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        多波束測(cè)深系統(tǒng)在水利工程中的應(yīng)用

        2024-01-04 11:55:44梁東澤
        廣西水利水電 2023年6期
        關(guān)鍵詞:聲速換能器波束

        李 明,梁東澤

        (廣西水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,南寧 530023)

        1 多波束測(cè)深系統(tǒng)硬件構(gòu)成

        1.1 聲吶發(fā)射和接收單元

        多波束測(cè)深系統(tǒng)中設(shè)置了發(fā)射換能器陣列,能夠形成聲波并傳輸?shù)街付ㄎ恢?,到達(dá)水底,反射的聲波能夠被其它裝置獲取,即接收換能器陣列,結(jié)合發(fā)射和接收扇區(qū)指向的特征獲取信息,主要依據(jù)正交性掌握地形信息,對(duì)該過(guò)程形成的照射腳印分析,可以獲取大量測(cè)量點(diǎn)的水深值,因此可以確定水下目標(biāo)的信息,包括尺寸和變化情況等,便于人員掌握水底地形信息并以此為依據(jù)繪制三維模型。

        1.2 主機(jī)單元與筆記本工作站

        多波束主機(jī)單元的作用是產(chǎn)生波束并實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換,最終獲取數(shù)字信號(hào),分析處理該信號(hào)確定各項(xiàng)參數(shù),包括測(cè)量距離和時(shí)間間隔等。同時(shí)設(shè)置了大量的串行和同步鐘接口等,便于與傳感器連接并完成數(shù)據(jù)傳輸。主要借助網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)現(xiàn)與工作站的通信。筆記本工作站中設(shè)置了控制軟件等,便于人員操作并呈現(xiàn)出各項(xiàng)信息數(shù)據(jù),同時(shí)可以完成這些信息的分析處理。

        1.3 慣導(dǎo)姿態(tài)定位設(shè)備

        由于多波束測(cè)深工作時(shí),是一個(gè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)過(guò)程,定位設(shè)備與探頭在吃水線以下跟隨著船只的搖擺而有著小幅度擺動(dòng),需要各種傳感設(shè)備實(shí)時(shí)反應(yīng)出船只的狀態(tài),并將采集信息反饋到采集系統(tǒng),對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正,并將其分類(lèi)為處于穩(wěn)定狀態(tài)的船體數(shù)據(jù)。同時(shí),多波束測(cè)量系統(tǒng)平面精確定位需要一套定位系統(tǒng)設(shè)備(見(jiàn)圖1),以此來(lái)確定測(cè)點(diǎn)位置,從而得到其坐標(biāo)。

        圖1 慣導(dǎo)姿態(tài)定位設(shè)備

        1.4 聲速儀

        在多波束測(cè)量時(shí),涉及到不同類(lèi)型的聲速值。

        (1)一種是換能器深度處聲速值,稱(chēng)之為表層聲速,用于波束形成,需要使用表面聲速儀對(duì)表層聲速進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,避免造成無(wú)法挽回的錯(cuò)誤。聲速儀發(fā)出的聲速如果大于空氣中傳播的聲速,那么水下地形圖會(huì)呈現(xiàn)“凹形”;聲速儀發(fā)出的聲速如果小于空氣中傳播的聲速,那么水下地形圖會(huì)呈現(xiàn)“凸形”。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果,聲速C與溫度T存在一定聯(lián)系,且存在明顯相關(guān)性。

        (2)另一種是水體深度處聲速值,即聲速剖面,能夠確定波束點(diǎn)的各項(xiàng)參數(shù)從而確定水深等??紤]到深度改變的情況下,水溫會(huì)受到影響,因此聲速也會(huì)有所改變(見(jiàn)圖2),另一方面,如果介質(zhì)物理特性有所調(diào)整,聲線也會(huì)受到影響,傳播方向會(huì)相應(yīng)的調(diào)整,出現(xiàn)折射等現(xiàn)象,而折射程度與上述聲速變化率存在一定聯(lián)系。所以,聲線傳播過(guò)程中容易受到不同介質(zhì)的影響,尤其是分層介質(zhì),會(huì)產(chǎn)生多次折射現(xiàn)象。

        圖2 深度誤差線

        2 硬件設(shè)備安裝

        2.1 支架與換能器安裝

        一般情況下,使用船舷懸掛式安裝,在這種狀況下,安裝支架通常分成固定部分和懸掛部分,都是按照預(yù)定方案進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作的。固定部分焊接在船舷;懸掛部分用螺絲鉚緊,必要時(shí),增加前、后、側(cè)拉索。多波束系統(tǒng)的水下?lián)Q能器必須無(wú)遮擋安裝,換能器前方的水體中不應(yīng)有氣泡產(chǎn)生。對(duì)所選擇使用的測(cè)量船只而言,換能器探頭安裝的最合適的位置是其前部接近龍骨的位置,其次才是船舷的一側(cè)。

        2.2 GPS天線與姿態(tài)儀安裝

        在艙頂選取位置GPS天線,選取的位置衛(wèi)星通視良好、沒(méi)有干擾、布線符合規(guī)范。GPS 天線安裝在換能器的正上方,兩個(gè)天線的距離(基線長(zhǎng))建議大于2 m,小于5 m,兩個(gè)天線的位置可以根據(jù)凈空情況垂直或平行船龍骨軸線。安裝時(shí)盡量避免電纜通過(guò)艙口或窗口,所有的電纜都有最小彎曲半徑,保持最小彎曲半徑敷設(shè)。

        甲板式姿態(tài)儀安裝的位置應(yīng)選取干燥的船艙,安裝的位置應(yīng)選取一個(gè)和船身貼合的地方固定,水平位置盡量的靠近水面,平面位置選取船的重心。布線盡可能避免從窗門(mén)進(jìn)入船艙,避開(kāi)甲板通道,不與電線在一起。布線原則基本和GPS天線連接線一樣。

        2.3 主機(jī)安裝

        由于作業(yè)地點(diǎn)一般都在航道上,所以選取位置應(yīng)找到固定桌子平臺(tái),并按照船只的搖晃程度適當(dāng)使用固定角鐵固定。接線時(shí)要注意接口的一一對(duì)應(yīng),切勿大力插拔,線纜均屬貴重物品,要注意使用時(shí)的維護(hù)。

        3 多波束校準(zhǔn)

        考慮到多波束換能器實(shí)際安裝時(shí)難以保持水平,因此該器件與水平面會(huì)形成一定角度,主要是對(duì)比船只水平面,該角度主要作為縱搖偏差(pitch);該角度集中在縱向上,針對(duì)垂直方向,一般構(gòu)成了橫搖偏差(roll)。

        在實(shí)時(shí)測(cè)量過(guò)程中,由于船體的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致?lián)Q能器與水平面之間也產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)態(tài)夾角,所以每一個(gè)橫搖角與縱搖角都包含一個(gè)動(dòng)態(tài)分量和靜態(tài)分量。動(dòng)態(tài)分量是因水波、海涌、風(fēng)浪等外界原因造成,可以通過(guò)姿態(tài)儀予以校正(見(jiàn)圖3);靜態(tài)分量是由于設(shè)備安裝造成的,即平時(shí)所說(shuō)的橫搖偏角和縱搖偏角。

        圖3 多波束校準(zhǔn)

        兩天線安裝的指向與換能器指向可能存在偏差,這個(gè)偏差叫艏向偏差(heading)。

        4 應(yīng)用實(shí)例

        那板水庫(kù)是一座集防洪、灌溉、水力發(fā)電、城鎮(zhèn)供水及養(yǎng)殖等功能大(2)型水庫(kù),水庫(kù)集雨面積490 km2,總庫(kù)容8.32 億m3,設(shè)計(jì)灌溉農(nóng)田3.5 萬(wàn)畝。運(yùn)用多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)庫(kù)底地形進(jìn)行監(jiān)測(cè),為完善水庫(kù)崩岸監(jiān)測(cè)體系提供重要的監(jiān)測(cè)手段。

        4.1 建立測(cè)區(qū)控制網(wǎng)

        收集整理那板水庫(kù)淤積物數(shù)據(jù),總結(jié)目前那板水庫(kù)淤積物的現(xiàn)狀問(wèn)題,收集整理庫(kù)區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境和地形地貌特征,了解庫(kù)區(qū)監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)難點(diǎn),建立庫(kù)區(qū)四等平面、高程控制網(wǎng),將庫(kù)區(qū)坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)框架下,并建立相應(yīng)等級(jí)的變形監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)?;酒矫婵刂凭W(wǎng)不應(yīng)低于五等,重要水庫(kù)不應(yīng)低于四等。基本高程控制網(wǎng)不應(yīng)低于四等。平面和高程控制網(wǎng)應(yīng)包括水庫(kù)最高蓄水位的淹沒(méi)、浸沒(méi)、塌岸和水庫(kù)淤積、回水發(fā)展可能影響到的地區(qū)。為地形圖測(cè)繪、斷面測(cè)繪、水位測(cè)量等提供坐標(biāo)、高程起算依據(jù),實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)高程基準(zhǔn)的統(tǒng)一,為后續(xù)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)提供基準(zhǔn)點(diǎn)框架。

        4.2 水下地形測(cè)量

        選擇在枯水季節(jié)測(cè)量,在總結(jié)現(xiàn)有那板水庫(kù)水下地形分布的基礎(chǔ)上,采用GNSS 設(shè)備與上述測(cè)深系統(tǒng)完成測(cè)量工作,獲取水下地形信息,包括橫斷面端點(diǎn)測(cè)量和縱橫斷面測(cè)量,基本保障水下每0.1 m2區(qū)域有點(diǎn),密集的點(diǎn)形成了水下的點(diǎn)云圖,經(jīng)過(guò)去噪等處理后生成高度還原的水下地形三維模型和三維等深線、平面二維等深線、等高線,為庫(kù)容計(jì)算提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。其次,結(jié)合庫(kù)區(qū)安全運(yùn)行管理和水質(zhì)優(yōu)化目標(biāo),以問(wèn)題為導(dǎo)向,研究提出減少泥沙入庫(kù)和清除水庫(kù)淤積的措施等內(nèi)容,為同類(lèi)水庫(kù)工程的水環(huán)境治理和防治積累資料和經(jīng)驗(yàn)。測(cè)量比例尺為1∶1000,同時(shí)須測(cè)量水位高程。同一庫(kù)段測(cè)圖比例尺一經(jīng)選定不宜變動(dòng)。經(jīng)過(guò)技術(shù)處理,繪制水下地形圖(見(jiàn)圖4)及建立水下三維模型(見(jiàn)圖5),實(shí)現(xiàn)首次完善和查看水庫(kù)建庫(kù)以來(lái)的真實(shí)地形地貌信息。

        圖4 水下地形圖

        圖5 水下三維模型

        水下地形測(cè)量的重點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集,為了確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,需要采取必要的措施,比如對(duì)儀器實(shí)時(shí)監(jiān)視,采集數(shù)據(jù)的信噪比,以及測(cè)量范圍。同時(shí)固定儀器的船舶需要?jiǎng)蛩偾靶?,根?jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況調(diào)整船速,避免收集到的每個(gè)原始數(shù)據(jù)文件過(guò)大,而導(dǎo)致原始數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常情況。若傳感器無(wú)法正常工作,需要停止測(cè)量工作,找出系統(tǒng)中存在的問(wèn)題。如果回波信號(hào)質(zhì)量不滿(mǎn)足要求,需要改變發(fā)射和接收模式,調(diào)整各項(xiàng)參數(shù),從而提高多波束信號(hào)質(zhì)量。如果采集數(shù)據(jù)范圍較窄,數(shù)據(jù)不完整,導(dǎo)致測(cè)深結(jié)果精度不高時(shí),應(yīng)采取補(bǔ)測(cè)等方式處理。

        在實(shí)際測(cè)量時(shí)研究單波束測(cè)量數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)具有一定特征,如數(shù)據(jù)點(diǎn)密度較高。能夠獲取水下目標(biāo)相關(guān)信息,包括尺寸等。以這些數(shù)據(jù)為依據(jù)繪制等深線,能夠準(zhǔn)確表示地形特征,查看其中包含的沙坡和石堆等。,

        4.3 固定斷面測(cè)量

        水文剖面測(cè)量一般是在水流速度變化處布設(shè),如轉(zhuǎn)彎處、寬庫(kù)區(qū)或者窄庫(kù)區(qū),間距在500~3000 m之間,能夠體現(xiàn)出縱橫方向的轉(zhuǎn)折變化,正確反應(yīng)庫(kù)底地形情況。宜兩岸埋設(shè)永久性固定斷面標(biāo)志,固定斷面標(biāo)志平面應(yīng)不低于二級(jí)圖根點(diǎn)精度,高程應(yīng)不低于五等水準(zhǔn)精度。每次監(jiān)測(cè)位置固定,不宜改動(dòng)。采用北斗GNSS結(jié)合測(cè)深儀對(duì)斷面位置地形進(jìn)行監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)斷面位置的地形變化,推算庫(kù)區(qū)淤積,同時(shí)進(jìn)行庫(kù)水位監(jiān)測(cè),用于計(jì)算庫(kù)容。

        在測(cè)量區(qū)域的關(guān)鍵部位設(shè)置剖面,使用相同的剖面樁進(jìn)行剖面測(cè)量。以1∶2000 的比例尺對(duì)固定剖面進(jìn)行對(duì)比測(cè)量,并繪制剖面圖。在處理測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí),主要對(duì)河流高程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并以此為基礎(chǔ)繪制圖例,其中涉及到大量不同測(cè)量次數(shù)的剖面數(shù)據(jù)。用不同的顏色和線形表示不同監(jiān)測(cè)調(diào)查次數(shù)的剖面。根據(jù)剖面圖中的縱橫坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析,計(jì)算河堤水下地形的變化,得出結(jié)果。固定剖面對(duì)比圖見(jiàn)圖6,斷面位置示意圖見(jiàn)圖7。

        圖6 固定剖面對(duì)比圖

        圖7 斷面位置示意圖

        4.4 水庫(kù)監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)

        那板水庫(kù)力爭(zhēng)打造為廣西壯族自治區(qū)“智慧化”管理的標(biāo)桿,需對(duì)水庫(kù)的各種基礎(chǔ)信息、數(shù)據(jù)全方面掌握,以利于以后的監(jiān)督、管理和維護(hù)。那板水庫(kù)雖已先后建設(shè)支撐水庫(kù)工程安全、防洪等業(yè)務(wù)管理的信息系統(tǒng),但沒(méi)有統(tǒng)籌兼顧各種信息系統(tǒng)的建設(shè),致使各類(lèi)數(shù)據(jù)相互獨(dú)立,分散式存儲(chǔ),存在數(shù)據(jù)壁壘和信息孤島現(xiàn)象,無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的整合和共享?;贐/S 構(gòu)架開(kāi)發(fā)水庫(kù)監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)(見(jiàn)圖8),全面融合激光雷達(dá)數(shù)據(jù)、多波束測(cè)深數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、三維數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù),根據(jù)水庫(kù)淤積的分布、演變情況,對(duì)不同水位下庫(kù)容的影響情況進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì),自動(dòng)生成各類(lèi)圖表,形象生動(dòng)地顯示庫(kù)區(qū)淤積情況和分布。數(shù)據(jù)平臺(tái)提供二次開(kāi)發(fā)接入的接口,方便數(shù)據(jù)的互通互用,同時(shí)也可整合或納入其他平臺(tái),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的整合和共享。

        圖8 水庫(kù)監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)

        5 存在的問(wèn)題

        為了能夠?qū)δ前逅畮?kù)的變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)了解,那板水庫(kù)管理處每年都會(huì)對(duì)關(guān)鍵的崩岸段、河勢(shì)控制區(qū)域進(jìn)行水下地形監(jiān)控,監(jiān)控的距離達(dá)到了20 多公里,對(duì)水庫(kù)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了主要的分析,并給出了那板水庫(kù)崩岸預(yù)警的基本資料。但是,在應(yīng)用過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題。

        (1)由于多波束測(cè)距所需的資料非常龐大,而且后期的內(nèi)部加工工作比較繁瑣,人為的介入會(huì)導(dǎo)致加工的準(zhǔn)確性受到很大的影響。在水急水淺的地區(qū),這個(gè)系統(tǒng)的工作效率比較差,經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn):這個(gè)系統(tǒng)在深水(>3 m)區(qū)域的大比例尺、小范圍測(cè)圖方面,有著傳統(tǒng)的測(cè)深系統(tǒng)所不能相比的優(yōu)勢(shì),但是它并不適合進(jìn)行淺水、小比例尺的測(cè)量[1]。

        (2)考慮到多波束測(cè)深系統(tǒng)具有一定缺陷,如靈活性不高,安裝流程過(guò)于復(fù)雜,操作難度較高,對(duì)比單波束測(cè)深系統(tǒng),該系統(tǒng)耗費(fèi)了大量的人力物力資源,人員需要完成外業(yè)操作和內(nèi)業(yè)處理等工作,工作效率較低[2]。

        (3)多波束測(cè)深系統(tǒng)可能形成明顯的誤差,而且往往難以發(fā)現(xiàn)。多波束測(cè)深系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中容易受到各種因素的影響,如水流、系統(tǒng)參數(shù)和測(cè)船等。所以,在測(cè)量期間,應(yīng)合理設(shè)置各個(gè)設(shè)備的位置,加強(qiáng)質(zhì)量控制,做好精度評(píng)估工作,確保測(cè)量工作順利開(kāi)展,提高測(cè)深精度。正確處理船舶測(cè)量時(shí)的吃水深度,測(cè)量船的橫搖縱搖對(duì)測(cè)量結(jié)果至關(guān)重要,應(yīng)加強(qiáng)測(cè)定。

        (4)在數(shù)據(jù)后處理時(shí),還需要重新對(duì)各種校正參數(shù)進(jìn)行核對(duì),是否有人工輸錯(cuò)或是因外界條件影響導(dǎo)致偏差。

        6 結(jié)語(yǔ)

        近幾年,利用多波束水深測(cè)量技術(shù),收集了那板水庫(kù)崩岸區(qū)的水底資料,并進(jìn)行了觀測(cè)與對(duì)比,在此基礎(chǔ)上,探討崩岸區(qū)潰決及其預(yù)測(cè)方法,并對(duì)崩岸區(qū)進(jìn)行主動(dòng)防護(hù),以保證水庫(kù)水位不會(huì)有較大的改變。按照水庫(kù)水位的變動(dòng)特征,在洪峰之前和洪峰之后,增加對(duì)大壩的監(jiān)控次數(shù),并為收集到的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)創(chuàng)建一個(gè)特殊的地理資訊資料庫(kù),為水庫(kù)水環(huán)境治理、水資源保護(hù)以及水工程建設(shè)與養(yǎng)護(hù)等方面的研究提供技術(shù)支撐。

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