“水聲吶”水下地形回聲勘測(cè)技術(shù)

摘要：“水聲吶”是一種性能獨(dú)特的回聲勘測(cè)儀，通過使用干涉測(cè)量法的數(shù)據(jù)來計(jì)算底部的坐標(biāo)，勘測(cè)結(jié)果可即時(shí)顯示出來。該技術(shù)可用于河道疏浚前后的勘測(cè)、繪制河道圖等。 

關(guān)鍵詞：水聲吶 水下地形 勘測(cè) 

　工作原理及特點(diǎn) 
　　“水聲吶”是一種性能獨(dú)特的回聲勘測(cè)儀，其工作區(qū)的掃描寬度達(dá)１４０ｍ。其傳感器發(fā)送的信號(hào)在勘測(cè)小艇的行駛方向上非常窄，但在橫向非常寬。傳感裝置有９個(gè)傳感器，其中２個(gè)是發(fā)送器，７個(gè)是接受器。每一邊有一個(gè)發(fā)送器和３個(gè)接受器，中間有一個(gè)接受器。每一邊的３個(gè)接受器用來產(chǎn)生相位差圖像。“水聲吶”通過使用干涉測(cè)量法的數(shù)據(jù)來計(jì)算底部的坐標(biāo)。傳感裝置尺寸非常小，很小的船也可裝于其上進(jìn)行測(cè)量操作。
　　“水聲吶”是通過對(duì)河床（即使是淺水區(qū)）的地形勘測(cè)產(chǎn)生深度數(shù)據(jù)。在水深只有１ｍ時(shí)，其測(cè)量寬度仍可達(dá)到１０ｍ以上。它可以在計(jì)算機(jī)的監(jiān)視器上顯示未經(jīng)處理的即時(shí)勘測(cè)結(jié)果，這種功能使其成為效率較高、較為精確的水下地形勘測(cè)儀器。當(dāng)時(shí)勘測(cè)的結(jié)果可以即時(shí)顯示出來，選擇勘測(cè)路線時(shí)就可以保證在沒有遺漏點(diǎn)的情況下避免不必要的重復(fù)勘測(cè)。當(dāng)只需勘測(cè)一個(gè)特定深度線路時(shí)，例如，規(guī)劃一條航道，用“水聲吶”回聲勘測(cè)儀操作起來非常簡(jiǎn)單，勘測(cè)結(jié)果即時(shí)顯示在監(jiān)視器上，操作人員只需看著監(jiān)視器上顯示的老河床深度勘測(cè)所希望的線路即可。
　　技術(shù)性能介紹
　　１．勘測(cè)精度
　　水底的輪廓是以至少±２０ｃｍ（在距傳感器２５ｍ的范圍內(nèi)時(shí)�牭臄�(shù)學(xué)精度產(chǎn)生出來的。“水聲吶”符合ＩＨＯ Ｓ－４４標(biāo)準(zhǔn)的要求。要強(qiáng)調(diào)的是最終的測(cè)量精度取決于相關(guān)輔助儀器的精度。如果用戶需要更高的精度，可以選擇更高精度的傾角補(bǔ)償器等輔助儀器。
　　其精確的勘測(cè)精度經(jīng)由與準(zhǔn)距儀的對(duì)比性測(cè)量得以證實(shí)。先由準(zhǔn)距儀對(duì)未充水的旱池進(jìn)行測(cè)量，注滿水后再用“水聲吶”進(jìn)行測(cè)量。兩測(cè)量圖一致性較好。
　　２．經(jīng)濟(jì)性
　　“水聲吶”的經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。它能夠以非常快的勘測(cè)速度和寬度獲取高分辨率的數(shù)據(jù)，這就意味著在對(duì)河床的勘測(cè)工作中節(jié)省了巨大的成本開支。
　　除了其獨(dú)特的效率外，“水聲吶”的結(jié)構(gòu)異常緊湊。基本設(shè)備由一個(gè)傳感裝置，一個(gè)方位傳感器，一個(gè)裝有“水聲吶”軟件的筆記本電腦組成。傳感裝置僅重３０ｋｇ，可以非常容易地將其攜帶到任何地區(qū)。
　　３．效率與勘測(cè)速度
　　“水聲吶”的效率是基于保持足夠的分辨率、單邊勘測(cè)寬度約為７０ｍ而言的。距傳感器的距離越遠(yuǎn)，取樣數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量就越多。這就使得對(duì)掃描的邊緣區(qū)勘測(cè)精度得到了保障。而普通的多波束聲吶的分辨率越往外越低。其取樣分辨率與多波束的比較，勘測(cè)效率與勘測(cè)速率比較。
　　在合適的條件下，勘測(cè)小艇的航速可達(dá)１４ｋｍ／ｈ，這取決于所選擇的寬度模式、分辨率的要求以及航速，該裝置單航次的勘測(cè)寬度最大可達(dá)１４０ｍ。
　　毗鄰的勘測(cè)路線可以互鎖也可以交*。“水聲吶”的后處理軟件可以自動(dòng)以任何次序從任何區(qū)域開始將各測(cè)量區(qū)數(shù)據(jù)合并起來。因此，勘測(cè)線路自由靈活，無需因測(cè)量線路的需要而進(jìn)行不必要的調(diào)整。
　　另一個(gè)會(huì)對(duì)勘測(cè)效率產(chǎn)生影響的特點(diǎn)是對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的后處理。相位差數(shù)據(jù)按分辨率的要求首先以三種壓縮模式之一進(jìn)行壓縮。壓縮模式Ａ是在當(dāng)測(cè)量速度成為嚴(yán)格控制的因素時(shí)使用。最通常使用的是模式Ｂ，它可以保證大多數(shù)使用場(chǎng)合下足夠的分辨率。模式Ｃ是在不需要高分辨率的河床數(shù)據(jù)時(shí)使用的，這也是后處理工作最快的一種模式。
　　４．技術(shù)規(guī)格
　　頻率： １１７ｋＨｚ 
　　測(cè)量范圍：可以選擇３０ｍ、５０ｍ或７０ｍ。指的是到測(cè)量邊緣的距離，與垂直深度不是一回事。
　　脈沖頻率�� 
　　２４Ｈｚ �熥畲缶嚯x３０ｍ��
　　１５Ｈｚ �熥畲缶嚯x５０ｍ��
　　１０Ｈｚ �熥畲缶嚯x７０ｍ�� 
　　脈沖時(shí)長(zhǎng)�煟矗场ⅲ福祷颍玻保唉蹋� 
　　測(cè)量速度：１～４ｍ／ｓ 
　　軟件�� 測(cè)量程序和分析程序 
　　傳感器尺寸及重量�� 
　　高３０ｃｍ�熼L(zhǎng)５０ｃｍ�熤兀玻担耄�
　　輔助裝置
　　ＧＰＳ定位裝置。“水聲吶”要求與其相配的ＧＰＳ定位裝置符合ＮＭＥＡ標(biāo)準(zhǔn)�熎渌�產(chǎn)生數(shù)字式數(shù)據(jù)的定位裝置也可能與系統(tǒng)相連，但其性能可能不穩(wěn)定。
　　用 途
　　“水聲吶”將測(cè)量的數(shù)據(jù)按希望的圖表坐標(biāo)系統(tǒng)貯存在計(jì)算機(jī)的硬盤內(nèi)。輸出文件包括普通的ＡＳＣＩＩ文件，每條線都是由具有不同的坐標(biāo)點(diǎn)組成，并附有測(cè)量誤差的估計(jì)值。
　　位置數(shù)據(jù)是從附屬的ＲＴＫ－ＧＰＳ 接收器讀入。壓縮數(shù)據(jù)在后處理過程中并沒有刪除，它可以多次用于不同的目的。這些數(shù)據(jù)也可以按其他的壓縮模式再進(jìn)行壓縮。
　　“水聲吶”產(chǎn)生的輸出文件可以用作多種多樣的模擬程序，如：使水頭損失最小化；航道圖的繪制；制作航道的數(shù)字模型；環(huán)境規(guī)劃，防洪、生態(tài)規(guī)劃；疏浚前后的勘測(cè)，或其他任何需要快速獲得河底高分辨率數(shù)據(jù)的水文地理勘測(cè)任務(wù)。
　　１．疏浚前后的勘測(cè)
　　“水聲吶”是對(duì)疏浚工程進(jìn)行規(guī)劃及監(jiān)測(cè)的較快的解決辦法。如果水底是首次進(jìn)行如此正規(guī)的測(cè)量，疏浚工程的效果將會(huì)是高效并更穩(wěn)定的（維持較長(zhǎng)的時(shí)間）。如果先對(duì)河道本身的動(dòng)態(tài)進(jìn)行研究，疏浚工程規(guī)劃結(jié)果就不會(huì)與自然本身的變化特點(diǎn)相沖突，其效果也就會(huì)持久。 
　　使用“水聲吶”回聲勘測(cè)儀，可以非常容易地對(duì)相距較遠(yuǎn)的數(shù)個(gè)疏浚工程進(jìn)行全過程監(jiān)視。小巧的設(shè)備便于移動(dòng)和使用，甚至連同小艇一起轉(zhuǎn)移。疏浚的中間過程可以即刻受到監(jiān)測(cè)。如果實(shí)際疏浚過程與規(guī)劃的不一樣，就可以很快得以糾正，不會(huì)對(duì)河道的動(dòng)力學(xué)特性造成危害。疏浚工程完工后，由“水聲吶”收集疏浚后效果的數(shù)據(jù)。如果疏浚的實(shí)際情況與規(guī)劃有出入，便可進(jìn)行最后的調(diào)整（補(bǔ)挖），以保證疏浚效果。
　　２．環(huán)境規(guī)劃、防洪及生態(tài)規(guī)劃
　　當(dāng)河床由“水聲吶”進(jìn)行電子勘測(cè)后，其勘測(cè)結(jié)果可作為對(duì)環(huán)境規(guī)劃、防洪或生態(tài)計(jì)劃進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬的基本材料。用作這些目的時(shí)，為了獲得有效的和長(zhǎng)期持久的效果，對(duì)河床勘測(cè)的正確性與可靠性非常重要。
　　對(duì)河床進(jìn)行勘測(cè)后，還必須對(duì)河水的流速進(jìn)行勘測(cè)，以創(chuàng)建一個(gè)水力學(xué)和生態(tài)模型。由生態(tài)模型，我們可以對(duì)河流進(jìn)行動(dòng)態(tài)研究：如果不做任何施工將來會(huì)是什么狀態(tài)，如果對(duì)某些特定的部位進(jìn)行疏浚將會(huì)產(chǎn)生什么效果，新的建筑物會(huì)對(duì)河流的動(dòng)力學(xué)特性造成何種影響，水流量突然增加會(huì)產(chǎn)生什么結(jié)果等等。有了這樣的模型，當(dāng)計(jì)劃改進(jìn)水質(zhì)，或建造新的工程時(shí)，就可以做出正確的決定了。
　　生態(tài)模型可以用來模擬現(xiàn)在的狀態(tài)，還可以對(duì)規(guī)劃中的河流恢復(fù)治理及對(duì)各種治理方案的效果進(jìn)行比較。
　　３．使水電站水頭損失最小化 
　　為了增加水電站的發(fā)電量，首先用“水聲吶”的勘測(cè)結(jié)果創(chuàng)建一個(gè)二維水力模型。再由這個(gè)水力模型計(jì)算出一個(gè)具有成本效益和環(huán)保效益的解決方案：從特定的區(qū)域疏浚一定方量的泥沙，在維持水流量一定的情況下使下游的水位降低一定高度。
　　４．繪制河道圖
　　當(dāng)規(guī)劃一個(gè)新的航道或繪制舊航道圖時(shí)，“水聲吶”可以產(chǎn)生即時(shí)勘測(cè)結(jié)果的能力顯得尤為重要。用這種非常緊湊和高效的聲吶裝置，可以快捷地為測(cè)繪工程提供較好的解決辦法。
　　即時(shí)地顯示河道橫斷面的快速勘測(cè)結(jié)果可以立即獲得水底地形的概況，從而使實(shí)際勘測(cè)工作能以一種較合適的方式開始進(jìn)行。
　　在測(cè)繪一個(gè)舊河道時(shí)，也可以非常容易地看到河底的動(dòng)態(tài)變化：例如，與上次勘測(cè)相對(duì)比，河底的沉積物發(fā)生了怎樣的位移，按沉積物的自然移動(dòng)規(guī)律較合適的航道路線應(yīng)該是怎樣的。
　　５．產(chǎn)生河道的數(shù)字模型
　　“水聲吶”可以勘測(cè)非常寬的水面，單航次可寬達(dá)１４０ｍ，并且仍然可能收集非常好的分辨率的數(shù)據(jù)。對(duì)于較寬的覆蓋范圍可以即時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這樣可以保證測(cè)量范圍內(nèi)沒有漏測(cè)的部位。
　　在測(cè)量工作完成后，根據(jù)分辨率要求的不同對(duì)數(shù)據(jù)按所期望的壓縮模式進(jìn)行壓縮。輸出的數(shù)據(jù)包括普通的ＡＳＣＩＩ文本，位置數(shù)據(jù)由ＲＴＫ－ＧＰＳ讀入。
　　壓縮后的數(shù)據(jù)可以被用作那些需要對(duì)河底進(jìn)行可靠和精確模擬才能正常工作的多種場(chǎng)合。