外業(yè)測量因素對多波束測深系統(tǒng)的影響分析

常列

（廣州海事測繪中心，廣東 廣州 510000）

外業(yè)測量因素對多波束測深系統(tǒng)的影響分析

常列

（廣州海事測繪中心，廣東 廣州 510000）

本文主要介紹外業(yè)測量中多波束換能器安裝、船速、船體震動以及測區(qū)聲速對多波束測量的影響。通過對比不同條件下多波束測深系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，分析外業(yè)因素對所采集數(shù)據(jù)的影響，以期為使用小型船舶測量的外業(yè)參數(shù)提供參考。

多波束測深系統(tǒng)；換能器；GPS；流噪聲；空化

1 多波束測深系統(tǒng)

多波束測深系統(tǒng)（Multibeam Echo Sounder，MBES，以下簡稱多波束），又稱為多波束測深儀、條帶測深儀或多波束測深聲吶等，能快速準(zhǔn)確地獲取大面積海底形態(tài)信息，為海底地形地貌勘測提供了一種有效手段［1］。

使用多波束進(jìn)行外業(yè)采集時，換能器的安裝、船速、船體震動及聲速等外業(yè)因素對數(shù)據(jù)采集有較大影響。特別是使用小型船舶進(jìn)行測量任務(wù)時，換能器的安裝位置決定了作業(yè)是否安全、采集效率的高低及采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量；采集作業(yè)時，船速的快慢直接導(dǎo)致?lián)Q能器位置氣泡的多少；船體的震動則影響換能器的采集質(zhì)量。為了保證測量質(zhì)量，要盡量降低各外業(yè)因素對采集數(shù)據(jù)的影響［2］。本文主要分析換能器安裝、測量船舶及測區(qū)聲速三個因素對多波束數(shù)據(jù)采集的影響，最終獲取最佳外業(yè)因素設(shè)置參數(shù)（適用于長度不超過20m，寬度不超過6m的小型船舶）。

2 換能器安裝影響分析

2.1 測深架的安裝

換能器的安裝對多波束數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量影響是第一位的，安裝過程中需要考慮換能器的安裝位置、測深桿如何垂直船體以獲取最小震動效果。本次分析過程中，測量船舶為長14m，寬4m的小型測量船。在綜合考慮測量船舶的發(fā)動機、螺旋槳位置等后，最終選取測量船舶的右前方安裝換能器。該位置遠(yuǎn)離船舶螺旋槳和發(fā)動機，船體撓曲較小，測量時可以避免過往船只的影響。

測深架采用上下垂直兩點固定、前后繩縱向固定、過底鋼纜橫向固定的安裝方式。出于后期數(shù)據(jù)處理方便考慮，GPS安裝在測深桿處，后期無修正（見圖1）。

圖1 多波束安裝示意圖

2.1.1 測深桿規(guī)格選取。多波束換能器、測深架體積較大，重量約50kg。測深桿受彎不足時容易導(dǎo)致?lián)Q能器強烈震動，影響采集數(shù)據(jù)，產(chǎn)生蝴蝶狀數(shù)據(jù)（不可逆）。測深桿震動狀態(tài)采集數(shù)據(jù)見圖2。

圖2 測深桿震動狀態(tài)采集數(shù)據(jù)

考慮到測深桿承受力，主要分為以下兩種情況：①拉力：拉力除以鋼管截面積小于鋼管允許拉應(yīng)力即可；②受彎：局部最大應(yīng)力應(yīng)小于超過允許應(yīng)力。

其中，最大彎曲正應(yīng)力的計算公式是：σ=M/（γx× Wnx）。最終根據(jù)計算選取83mm×2.5mm規(guī)格鋼管。震動減弱后蝴蝶狀數(shù)據(jù)現(xiàn)象消失。

2.1.2 測深桿固定點選取。如圖1所示：實驗船舶選取1、2兩點為測深架上下固定點。盡可能減少行駛過程中對換能器的震動影響（見圖3）。

圖3 測深桿震動消除狀態(tài)采集數(shù)據(jù)

2.2 多波束探頭深度選取

外業(yè)采集中，換能器的吃水深度主要取決于以下幾個因素。

2.2.1 采集區(qū)域波浪大小。波浪較小區(qū)域且采集區(qū)域水深普遍較小時，換能器深度可適當(dāng)小一些，這可以避免因吃水過深導(dǎo)致采集范圍窄，以及水深過淺時導(dǎo)致?lián)Q能器碰撞。波浪較大區(qū)域流噪聲較大，換能器處容易產(chǎn)生氣泡，影響采集效果?？筛鶕?jù)測區(qū)水深調(diào)節(jié)換能器吃水量。

2.2.2 采集船舶時速大小。一般在以6節(jié)時速進(jìn)行采集時，換能器吃水調(diào)節(jié)超過1m，這是為了避免流噪聲過大產(chǎn)生氣泡。

3 測量船舶影響分析

3.1 機械噪音

測量船舶產(chǎn)生的噪音主要由發(fā)動機、螺旋槳、發(fā)電機、過往船舶等引起。其中，發(fā)動機、螺旋槳和發(fā)電機可看作是測量船舶自身震動，過往船舶和其他因素引起的噪音可以看作是外力震動。

3.1.1 自身噪聲震動。測量過程中，船舶自身的發(fā)動機、螺旋槳以及采集過程中過往船舶為引起震動的主要因素。其中，螺旋槳占有害震動的70%（船舶的主要激勵）。因此，多波束換能器應(yīng)盡量遠(yuǎn)離螺旋槳，考慮到船體撓曲率的影響，最終選取測量船舶右前方三分之二處。該位置遠(yuǎn)離螺旋槳和發(fā)動機，船體撓曲較小，船面及船體吃水處兩點可垂直。

3.1.2 外力噪聲震動。測量時，測區(qū)一般有較多來往船只，測量船需盡量遠(yuǎn)離過往船只，盡量減少因過往船只經(jīng)過造成的氣泡影響。①盡量順航道進(jìn)行測量，避免安全事故的發(fā)生；②當(dāng)測線內(nèi)有船舶在前方時可減速或者更換測線，避免因前方船只產(chǎn)生氣泡而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)質(zhì)量差等情況的發(fā)生。

3.2 流噪聲及空化

船舶的流噪聲主要是由船體與海水碰撞導(dǎo)致的。因此，在測量時需要控制船速，避免因速度過快在換能器處產(chǎn)生大量氣泡。本次測量船舶的船速控制在6節(jié)內(nèi)。

水力空化是指在液體經(jīng)過的管道某處人為制造低壓強、高流速的狀態(tài)，當(dāng)液體壓強小于飽和蒸汽壓時，液體中的氣泡就會不斷膨脹，體積變大。而大量氣泡導(dǎo)致的結(jié)果就是換能器聲速接收困難，從而導(dǎo)致測量不準(zhǔn)甚至失敗。

3.3 船體撓曲

由于采集船舶外船舷并非直上直下，一般為從上開始向內(nèi)彎曲。為了保證換能器與水面垂直，需在船體下面安裝固定點，如圖1中點2的位置。

4 聲速影響分析

測量工作中，聲速主要取決于由三個參數(shù)：鹽度、溫度、壓力。

由于本次采用的多波束不含表層聲速儀，因此，測量時需要對聲速進(jìn)行實時改正。改正方法為：①測區(qū)內(nèi)每2km進(jìn)行一次聲速測量；②河口、入?？诘忍帉崟r測量聲速進(jìn)行修正。

5 結(jié)語

在使用多波束進(jìn)行外業(yè)測量時，為保證采集數(shù)據(jù)規(guī)范、正確，需對影響采集的外業(yè)因素進(jìn)行實時矯正。根據(jù)測量船舶情況確定換能器的安裝位置，測深架需要減弱或避免震動帶來的影響，在沒有表層聲速儀時需要對聲速進(jìn)行實時改正。本文對小型船舶進(jìn)行測量具有較強的參考價值。

［1］國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB12327-1998，海道測量規(guī)范［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

［2］國家測繪局.CH1016-2008，測繪作業(yè)人員安全規(guī)范［S］.北京：測繪出版社，2008.

Analysis of Influence of Outside Surveying Factors on Multibeam Echo Sounder

Chang Lie
（Guangzhou Marine Surveying and Mapping Center，Guangzhou Guangdong 510000）

This paper mainly introduced the field measurement of multibeam transducer installation,speed,vibration and sound velocity measuring area hull of multibeam measurement effect.By comparing the quality of data collected by multibeam echo sounder under different conditions,this paper analyzed the influence of foreign factors on the collected data.The author hopes that the research in this paper can provide reference for external parameters of small ship survey.

multibeam echo sounder；transducer；GPS；flow noise；cavitation

P229.1

A

1003-5168（2017）07-0097-02

2017-06-02

常列（1985-），男，本科，助理工程師，研究方向：海洋測繪。