呂曰恒

（國家海洋技術(shù)中心 天津市 300111）

多波束測深技術(shù)的應(yīng)用試驗

呂曰恒

（國家海洋技術(shù)中心 天津市 300111）

闡述 HS—600F 多波束測深系統(tǒng)的基本組成、功能特性及其技術(shù)指標，以云南省臨滄地區(qū)瀾滄江干流段的漫灣水電站水墊塘為例，應(yīng)用該系統(tǒng)對該地水底地形地貌進行實地勘察測量，獲得了勘察測量的多項結(jié)果，為漫灣水電站水墊塘修補維護制定了有效技術(shù)方案，也顯現(xiàn)了多波束測深技術(shù)的先進性和優(yōu)越性。

勘察測繪地形地貌多波束測深系統(tǒng)

多波束測深系統(tǒng)是一種多傳感器組合的復(fù)雜的測量系統(tǒng)。自20世紀70年代問世以來，隨著近代計算機技術(shù)、高精度定位技術(shù)以及數(shù)字化電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，多波束測深系統(tǒng)也得到了相應(yīng)的迅速發(fā)展，使其功能和應(yīng)用都更加完善及增強。不但提高了工程測量的準確性，而且相對單波束測量而言，也大大提高了工作效率，改變了傳統(tǒng)單波束測量模式，把點—線測量變成線—面測量模式，這樣根據(jù)大量測量的聲回波信號數(shù)據(jù)后處理，便可獲得平面及立體的測量成果圖像，給人以更直觀的實時的所謂 3D 效果圖。因此，多波束測深系統(tǒng)已成為目前江河湖海水下工程領(lǐng)域里測量水下地形地貌的有效工具，得到了廣泛的推廣應(yīng)用，倍受人們青睞。

HS—600F 多波束測深系統(tǒng)是一款新型水下地形地貌測量新裝備，由日本古野電氣公司研發(fā)，可廣泛適用于海洋資源調(diào)查、海洋工程、水文地質(zhì)勘探、港灣工程建設(shè)、航道疏浚、海上打撈救助、水庫大壩監(jiān)測維修、水下管道路由測量以及漁業(yè)資源調(diào)查等廣泛的工程領(lǐng)域中。

1 HS—600F 多波束測深系統(tǒng)組成及工作原理

HS—600F 多波束測深系統(tǒng)的硬件主要包括：顯示器單元、換能器單元、收發(fā)器單元、系統(tǒng)處理單元四大部分。

圖1 HS—600F 多波束測深系統(tǒng)的硬件組成

圖2 HS－600F 多波束測深系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)工作過程原理是通過發(fā)射和接收120°掃測寬度的超聲波束，即可獲得近似 3.5 倍水深范圍的水底地形地貌的數(shù)據(jù)和水底反射強度數(shù)據(jù)。該發(fā)射波束朝著船左右舷 120°方向和船艏艉 1.5°方向，以扇形波束進行傳播，水底的反射回波是相交于發(fā)射波的扇形波束，并分別形成一條船艏艉方向 20°和船左右舷方向 1.5°的回波接收覆蓋范圍。系統(tǒng)通過電子掃描左右舷方向回波的信號數(shù)據(jù)，即可獲得 1.0°×1.5°高分辨率的水底回波信號，對測量數(shù)據(jù)可進行實時顯示，并記錄和保存，經(jīng)過后處理編輯得到 3D 水底地形地貌圖像，有效探測到水下目標情況。

該系統(tǒng)水底顯示模式見圖3，工作過程的交叉扇形波束原理見圖 4。

圖3 系統(tǒng)水底顯示模式

圖4 交叉扇形波束原理

2 系統(tǒng)技術(shù)指標和功能特性

HS—600F 多波束測深系統(tǒng)技術(shù)指標見表 1。該系統(tǒng)總體設(shè)計先進，功能完善，測量精度高，分辨率高，測量速度快，掃測范圍大。對測量船實時運動姿態(tài)補償，滿足IHO 測量規(guī)范要求；可提供多種在線測量模式選擇；整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊，穩(wěn)固可靠；換能器設(shè)計多樣，可滿足不同安裝條件要求；整個系統(tǒng)體積小巧，便于攜帶和運輸。另外，該系統(tǒng)可兼容第三方采集后處理專業(yè)軟件，便于滿足各類海洋水文勘察工程需要，顯現(xiàn)出系統(tǒng)更完善的適應(yīng)性和靈活性。

3 實例應(yīng)用與分析

2010年1月至3月，應(yīng)用 HS—600F 多波束測深系統(tǒng)，在云南省臨滄地區(qū)瀾滄江干流段的漫灣水電站水墊塘進行了該地水底地形地貌的實地勘察測量，見圖 5—圖 6。

表1 HS—600F 多波束測深系統(tǒng)主要技術(shù)指標表

圖5 漫灣電廠水墊塘

漫灣水電站建于1995年，至今已運行達 15之久，是個百萬千瓦級的大型水力發(fā)電站，對西南地區(qū)建設(shè)和人民生活至關(guān)重要。漫灣電廠水墊塘池是建站初期在大壩下游中的自然河道，以人工澆筑而成的一個水泥底板地形的塘池。由于長年泄洪沖刷以及后期對塘池水下的修補澆筑維護，造成水墊塘底板出現(xiàn)各種形態(tài)的不規(guī)則的沖刷陷坑和澆筑造成的不規(guī)則的水泥塊體突起，如此惡劣的地理環(huán)境狀況，長期必將影響水電站的安全運行。

圖6 水墊塘水上交叉作業(yè)現(xiàn)場

因此，為了確切了解水墊塘底板的地形地貌情況，對其進行實地勘察測量，以便制定有效的水墊塘底板修補的技術(shù)方案，確保大壩安全，有力保障水電站的正常運行是十分必要的。

2010年1月至3月，北京麥格美科科技公司和云南浩蘭水下工程公司聯(lián)合對漫灣水電站水墊塘進行了該地的水下地形地貌勘察測量。應(yīng)用主機為 HS—600F 多波束測深系統(tǒng)，配備輔助設(shè)備有聲速儀，星站差分 GPS，三維姿態(tài)儀，GPS 羅經(jīng)，筆記本電腦以及數(shù)據(jù)后處理 HyPack 軟件和Cass 軟件。經(jīng)過全面綜合的實地勘察，最后獲得了滿意的測量結(jié)果：即漫灣水電站水墊塘水下地形 1∶500 地形圖測繪，總面積達 24 029 m2；原始點位數(shù)據(jù)文件約 350 萬個點位信息；后處理點位數(shù)據(jù)文件約 75 萬個點位信息；橫縱剖面分布圖 24 幅（見圖 7 ）； 1∶500 水下平面圖 1 幅（見圖 8 ）；三維彩色地形圖 2 幅（見圖 9 ）。

圖7 橫縱剖面線分布示意圖

圖8 水墊塘等深地形平面示意圖

圖9 水墊塘水下三維彩色地形示意圖

根據(jù)以上勘察結(jié)果，為制定漫灣水電站水墊塘底板修補和清淤維護方案提供了有力依據(jù)。

4 結(jié)語

實驗證明了整個實地的水下勘察測量工程的技術(shù)路線設(shè)計正確，工作程序科學合理，勘察過程嚴謹，數(shù)據(jù)真實可靠。所選用的 HS—600F 多波束測深系統(tǒng)性能良好，功能完備，操作方便，安全可靠，是一款先進的水下工程地形地貌測繪的高效技術(shù)裝備。為漫灣水電站水墊塘底板修補和清淤維護提供了有力的技術(shù)支持。

2010年4月23日