“水聲吶”水下地形回聲勘測技術(shù)

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

關(guān)鍵詞：水聲吶 水下地形 勘測 

　工作原理及特點 
　　“水聲吶”是一種性能獨特的回聲勘測儀，其工作區(qū)的掃描寬度達１４０ｍ。其傳感器發(fā)送的信號在勘測小艇的行駛方向上非常窄，但在橫向非常寬。傳感裝置有９個傳感器，其中２個是發(fā)送器，７個是接受器。每一邊有一個發(fā)送器和３個接受器，中間有一個接受器。每一邊的３個接受器用來產(chǎn)生相位差圖像。“水聲吶”通過使用干涉測量法的數(shù)據(jù)來計算底部的坐標。傳感裝置尺寸非常小，很小的船也可裝于其上進行測量操作。
　　“水聲吶”是通過對河床（即使是淺水區(qū)）的地形勘測產(chǎn)生深度數(shù)據(jù)。在水深只有１ｍ時，其測量寬度仍可達到１０ｍ以上。它可以在計算機的監(jiān)視器上顯示未經(jīng)處理的即時勘測結(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儀器。當時勘測的結(jié)果可以即時顯示出來，選擇勘測路線時就可以保證在沒有遺漏點的情況下避免不必要的重復(fù)勘測。當只需勘測一個特定深度線路時，例如，規(guī)劃一條航道，用“水聲吶”回聲勘測儀操作起來非常簡單，勘測結(jié)果即時顯示在監(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所希望的線路即可。
　　技術(shù)性能介紹
　　１．勘測精度
　　水底的輪廓是以至少±２０ｃｍ（在距傳感器２５ｍ的范圍內(nèi)時�牭臄�(shù)學精度產(chǎn)生出來的。“水聲吶”符合ＩＨＯ Ｓ－４４標準的要求。要強調(diào)的是最終的測量精度取決于相關(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償器等輔助儀器。
　　其精確的勘測精度經(jīng)由與準距儀的對比性測量得以證實。先由準距儀對未充水的旱池進行測量，注滿水后再用“水聲吶”進行測量。兩測量圖一致性較好。
　　２．經(jīng)濟性
　　“水聲吶”的經(jīng)濟效益非常顯著。它能夠以非常快的勘測速度和寬度獲取高分辨率的數(shù)據(jù)，這就意味著在對河床的勘測工作中節(jié)省了巨大的成本開支。
　　除了其獨特的效率外，“水聲吶”的結(jié)構(gòu)異常緊湊。基本設(shè)備由一個傳感裝置，一個方位傳感器，一個裝有“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．效率與勘測速度
　　“水聲吶”的效率是基于保持足夠的分辨率、單邊勘測寬度約為７０ｍ而言的。距傳感器的距離越遠，取樣數(shù)據(jù)點的數(shù)量就越多。這就使得對掃描的邊緣區(qū)勘測精度得到了保障。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，勘測效率與勘測速率比較。
　　在合適的條件下，勘測小艇的航速可達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寬度最大可達１４０ｍ。
　　毗鄰的勘測路線可以互鎖也可以交*。“水聲吶”的后處理軟件可以自動以任何次序從任何區(qū)域開始將各測量區(qū)數(shù)據(jù)合并起來。因此，勘測線路自由靈活，無需因測量線路的需要而進行不必要的調(diào)整。
　　另一個會對勘測效率產(chǎn)生影響的特點是對測量數(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行壓縮。壓縮模式Ａ是在當測量速度成為嚴格控制的因素時使用。最通常使用的是模式Ｂ，它可以保證大多數(shù)使用場合下足夠的分辨率。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 
　　測量范圍：可以選擇３０ｍ、５０ｍ或７０ｍ。指的是到測量邊緣的距離，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�� 
　　脈沖時長�煟矗场ⅲ福祷颍玻保唉蹋� 
　　測量速度：１～４ｍ／ｓ 
　　軟件�� 測量程序和分析程序 
　　傳感器尺寸及重量�� 
　　高３０ｃｍ�熼L５０ｃｍ�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標準�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”將測量的數(shù)據(jù)按希望的圖表坐標系統(tǒng)貯存在計算機的硬盤內(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點組成，并附有測量誤差的估計值。
　　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，或其他任何需要快速獲得河底高分辨率數(shù)據(jù)的水文地理勘測任務(wù)。
　　１．疏浚前后的勘測
　　“水聲吶”是對疏浚工程進行規(guī)劃及監(jiān)測的較快的解決辦法。如果水底是首次進行如此正規(guī)的測量，疏浚工程的效果將會是高效并更穩(wěn)定的（維持較長的時間）。如果先對河道本身的動態(tài)進行研究，疏浚工程規(guī)劃結(jié)果就不會與自然本身的變化特點相沖突，其效果也就會持久。 
　　使用“水聲吶”回聲勘測儀，可以非常容易地對相距較遠的數(shù)個疏浚工程進行全過程監(jiān)視。小巧的設(shè)備便于移動和使用，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。如果實際疏浚過程與規(guī)劃的不一樣，就可以很快得以糾正，不會對河道的動力學特性造成危害。疏浚工程完工后，由“水聲吶”收集疏浚后效果的數(shù)據(jù)。如果疏浚的實際情況與規(guī)劃有出入，便可進行最后的調(diào)整（補挖），以保證疏浚效果。
　　２．環(huán)境規(guī)劃、防洪及生態(tài)規(guī)劃
　　當河床由“水聲吶”進行電子勘測后，其勘測結(jié)果可作為對環(huán)境規(guī)劃、防洪或生態(tài)計劃進行計算機模擬的基本材料。用作這些目的時，為了獲得有效的和長期持久的效果，對河床勘測的正確性與可靠性非常重要。
　　對河床進行勘測后，還必須對河水的流速進行勘測，以創(chuàng)建一個水力學和生態(tài)模型。由生態(tài)模型，我們可以對河流進行動態(tài)研究：如果不做任何施工將來會是什么狀態(tài)，如果對某些特定的部位進行疏浚將會產(chǎn)生什么效果，新的建筑物會對河流的動力學特性造成何種影響，水流量突然增加會產(chǎn)生什么結(jié)果等等。有了這樣的模型，當計劃改進水質(zhì)，或建造新的工程時，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)，還可以對規(guī)劃中的河流恢復(fù)治理及對各種治理方案的效果進行比較。
　　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”的勘測結(jié)果創(chuàng)建一個二維水力模型。再由這個水力模型計算出一個具有成本效益和環(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
　　當規(guī)劃一個新的航道或繪制舊航道圖時，“水聲吶”可以產(chǎn)生即時勘測結(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，可以快捷地為測繪工程提供較好的解決辦法。
　　即時地顯示河道橫斷面的快速勘測結(jié)果可以立即獲得水底地形的概況，從而使實際勘測工作能以一種較合適的方式開始進行。
　　在測繪一個舊河道時，也可以非常容易地看到河底的動態(tài)變化：例如，與上次勘測相對比，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”可以勘測非常寬的水面，單航次可寬達１４０ｍ，并且仍然可能收集非常好的分辨率的數(shù)據(jù)。對于較寬的覆蓋范圍可以即時進行數(shù)據(jù)處理，這樣可以保證測量范圍內(nèi)沒有漏測的部位。
　　在測量工作完成后，根據(jù)分辨率要求的不同對數(shù)據(jù)按所期望的壓縮模式進行壓縮。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河底進行可靠和精確模擬才能正常工作的多種場合。