任洪玉

摘 要：伴随现代测量数据采集手段的不断发展，以多波束测深系统为代表的水深测绘方法，被广泛应用于港口与码头建设、坝体堤防平整度监测与海底地形测绘等诸多方面。文章拟从多波束测深系统的构成为基础，阐述超声波测深的原理与精度影响因子，并以R2Sonic 2022声呐多波束测深系统为例，分析其在码头基坑平整度检测中的应用，为类似工程检测提供参考依据。

关键词：多波束；超声波测深；精度因子；平整度检测

中图分类号：U656.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）22-0163-02

Abstract： With the continuous development of modern survey data acquisition methods such as multi-beam bathymetric system are widely used in port and wharf construction dam and embankment smoothness monitoring and submarine topography mapping and many other aspects. Based on the constitution of multi-beam bathymetric system， this paper expounds the principle of ultrasonic sounding and its precision influence factors， and takes R2Sonic 2022 sonar multi-beam bathymetric system as an example to analyze its application in the detection of the smoothness of wharf foundation pit. It can be used as reference for similar engineering inspection.

Keywords： multibeam； ultrasonic sounding； accuracy factor； flatness detection

伴随现代数据获取与处理技术的不断提升，以多源数字化传感器、GNSS卫星定位、惯性导航与数据分析模块为构成的多波束测深系统，利用高低频信号往返时间与路径分析，快速获取水下深度信息，并以其高精可靠分辨率的特点，被广泛应用于水深测绘与水运设施检测中。

1 多波束测深系统的组成概述

从构成单元分析，多波束测深系统主要由声呐探测模块、状态数据采集模块与数据综合处理模块构成，同时包含GNSS定位、声速剖面传感设备与姿态测定传感器等硬件终端。数据分析与处理软件，即包含分析原始定位与滤波、测深改正等相关信息，利用插值原理绘制水下地形等深线图等资料。以R2Sonic系列多波束测深系统为例，其基本构成如图1所示。

2 多波束测深仪的工作原理

与单波束测深原理基本相同，多波束采用超声波探测的方法，测定换能器发出的声波在水体中的往返传播时间，进而解析水体深度的过程。相对于单波束而言，多波束由的换能器采取正交形式分组构成，呈现一定指向的窄波束，并向水体发射扇形脉冲波，单次探测即可瞬时获取航向正交面的众多水深数据，进而表示出水体地形起伏情况，因此多波束亦被称之声呐阵列测深或水下CT扫描仪。波束测点从换能器为起点，所测算的水深Hi与中心点水平间距Di如下：

由于多波束测深系统构造相对复杂，其成果精度与GNSS、电罗经等惯导姿态测定设备也密不可分。为精确测定水深测量载体的状态参数，多采用双GNSS定位设备进行短基线约束差分定位，基于RTCM或CMR形式获取高精度动态三维坐标数据，明确船艏基线方位，其精度优于电罗经测定的方位；多波束系统布设了声速剖面仪、姿态传感器等终端，实时测定船体姿态与声速变化数据，并采用数据处理器即时快速校正测深数据。

3 多波束测深仪在码头基坑平整度检测的应用研究

现有某码头基坑施工建设工程，为确保基坑混凝土工膜防滲补强能力，需采用现代技术手段对码头基坑平整度检测，结合实际情况，本项目采用R2Sonic 2022第五代声呐多波束测深仪进行码头基坑平整度检测，控制中心Sonic Control采用以太网连接声呐SIM接口，该多波束测深仪信号带宽60KHZ、160个波束、最大量程500m。其多波束检测基本工艺流程如下：

（1）多波束系统的安装。将换能器固定于测量船舷，并将GNSS设备固定于安装杆，然后以安装杆与水面交点为原点建立测量载体坐标基准，分别定义X、Y、Z轴向，解算单个传感器（GNSS、换能器、光纤或电罗经）相对坐标点位。

（2）系统参数检校。根据惯性测量模块IMU以及同线反向相关条带或中央波束采集的水深数据来求解横摇（roll）和纵摇（pitch）偏差校准数据，根据GNSS获取船艏（yaw）方位向量，并依托异线反向边缘数据解析偏差值；同时，将GNSS时钟与R2Sonic 2022多波束测深系统保持时间同步，无延迟量修正。

（3）平整度数据采集。码头基坑平整度扫测时，根据规划的四条测线与测点密度指标，重复测扫两次，共计八条测线，采用1°波束角间隔，开角120°，为确保边缘测定的数据质量，相邻测线间距边缘25%重叠；设备标称工作频率为200-400KHZ，为提升测量船只载体的稳定性，将工作频率设定300KHZ，以降低基坑测扫时的边缘形变情况。

（4）测扫数据分析。利用多波束采集的庞大数据点云，基于海量数据处理平台，首先利用多余观测量，剔除测量中的粗差错误数据，进行剖面判读分析，平整度取15cm为限定标准，然后以TIN三角网为基础来构建码头基坑数字高程模型（如图2）。

4 结束语

多波束水深数据采集时，针对重复扫描测线应确保基本测量条件类似，降低外界因素引起的成果质量误差，提升固定杆的稳固性，降低传感器姿态偏差，适当调整工作频率，降低测量平台载体的震动偏差。随着多源传感器灵敏度的提升，多波束测深以其快速准确、分辨率高等优点，将在航道水运测绘、水工平整度检测中展现出传统测量所无法比拟的优势，提升相关工程建设的精准度与安全性。

参考文献：

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