多波束测深技术的应用试验

吕曰恒

（国家海洋技术中心 天津市 300111）

多波束测深技术的应用试验

吕曰恒

（国家海洋技术中心 天津市 300111）

阐述 HS—600F 多波束测深系统的基本组成、功能特性及其技术指标，以云南省临沧地区澜沧江干流段的漫湾水电站水垫塘为例，应用该系统对该地水底地形地貌进行实地勘察测量，获得了勘察测量的多项结果，为漫湾水电站水垫塘修补维护制定了有效技术方案，也显现了多波束测深技术的先进性和优越性。

勘察测绘地形地貌多波束测深系统

多波束测深系统是一种多传感器组合的复杂的测量系统。自20世纪70年代问世以来，随着近代计算机技术、高精度定位技术以及数字化电子技术的迅猛发展，多波束测深系统也得到了相应的迅速发展，使其功能和应用都更加完善及增强。不但提高了工程测量的准确性，而且相对单波束测量而言，也大大提高了工作效率，改变了传统单波束测量模式，把点—线测量变成线—面测量模式，这样根据大量测量的声回波信号数据后处理，便可获得平面及立体的测量成果图像，给人以更直观的实时的所谓 3D 效果图。因此，多波束测深系统已成为目前江河湖海水下工程领域里测量水下地形地貌的有效工具，得到了广泛的推广应用，倍受人们青睐。

HS—600F 多波束测深系统是一款新型水下地形地貌测量新装备，由日本古野电气公司研发，可广泛适用于海洋资源调查、海洋工程、水文地质勘探、港湾工程建设、航道疏浚、海上打捞救助、水库大坝监测维修、水下管道路由测量以及渔业资源调查等广泛的工程领域中。

1 HS—600F 多波束测深系统组成及工作原理

HS—600F 多波束测深系统的硬件主要包括：显示器单元、换能器单元、收发器单元、系统处理单元四大部分。

图1 HS—600F 多波束测深系统的硬件组成

图2 HS－600F 多波束测深系统组成框图

系统工作过程原理是通过发射和接收120°扫测宽度的超声波束，即可获得近似 3.5 倍水深范围的水底地形地貌的数据和水底反射强度数据。该发射波束朝着船左右舷 120°方向和船艏艉 1.5°方向，以扇形波束进行传播，水底的反射回波是相交于发射波的扇形波束，并分别形成一条船艏艉方向 20°和船左右舷方向 1.5°的回波接收覆盖范围。系统通过电子扫描左右舷方向回波的信号数据，即可获得 1.0°×1.5°高分辨率的水底回波信号，对测量数据可进行实时显示，并记录和保存，经过后处理编辑得到 3D 水底地形地貌图像，有效探测到水下目标情况。

该系统水底显示模式见图3，工作过程的交叉扇形波束原理见图 4。

图3 系统水底显示模式

图4 交叉扇形波束原理

2 系统技术指标和功能特性

HS—600F 多波束测深系统技术指标见表 1。该系统总体设计先进，功能完善，测量精度高，分辨率高，测量速度快，扫测范围大。对测量船实时运动姿态补偿，满足IHO 测量规范要求；可提供多种在线测量模式选择；整个系统结构设计紧凑，稳固可靠；换能器设计多样，可满足不同安装条件要求；整个系统体积小巧，便于携带和运输。另外，该系统可兼容第三方采集后处理专业软件，便于满足各类海洋水文勘察工程需要，显现出系统更完善的适应性和灵活性。

3 实例应用与分析

2010年1月至3月，应用 HS—600F 多波束测深系统，在云南省临沧地区澜沧江干流段的漫湾水电站水垫塘进行了该地水底地形地貌的实地勘察测量，见图 5—图 6。

表1 HS—600F 多波束测深系统主要技术指标表

图5 漫湾电厂水垫塘

漫湾水电站建于1995年，至今已运行达 15之久，是个百万千瓦级的大型水力发电站，对西南地区建设和人民生活至关重要。漫湾电厂水垫塘池是建站初期在大坝下游中的自然河道，以人工浇筑而成的一个水泥底板地形的塘池。由于长年泄洪冲刷以及后期对塘池水下的修补浇筑维护，造成水垫塘底板出现各种形态的不规则的冲刷陷坑和浇筑造成的不规则的水泥块体突起，如此恶劣的地理环境状况，长期必将影响水电站的安全运行。

图6 水垫塘水上交叉作业现场

因此，为了确切了解水垫塘底板的地形地貌情况，对其进行实地勘察测量，以便制定有效的水垫塘底板修补的技术方案，确保大坝安全，有力保障水电站的正常运行是十分必要的。

2010年1月至3月，北京麦格美科科技公司和云南浩兰水下工程公司联合对漫湾水电站水垫塘进行了该地的水下地形地貌勘察测量。应用主机为 HS—600F 多波束测深系统，配备辅助设备有声速仪，星站差分 GPS，三维姿态仪，GPS 罗经，笔记本电脑以及数据后处理 HyPack 软件和Cass 软件。经过全面综合的实地勘察，最后获得了满意的测量结果：即漫湾水电站水垫塘水下地形 1∶500 地形图测绘，总面积达 24 029 m2；原始点位数据文件约 350 万个点位信息；后处理点位数据文件约 75 万个点位信息；横纵剖面分布图 24 幅（见图 7 ）； 1∶500 水下平面图 1 幅（见图 8 ）；三维彩色地形图 2 幅（见图 9 ）。

图7 横纵剖面线分布示意图

图8 水垫塘等深地形平面示意图

图9 水垫塘水下三维彩色地形示意图

根据以上勘察结果，为制定漫湾水电站水垫塘底板修补和清淤维护方案提供了有力依据。

4 结语

实验证明了整个实地的水下勘察测量工程的技术路线设计正确，工作程序科学合理，勘察过程严谨，数据真实可靠。所选用的 HS—600F 多波束测深系统性能良好，功能完备，操作方便，安全可靠，是一款先进的水下工程地形地貌测绘的高效技术装备。为漫湾水电站水垫塘底板修补和清淤维护提供了有力的技术支持。

2010年4月23日