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刘海宝，刘拴龙 （中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222） 摘要：本文主要介绍了Sonic 2024电子多波束系统的工作原理、技术参数，以及其在港池航道测量中的具体操作流程，包括设备安装、参数校准，水深测量以及后续的数据处理、相邻条带重叠比对、测量结果分析等，为Sonic 2024电子多波束系统在港池航道测量中的应用提供参考借鉴。 关键词：Sonic 2024；电子多波束系统；水深测量 引 言 多波束测深系统，是一种多传感器的复杂组合系统，它高度集成了数字化传感器技术、高分辨显示技术、现代信号处理技术、高性能计算机技术和高精度导航定位技术等其他相关高精尖技术[1~4]。多波束探测系统以工作原理分类一共可分为2种，第一种是电子多波束测深系统，在特定角度下，通过对反射信号往返时间的测量来取得不同角度的水深数据。第二种是相干多波束测深系统，在特定时间下，通过对反射回波信号角度的测量来取得斜距或角度测量的结果[5]。R2 Sonic 2024多波束测深系统属于电子多波束测深系统，和其他类型多波束测深系统比较而言，它的优点是超高分辨率和准确度，它的最大量程可以达到500 m，对软底质、泥沙含量较高地区的一般水深测量可以选用低频，高频则用于精密目标搜索或其他浅水地形地貌的水深测量。 1 工作原理及技术参数 美国R2 Sonic公司生产的Sonic 2024电子多波束测深系统是以第五代声呐结构为基础的高精度多波束测深仪，系统包括数据采集及实时处理系统、发射接收处理系统、数据后处理系统与外围辅助设备（如图1）。 Sonic 2024电子多波束测深系统主要由发射换能器与接收器两部分组成，发射换能器呈扇形发射声纳信号，声纳信号在水中传播时被海底或其他物体反射，反射信号同时被接收换能器内的独立声学基元接收，通过测量特定角度下反射信号的往返时间，计算得到不同角度的水深数据[6]。其技术参数如表1所示。  图1 电子多波束测深系统构成 表1 Sonic 2024多波束测深系统参数  名称参数 工作频率/kHz200~400 最大量程/m500 覆盖宽度/(°)10~160 波束数目（每ping）256个等角分布 覆盖宽深比4~7倍水深 量程分辨率/cm1.25 波束大小/(°)0.5×1 脉冲宽度10 μs~1 ms 最大发射率/Hz75 2 水深测量的应用 2.1 项目概况 某港区将于近期实现简易投产，为了确定进出港船舶的通航尺度，保障船舶的航行及靠泊安全，中交第一航务工程勘察设计院有限公司承担了该港区港池航道及临时航道多波束扫海测量工作，采用R2 Sonic 2024多波束测深系统进行水下地形测量。测区港池航道扫测面积约为21.84 km2。 2.2 设备安装与参数校准 1）设备的安装 Sonic 2024多波束测深系统的换能器安装在测量作业船的左舷，GPS定位系统的天线固定在换能器安装杆顶部；光纤罗经装在测量作业船的中轴线位置；多波束系统安装以声呐换能器安装杆与海水面交点作为参考原点建立船体坐标系，定义船右舷方向为X轴正方向，船艏方向为Y轴正方向，垂直向上为Z轴正方向，量取每个传感器与参考原点的相对位置，往返各量取一次，取其平均值。最后解算出每个传感器的相对位置值见表2[7]。 表2 传感器的相对位置计算  设备名称△X/m△Y/m△Z/m 光纤罗经2.50-0.401.24 GPS天线盘003.42 多波束换能器00-1.36 R2 Sonic 2024多波束测深系统设备安装位置示意如图2所示。  （a）侧面  （b）平面 图2 多波束测深系统设备安装示意 2）系统参数的校准 横摇（Roll）偏差数据：利用海底平坦水域同线同速反向的条带状水深断面测量数据求取；纵摇（Pitch）偏差数据：利用水深变化较大水域的同线同速反向中央波束水深测量数据求取；艏摇（Yaw）偏差数据：利用水深变化较大水域的异线同速反向的边缘波束水深测量数据求取。各项数据测试时均采集多余观测数据，并经过多组数据比对，取其平差值。 本工程中多波束测深系统声呐换能器的安装调试进行了两次，每次安装固定后都进行了校准测试，最终测定结果见表3。 表3 系统安装校准测定参数  校准次数Lat（时延）Roll（横摇）Pitch（纵摇）Yaw（艏摇） 第一次0秒+0.17°-4.07°3.97° 第二次0秒+1.13°-4.35°1.62° 此次工程使用的R2 Sonic 2024多波束测深系统均通过同步采集1 PPS数据与GPS的ZDA数据，然后将多波束测深系统时间与GPS内部时钟同步，因此本工程使用的多波束系统并无GPS时间延迟改正。 2.3 水深测量 1）测线布设 本次测量工程中使用的两套多波束测深仪，根据其性能指标理论计算，Sonic 2024型多波束测深仪的波束开角为160°，实际采用130°，其扫测宽深比为：2×tan65°＝4.3（倍水深）。本次测量时为了保证多波束扫测条带间的测线重叠率，提高多波束扫测数据的质量和可靠性，扫测时测线间距按照2.5倍左右水深布设，结合测区平均深度，测线间距布设为50 m。 2）数据采集 测深作业时，使用Trimble SPS 351型DGPS接收机输出导航和定位数据；采用HYPACK软件进行测线导航；使用PDS 2000软件采集Sonic 2024型多波束测深数据；对预定测区进行了全覆盖扫海测量。 3）声速测量 由于海水中压强、温度和盐度的变化，导致水声信号在水中的传播速度在不同季节、不同海区、不同深度条件下会不断地产生变化。因此本次测量的每个工天在不同的测区、不同时段都利用声速仪对测区声速剖面和多波束换能器附近的表面声速进行了测定。 2.4 数据处理 利用PDS 2000软件解算出Sonic 2024的安装校准数据。利用CARIS HIPS and SIPS软件对Sonic 2024多波束原始数据进行数据处理，包括数据转换、声速剖面改正、潮汐改正、线模式编辑、SUBSET子区编辑等，最后利用CARIS GIS软件进行多波束水深数据的压缩和输出。 2.5 Sonic 2024多波束相邻条带重叠比对 扫测数据处理过程中对各测线相邻条带拼接情况进行了检视，条带间水深符合良好，均达到了全覆盖、无漏测，选取部分条带拼接后如图3~图6所示。 1）测区北端临近40万t级矿石码头海域  图3 测区北端码头海域条带 2）测区中部区域  图4 测区中部区域条带 3）测区南侧航道区域  图5 测区南侧航道区域条带 4）不同工作日接图区域  图6 不同工作日接图区域条带 2.6 测量结果分析 1）扫测水深情况及测区水下地貌特征 港区航道拐点以北港池航道和禁锚区西侧海域水深由北至南逐渐变深，水深变化范围大致为11～18.5 m，最浅水深位于测区北侧，为11.1 m。测区北部附近海域海底地势呈现不规律变化，分布有一定数量的突起和深浅不一的凹陷。 图7、图8是在3D View中显示测区北部海底地貌。  图7 测区北部海底地貌1 图8 测区北部海底地貌2 2）多波束扫测可疑浅点分布情况 本次工程整个扫测区域内出现30余个海底地势呈现突然隆起的可疑浅点，个别凸出点顶部标高高于周围海底近3 m，下面选择1处较典型突出的浅点，详述其形状特征。 该地形点位于航道西侧拐点处，该浅点东西宽约15 m，南北长约20 m，顶部最浅处深度为15.4 m，高出周边海底约2.9 m。生成该浅点的俯视图、二维图像、三维侧视图像如图9。 （a）俯视 （b）二维图像 （c）三维图像 （d）可疑点位置 图9 可疑浅点俯视图及二维、三维图像 3 结 语 Sonic 2024多波束测深系统具有高分辨率、全覆盖的在特点，在港区港池航道水深测量中具有无法比拟的优势，可以清晰无遗漏的扫测到港池航道中的可疑浅点，继而对预定测区内的水深状况有了较为全面的了解，同时也给船舶航行的安全提供了可靠的保证。 参考文献： [1] 李珍, 台树辉. 条带测深仪在小浪底泥沙淤积测验中的应用[J]. 人民长江, 2005, 36(10): 44-45. [2] 王志东. GeoSwath条带测深仪原理探析及其应用[J]. 水运工程, 2002, 345(10): 31-33. [3] 刘忠臣, 周兴华, 陈义兰, 等. 浅水多波束系统及其最新技术发展[J]. 海洋测绘, 2005, 25(6): 67-70. [4] 刘经南, 赵建虎. 多波束测深系统的现状和发展趋势[J]. 海洋测绘, 2002, 22(5): 3-6. [5] 青岛海洋研究设备服务公司. GeoSwath Plus中潜水多波束条带测深综合测量系统技术文件[R]. 青岛: 青岛海洋研究设备服务公司. [6] 刘东, 王朝. 两种多波束系统差异对比分析[J]. 港工技术, 2014, 51(1): 57-59. [7] 雷力军, 别伟平, 王頔. GeoSwath Plus在高桩码头桩基基础监测中的应用[J]. 港工技术, 2016, 53(6): 92-95. Application of Sonic 2024 Multiple-beam System in Survey of Harbor Channel Liu Haibao, Liu Shuanlong (CCCC First Harbor Consultants Co., Ltd., Tianjin 300222, China) Abstract：An introduction to the principle, technical parameters and harbor channel survey process of Sonic 2024 electronic multiple-beam System is made in detail, which includes the equipment installation, parameters calibration, bathymetry, subsequent data processing, comparison of adjacent strips by overlapping them and survey result analysis. The research results could serve as a reference for the harbor channel survey by applying Sonic 2024 electronic multiple-beam System. Key words：Sonic 2024; electronic multiple-beam system; bathymetry 中图分类号：U675.4 文献标志码：A 文章编号：1004-9592（2017）03-0113-04 DOI: 10.16403/j.cnki.ggjs20170331 收稿日期：2017-04-14 作者简介：刘海宝（1985-），男，工程师，主要从事工程测量方面工作。 |
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