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摘要：近年来随着国家经济的发展，一带一路的推进和海洋强国战略的推进，海洋活动越加的频繁，航道测量的作用愈加的重要。为了保证经济的稳定快速发展，保障船舶的航行安全以及海洋工程的需求，必须定期对航道进行检查测量。鉴于此，本文对多波束测深仪在航道测量中的应用进行了分析，以供参考。
关键词：多波束测深仪；航道测量；应用
引言
多波束测深系统是先进的测量技术，目前已广泛应用于海洋航道测量。本文介绍了多波束系统的配置和应用特性，并通过示例对多波束测深系统的安装要求和测试、测量和数据处理等进行了详细分析，为将来的类似工程提供了参考。
1多波束测深原理
多波束测深系统是一种主动声纳系统，可以在同一时间内获得多个相邻的窄光束。与单波束测深声纳一次获得一个波束形成海底测深值相比，多波束测深声纳可以从一个条带覆盖区域获得多个射点海底深度值，实现从“点一线”测量到“线-面”测量的飞跃，具有非常重要的技术进步。
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图1 多波束测深原理图
多波束测深仪的测深原理是使用发射阵列在海底发射扇区平面形声信号，使用接收阵列在窄波束内接收海底后向散射声信号。在这里，发射信号和接收信号在重叠的海底区域创建足迹，通过足迹获得沉降值，第二深度获得数百个垂直于船舶方向的沉降值，最后从沉降值中导出下层的高低、大小和形状，形成最终的海底模型。水深值是通过声音路径表达式计算的。如下：
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（1）
其中海水里声速是C，信号来回时程是Ot.由图几何关系所示，计算水平距离Rx与垂直距离H如下式所示：
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（2）
其中H是海底测量点与声呐之间的距离，Rx是测量点与声呐之间的水平距离，θ是发射波束的入射角。声波回波示意图如下：
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图2 声波回波示意图
2多波束测深技术优势
与单个梁相比，具有测量点密度、高精度、可视化等特征的多梁的优点明显，能够执行一般方法无法承受的测深任务，而且开孔角度（0.5 ~ 1）比开孔角度（8）小得多，为微地形勘探开辟了新的应用领域。
2.1单波束姿态改正的缺陷
单波束测量时，浪涌补偿器只能校正喷发引起的尖峰，不能校正侧线的摇晃。由此产生的测深误差在测量低等级的水深时属于可接受的范围，但如果从复杂的地形或坡度较大的工程体中测量，则不能忽略其影响。船体的摇晃导致点位置测量偏移，平面为ds，高程为DH。ds = hsinα（alpha为瞬时倾斜角度）、DH = dsk（k为倾斜比）、水深h为20m、倾斜角度为alpha 1：1.5、倾斜比k为ds=1.04m、dh=0.7m。此偏差超出了水运工程测量代码（JTS131-2012）的精度要求（如果水深小于20米，则单波测深点相互差值为0.2米）。由于现场测量倾斜角度通常超过3，因此复杂地形中单波束的精度并不理想，因此国际高清测量组织（IHO）制定的新水道测量标准（IHOS-44）规定，必须使用多波束（图1）进行高水平水深测量。与单光束不同，多光束姿势系统实时观察船体的三维瞬时姿势角度，并通过软件校正光束发射角度，有效解决测量载体姿势对测量结果的影响。
2.2多波束的微地形探测能力
光束的开口角度越小，“足迹”越小，表示声音检测能力越好。单梁的梁开口角度为8，多梁开口角度为0.5 ~ 1度。开口角度越小，多个光束的发送风扇面上的光束就越多，测量的地形也就越精细。单个光束可以通过提高测深比来提高点密度，但受该光束性能的限制，其微观地形的检测能力也比不上多光束。
3多波束测深系统在海洋航道测量中的应用实例
3.1工程概况
为了设定航线到港湾和停泊地港口，船只为了安全出入港口，必须以地形测量为目标，充分掌握这个地区的水下地形情况。大约23公里的渠道长度，达到240米的平均宽度，在执行测量时使用了1：1000的比例尺。
3.2多波束测深系统安装要求及测试
（1）安装要求。通过舷舱安装方法，在离船尾2/3的地方安装多波束转换器，牢固地固定，避免松动，影响测量的准确性。与船头方向一致，在测量线的中心安装电子指南针。与电磁干扰源保持一定距离，减少电磁干扰的影响，从而导致数据失真。在船舶的高处安装DGPS接收器，防止远离无线电高功率发射信号源和船舶主桅杆的多路径信号效果。在船舶重心的位置安装固定姿势器，保持与水平面平行。
（2）测试。安装完成后，必须对每台仪器的工作进行调试，以确保每台仪器处于最佳工作状态，并为执行相关测量工作打下坚实的基础。打开单个装置和软件，观察装置的运行情况，了解装置收集数据质量和软件收集状态。
在测量之前，水体的声速轮廓曲线用声速测量仪测量，坐标转换参数由DGPS的应用决定，同时在收集系统中输入相关数据，并在港池相对平坦、变化地形较大的区域安装一两条侧线的多梁安装校正（例如滚动、俯仰和第一次摇晃差异等），保持一定的路线和速度，以确保校准结果的准确性。
3.3数据处理
单波束测深和RTK测量是典型的测量，包括数据传输、水深处理、水位计算等。多波束系统数据处理包括数据预处理、数据结果输出和映射部分。
多波束系统数据预处理主要是位置数据处理、音速剖面数据处理、潮汐数据处理、姿势数据处理、深度数据处理和数据编辑、去噪、合并、清理、图形处理，它会生成经过预处理后获得的水深数据，最终形成河流地形模型（DTM），数据处理过程很复杂，一方面，如果出现错误，则会影响整个数据的精度。
4作业中出现的问题和处置措施
问题一：测区内过往船只、避风抛锚渔船的较多、码头作业繁忙，泊位常有船舶停靠，导致测船机动性较差，部分区域施测困难。
解决办法：1）降低测船航速，加强值班瞭望；2）对于部分定点抛锚船只采取两侧通过的方式，调整换能器波束发射角度，确保有效覆盖；3）通过现场指挥调度室，协调船只移让泊位，分区错峰实施测量。
问题二：测量期间，部分时间GPS卫星失锁，GPS无定位。解决办法：1）将定位系统的主机重置，进行补测。2）经检查和现场实验发现，测量用GPS天线头距离测量船北斗定位系统天线较近，两套定位系统可能存在信号干扰；测量过程中将北斗定位系统关机。3）11日后GPS故障情况消失。
问题三：外业数据采集中，系统定位数据、姿态数据丢失，系统报警。
解决办法：检查发现，丢失的数据信号由一条USB转COM口数据线传送至采集笔记本电脑，相应的笔记本电脑USB口出现锈蚀松动，接触不良。对相应的笔记本接口进行除锈等处理后，问题解决。
结束语
多波束测深技术与单波束相比，实现了高精度、高效率和全覆盖测深。近20年来，从第一个101个增加到现在最多512个，测量的地形的精细度也取得了惊人的结果。通过测量多波束硬件的小型化、便携性和船只的小型化，降低现场成本，从而快速推广此技术。海洋航道测量技术的革新为了响应这种海洋测量技术的进步，开始思考建立海洋航道测量新系统。
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