邱安琪

福建省港航管理局勘測中心，福建 福州 35009

在水運工程建設中，水下障礙物的探測是常遇到的問題。當前水下障礙物探測常用的方法有：水下探摸、側(cè)掃聲吶、水下機器人攝影、水下三維聲吶和多波束測深系統(tǒng)等。其中,多波束測深系統(tǒng)以其高精度高效率的特點在水下地形測繪、水下施工檢測及港口工程驗收中得到廣泛的應用。本文對上述幾種探測方法的優(yōu)缺點進行分析，結(jié)合工作實踐著重探討多波束測深系統(tǒng)在水下障礙物探測中的應用優(yōu)勢。

1 水下障礙物探測方法

1.1 水下探摸

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

1.2 側(cè)掃聲吶

通過換能器陣將水底的回波放大處理和記錄并轉(zhuǎn)換成聲學圖像顯示在電腦上。其特點是快速識別回波信號的強弱，通過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，探測效率高。缺點是側(cè)掃聲吶一般借助托體，采用船尾拖拽的方式進行掃測，易產(chǎn)生定位傳遞誤差，且目前針對托體在水中姿態(tài)和航向數(shù)據(jù)的改正技術并不成熟，難以獲得高精度定位和深度信息。

1.3 水下機器人攝影

利用水下潛器ROV 搭載高清攝像機和機械手等工具對水下目標物進行測量。此方法有效降低人員水上作業(yè)風險，數(shù)據(jù)直觀。缺點是相機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困難。

1.4 水下三維成像聲吶

通過發(fā)射超高頻率的扇形波束，接收目標物的反射信號后，運用波束形成、指向、振幅及相位檢測等技術，檢測目標物不同部位的位置信息，生成三維全景圖像［1］。此方法能精細探測水下目標物的相對空間位置，對細部結(jié)構(gòu)進行定性、定量分析。缺點是三維聲吶需在相對靜止且近距離條件下才能保證采集數(shù)據(jù)完整度和精細度。聲吶頭一般采用水底架設三腳架方式安置，測量范圍大時需多次設站，對水流和水底平坦度要求高。

1.5 多波束測深系統(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聲波進行窄波束接收，通過發(fā)射、接收扇區(qū)指向的正交性形成對海底地形的照射腳印，對這些腳印進行恰當?shù)奶幚?，一次探測就能給出與航向垂直的垂面內(nèi)上百個甚至更多的海底被測點的水深值［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，可實現(xiàn)全覆蓋高精度高效率的水下掃測工作。

2 應用實例

項目位于福建省泉州市某大橋附近水域。橋長9.46km，橋面寬33m，設計通航標準為2000t 級船舶，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。本次測量的目的是檢驗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資料。

2.1 項目難點

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

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行探測，水底平整度未可知，水底設站難度較大，且需多次設站，效率低下。而多波束測深系統(tǒng)采用走航式遠距離條帶測量，輕松實現(xiàn)快速全覆蓋無遺漏探測。

2.2 掃測外業(yè)實施

本次掃測采用SeaBat T50-P 多波束測深系統(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，采集計算機及顯示器、HY1200 聲速剖面儀和POS MV慣性導航系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)測深分辨率為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)實施過程要點如下：

（1）換能器桿吃水不宜過深，其固定點前、后、過底三個方向的鋼纜在掃測中必須保持拉緊狀態(tài)，以防換能器桿在船速較大時受水流作用出現(xiàn)抖動，導致邊緣波束發(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，才能獲得準確的姿態(tài)信息；

（3）測前須將表面聲剖和HY1200 聲速儀測定數(shù)據(jù)進行互比驗證，確保用于波束導向的聲速值準確可靠，再進行系統(tǒng)的校準包括（橫搖、縱搖、艏搖偏差）；

（4）掃測采用等距工作模式，使水深數(shù)據(jù)密度均勻，按預布設測線行進，船速控制在3～4 節(jié)，根據(jù)實時情況調(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，進行Caris 數(shù)據(jù)后處理，提取數(shù)據(jù)建立水下三維模型，對水下特征地形進行細化處理，將這些特征地物標記并量測其坐標信息、深度、長度。本次探測共發(fā)現(xiàn)主橋墩臺附近存在15 根未清除完全的管樁（其中管樁4#高出泥面達4.3m）和1 個橫倒鋼筋籠（直徑2.3m）。管樁的形態(tài)和數(shù)量在點云圖上清晰可見。

3 結(jié)語

多波束測深系統(tǒng)通過全覆蓋高效率的掃測能夠快速準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，對多波束關于反向散射強度的深入研究和多探頭集成技術的不斷研發(fā)，將為多波束在水運工程中的應用提供更廣闊的空間。