，近年來應(yīng)用的范圍越來越廣[2]。因此，在水下地形測量中對多波束測深系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用。

對于多波束測深系統(tǒng)在水下地形測量中的應(yīng)用，國外目前整體研究已經(jīng)較為成熟，很多系列化多波束測深系統(tǒng)產(chǎn)品相繼問世，并掌握了水下地形測量中多波束測深系統(tǒng)的成熟應(yīng)用技術(shù)。目前國外應(yīng)用比較廣泛的一種方法是結(jié)合CORS的多波束測深系統(tǒng)在水下地形測量中的應(yīng)用方法。國內(nèi)對于多波束測深系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)與研究是從八十年代開始的，目前自主研發(fā)的產(chǎn)品仍然較少，對其應(yīng)用的研究也是在近幾年才取得了一定成果。有學(xué)者在研究中提出一種結(jié)合差分GPS技術(shù)的應(yīng)用方法，獲得廣泛應(yīng)用。對于目前應(yīng)用較多的這些方法，由于存在測量精度較低的問題，因此設(shè)計(jì)一種新的應(yīng)用方法。

1.設(shè)計(jì)應(yīng)用方法

1.1 準(zhǔn)備工作

在進(jìn)行測量之前，需要做好兩方面的準(zhǔn)備工作，一方面是測量技術(shù)書的編寫；另一方面是做好質(zhì)量控制措施。

測量技術(shù)書的編寫具體包括編寫以下幾方面的要求：首先是測量精度等級方面的要求。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)具體（如表1所示）：

表1 測量精度等級方面的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

定位技術(shù)方面的要求具體如下：定位誤差的范圍需要控制在相鄰兩個波束間的距離以內(nèi)。

測深技術(shù)方面的要求具體如下：需要對各個誤差源、天氣狀況、海況等提出具體要求[3]。

測線布設(shè)與覆蓋要求具體如下：需要根據(jù)測區(qū)的實(shí)際水文狀況進(jìn)行測線布設(shè)與覆蓋要求的制訂。

其中，四種等級測區(qū)的具體掃幅寬度要求具體（如圖1所示）：

圖1 四種等級測區(qū)的具體掃幅寬度

質(zhì)量控制措施具體包括在安裝設(shè)備之前，實(shí)施多波束測深系統(tǒng)的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，共進(jìn)行8h，當(dāng)精度符合要求后，自檢聲速剖面儀、光纖羅經(jīng)，確保數(shù)據(jù)均符合要求。檢驗(yàn)GPS設(shè)備，保障技術(shù)指標(biāo)均符合要求。以及審議測線布設(shè)方案等。

1.2 安裝設(shè)備

首先安裝多波束測深系統(tǒng)的探頭支架，在安裝中，固定支架使船體和支架成為一個整體，讓探頭的接收和發(fā)射位置能夠更好地反映船體姿態(tài)。盡量垂直固定探頭的支桿，使發(fā)射探頭與船中央軸線保持平行。

通過ZJCORS實(shí)施平面定位。對于未覆蓋通訊信號以及信號較為弱小的地區(qū)，對CORS臨時控制網(wǎng)進(jìn)行構(gòu)建來實(shí)施平面定位。

羅經(jīng)在安裝時在右側(cè)船艙中固定，方向朝著船艏，確保工作平臺、探頭、羅經(jīng)的姿態(tài)一致。

利用線纜將多波束測深系統(tǒng)的各部分連接成整體，包括后處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、運(yùn)動傳感器、光纖羅經(jīng)、GPS設(shè)備、處理器等[4]。

接著構(gòu)建船體坐標(biāo)系統(tǒng)，具體步驟如下：

（1）保障各種系統(tǒng)設(shè)備均與船體保持一致的搖晃；

（2）將水面與探頭支架交界中心點(diǎn)作為參考原點(diǎn)；

（3）將Z軸方向整理為垂直向上方向，將Y軸方向整理為船航行方向，將X軸方向整理為船右舷方向。量取多波束探頭、GPS天線、羅經(jīng)的具體位置（相比參考原點(diǎn)來說）。具體量取方法為來回進(jìn)行兩次量取后，取兩次測量的平均值作為最終測量值。

然后對控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，并對多波束系統(tǒng)實(shí)施安裝校準(zhǔn)。

1.3 測量水下地形

利用多波束測深系統(tǒng)對現(xiàn)場進(jìn)行測量，具體測量步驟包括:觀測水位、測量水深以及測量聲速剖面[5]。

觀測水位的具體步驟如下：每隔5km對水位觀測點(diǎn)進(jìn)行一次設(shè)置，與水文站的實(shí)際水位觀測數(shù)據(jù)相結(jié)合，利用系統(tǒng)軟件實(shí)施水位修正。采用的方法為線性多站內(nèi)插法，最終獲取水下地形點(diǎn)的對應(yīng)高程測量數(shù)據(jù)。

測量水深的具體步驟如下：首先實(shí)施測區(qū)邊界的測量，接著依據(jù)設(shè)定路線實(shí)施全覆蓋測量，并選擇適合進(jìn)行壩前校準(zhǔn)的地區(qū)測量[6]。

測量聲速剖面的具體步驟如下：（1）根據(jù)水深分色圖，將水深、聲速變化較大之處定為測量投擲點(diǎn)。對聲剖儀的實(shí)際下沉速度進(jìn)行控制，緩慢進(jìn)行其下放，避免儀器沉入淤泥中；（2）對儀器進(jìn)行回收，在計(jì)算機(jī)中拷貝測量的數(shù)據(jù)，利用聲速剖面軟件進(jìn)行編輯，在處理數(shù)據(jù)時還需要修正聲線彎曲。

1.4 解算測量數(shù)據(jù)

根據(jù)測量得到的各通道采樣的原始數(shù)據(jù)，計(jì)算聲線經(jīng)過的傳播時間與水平距離，采取迭代法對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行解算。

為對多波束數(shù)據(jù)進(jìn)行更準(zhǔn)確計(jì)算，共引入3種三維坐標(biāo)系，其中包括波浪、測船以及大地坐標(biāo)系。第一種坐標(biāo)系的示意圖具體（如圖2所示）：

圖2 補(bǔ)償器波浪坐標(biāo)系

在圖2的坐標(biāo)系中，坐標(biāo)原點(diǎn)是傳感器中心。

大地坐標(biāo)系使用的是海道測量中常用的1954。

而測船坐標(biāo)系的軸向和圖1坐標(biāo)系是一致的，只是原點(diǎn)的設(shè)置是在船的一個定點(diǎn)上，通常選擇的是船的重心處。

當(dāng)處于理想條件時，涌浪濾波器、聲基陣、GPS天線等測量設(shè)備與測量船會達(dá)到中心上的重合，但在實(shí)際情況中這種理想條件很難達(dá)成，因此首先需要修正測量數(shù)據(jù)。

在坐標(biāo)系里，設(shè)聲基陣中心往下的深度為d。根據(jù)測量獲得R橫搖值、θ預(yù)成波束角、P縱搖值等原始數(shù)據(jù)，如式（1）所示：

式（1）中，c為聲速；r為行程；Tp為聲信號實(shí)際傳播時間。

根據(jù)斯涅爾定律可得，如式（2）所示：

式（2）中，c（z）為夾角處的聲速；c0為聲線出射處，夾角處聲速對應(yīng)值；α為水平坐標(biāo)；α0為聲線出射處夾角對應(yīng)值。

對聲線經(jīng)過的傳播時間與水平距離進(jìn)行計(jì)算，如式（3）所示：

式（3）中，x0為掠射角；t為聲線經(jīng)過的傳播時間；r′為水平距離。

式（3）是關(guān)于掠射角與深度的積分式，難以直接通過時間獲得相關(guān)測量值，因此采取迭代法對其進(jìn)行解算。

對式（3）實(shí)施離散化處理：將聲速的層數(shù)設(shè)為層，傳播軌跡分別用n（z0），n（z1），…，n（z2），n（zn）來表示，則聲速剖面具體（如圖3所示）：

圖3 聲速剖面

在圖3的聲速剖面中，各層間的深度間隔分別為Δz1，Δz2，…，Δzn那么對于第i層聲速剖面來說，如式（4）所示：

式（4）中，ti為第i層聲速剖面的聲線傳播時間；ri′為第i層聲速剖面的聲線傳播水平距離。

則如式（5）所示：

通過式（5）即可進(jìn)行測量參數(shù)的解算，具體包括水位、水深以及聲速剖面的解算。

2.實(shí)際應(yīng)用

2.1 研究區(qū)域

對于設(shè)計(jì)的多波束測深系統(tǒng)在水下地形測量中的應(yīng)用方法，利用其進(jìn)行某處的實(shí)際水下地形測量。實(shí)際選取區(qū)域?yàn)槟乘娬咎?，通過該處的水下地形測量進(jìn)行水電站斷面淤積分析以及庫容量計(jì)算。該水電站的斷面布置圖具體（如圖4所示）：

圖4 水電站的斷面布置圖

2.2 實(shí)驗(yàn)多波束測深系統(tǒng)選擇

實(shí)驗(yàn)中使用的多波束測深系統(tǒng)型號為Atlas Fansweep 20，該系統(tǒng)具體構(gòu)成設(shè)備為CTD輸出顯示設(shè)備、信號控制電子柜、探測器設(shè)備、電羅經(jīng)、信號處理電子柜、工作站硬件、運(yùn)動傳感器、工作站軟件、聲速剖面儀軟件、聲速剖面儀硬件、接收換能器、發(fā)射換能器、定位系統(tǒng)等。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

對設(shè)計(jì)的多波束測深系統(tǒng)在水下地形測量中的應(yīng)用方法的性能進(jìn)行測試，具體測試項(xiàng)目為水位、水深以及聲速剖面的測量精度。為使測試結(jié)果更有說服力，選擇現(xiàn)有的兩種應(yīng)用方法作為實(shí)驗(yàn)中的對比項(xiàng)，進(jìn)行性能測試對比實(shí)驗(yàn)，豐富實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這兩種方法分別為結(jié)合CORS、結(jié)合差分GPS技術(shù)的應(yīng)用方法。深入分析3種應(yīng)用方法的性能測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果，獲取實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.4.1 水位測量精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分別對設(shè)計(jì)的多波束測深系統(tǒng)在水下地形測量中的應(yīng)用方法與結(jié)合CORS、結(jié)合差分GPS技術(shù)的多波束測深系統(tǒng)在水下地形測量中的應(yīng)用方法的水位、水深以及聲速剖面的測量精度進(jìn)行測試。首先是測試水位測量精度，利用Atlas Fansweep 20對實(shí)驗(yàn)水電站處的水位進(jìn)行測量，獲取3種方法的水位測量精度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，具體（如表2所示）：

表2 3種方法的水位測量精度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在表2中，3種方法水位測量精度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：設(shè)計(jì)多波束測深系統(tǒng)在水下地形測量中應(yīng)用方法的平均水位測量精度最高可達(dá)92.3254%，能夠達(dá)到很高的水位測量精度，整體高于結(jié)合CORS、結(jié)合差分GPS技術(shù)的多波束測深系統(tǒng)在水下地形測量中的應(yīng)用方法，實(shí)現(xiàn)了水位測量精度的提升。

2.4.2 水深測量精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

接著測試3種方法的水深測量精度，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果（如表3所示）：

表3 水深測量精度具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表3的水深測量精度具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)多波束測深系統(tǒng)，在水下地形測量中應(yīng)用方法的平均水深測量精度最高可達(dá)95.3654%，整體水深測量精度最高，實(shí)現(xiàn)了水深測量精的提升。

2.4.3 聲速剖面測量精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

最后測試3種方法的聲速剖面測量精度，所獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具體（如表4所示）：

表4 聲速剖面測量精度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4的聲速剖面測量精度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：設(shè)計(jì)的多波束測深系統(tǒng)在水下地形測量中的應(yīng)用方法的聲速剖面測量精度整體高于其他2種應(yīng)用方法。

綜上所述，設(shè)計(jì)的多波束測深系統(tǒng)在水下地形測量中的應(yīng)用方法實(shí)現(xiàn)了多方面測量精度的提升。

3.結(jié)束語

在對多波束測深系統(tǒng)在水下地形測量中的應(yīng)用方法進(jìn)行研究的過程中，通過迭代法對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，使測量結(jié)果更加精密。在研究過程中，盡管取得一定的研究成果，也存在很多疏漏，在今后的研究中，將會盡力消除這些疏漏，完善研究成果。