测绘技术▏“水声呐”水下地形回声勘测技术

“水声呐”是一种性能独特的回声勘测仪，通过使用干涉测量法的数据来计算底部的坐标，勘测结果可即时显示出来。该技术可用于河道疏浚前后的勘测、绘制河道图等。

一、工作原理及特点

“水声呐”是一种性能独特的回声勘测仪，其工作区的扫描宽度达140m。其传感器发送的信号在勘测小艇的行驶方向上非常窄，但在横向非常宽。传感装置有9个传感器，其中2个是发送器，7个是接受器。每一边有一个发送器和3个接受器，中间有一个接受器。每一边的3个接受器用来产生相位差图像。“水声呐”通过使用干涉测量法的数据来计算底部的坐标。传感装置尺寸非常小，很小的船也可装于其上进行测量操作。

“水声呐”是通过对河床（即使是浅水区）的地形勘测产生深度数据。在水深只有1m时，其测量宽度仍可达到10m以上。它可以在计算机的监视器上显示未经处理的即时勘测结果，这种功能使其成为效率较高、较为精确的水下地形勘测仪器。当时勘测的结果可以即时显示出来，选择勘测路线时就可以保证在没有遗漏点的情况下避免不必要的重复勘测。当只需勘测一个特定深度线路时，例如，规划一条航道，用“水声呐”回声勘测仪操作起来非常简单，勘测结果即时显示在监视器上，操作人员只需看着监视器上显示的老河床深度勘测所希望的线路即可。

二、技术性能介绍

⒈ 勘测精度

水底的轮廓是以至少±20cm（在距传感器25m的范围内时的数学精度产生出来的。“水声呐”符合IHOS-44标准的要求。要强调的是最终的测量精度取决于相关辅助仪器的精度。如果用户需要更高的精度，可以选择更高精度的倾角补偿器等辅助仪器。

其精确的勘测精度经由与准距仪的对比性测量得以证实。先由准距仪对未充水的旱池进行测量，注满水后再用“水声呐”进行测量。两测量图一致性较好。

⒉ 经济性

“水声呐”的经济效益非常显著。它能够以非常快的勘测速度和宽度获取高分辨率的数据，这就意味着在对河床的勘测工作中节省了巨大的成本开支。

除了其独特的效率外，“水声呐”的结构异常紧凑。基本设备由一个传感装置，一个方位传感器，一个装有“水声呐”软件的笔记本电脑组成。传感装置仅重30kg，可以非常容易地将其携带到任何地区。

⒊ 效率与勘测速度

“水声呐”的效率是基于保持足够的分辨率、单边勘测宽度约为70m而言的。距传感器的距离越远，取样数据点的数量就越多。这就使得对扫描的边缘区勘测精度得到了保障。而普通的多波束声呐的分辨率越往外越低。其取样分辨率与多波束的比较，勘测效率与勘测速率比较。

在合适的条件下，勘测小艇的航速可达14km/h，这取决于所选择的宽度模式、分辨率的要求以及航速，该装置单航次的勘测宽度最大可达140m。

毗邻的勘测路线可以互锁也可以交叉。“水声呐”的后处理软件可以自动以任何次序从任何区域开始将各测量区数据合并起来。因此，勘测线路自由灵活，无需因测量线路的需要而进行不必要的调整。

另一个会对勘测效率产生影响的特点是对测量数据的后处理。相位差数据按分辨率的要求首先以三种压缩模式之一进行压缩。压缩模式A是在当测量速度成为严格控制的因素时使用。最通常使用的是模式B，它可以保证大多数使用场合下足够的分辨率。模式C是在不需要高分辨率的河床数据时使用的，这也是后处理工作最快的一种模式。

⒋ 技术规格

频率：117kHz

测量范围：可以选择30m、50m或70m。指的是到测量边缘的距离，与垂直深度不是一回事。

脉冲频率：24Hz时最大作用距离30；15Hz时最大作用距离50m；10Hz时最大作用距离70m。

脉冲时长：43、85或210μs

测量速度：1～4m/s

传感器尺寸及重量：高30cm、长50cm、重25kg

辅助装置：GPS（定位装置）。

“水声呐”要求与其相配的GPS符合NMEA标准，其他产生数字式数据的定位装置也可能与系统相连，但其性能可能不稳定。

三、用途

“水声呐”将测量的数据按希望的图表坐标系统贮存在计算机的硬盘内。输出文件包括普通的ASCII文件，每条线都是由具有不同的坐标点组成，并附有测量误差的估计值。

位置数据是从附属的RTK-GPS接收器读入。压缩数据在后处理过程中并没有删除，它可以多次用于不同的目的。这些数据也可以按其他的压缩模式再进行压缩。

“水声呐”产生的输出文件可以用作多种多样的模拟程序，如：使水头损失最小化；航道图的绘制；制作航道的数字模型；环境规划，防洪、生态规划；疏浚前后的勘测，或其他任何需要快速获得河底高分辨率数据的水文地理勘测任务。

⒈ 疏浚前后的勘测

“水声呐”是对疏浚工程进行规划及监测的较快的解决办法。如果水底是首次进行如此正规的测量，疏浚工程的效果将会是高效并更稳定的（维持较长的时间）。如果先对河道本身的动态进行研究，疏浚工程规划结果就不会与自然本身的变化特点相冲突，其效果也就会持久。

使用“水声呐”回声勘测仪，可以非常容易地对相距较远的数个疏浚工程进行全过程监视。小巧的设备便于移动和使用，甚至连同小艇一起转移。疏浚的中间过程可以即刻受到监测。如果实际疏浚过程与规划的不一样，就可以很快得以纠正，不会对河道的动力学特性造成危害。疏浚工程完工后，由“水声呐”收集疏浚后效果的数据。如果疏浚的实际情况与规划有出入，便可进行最后的调整（补挖），以保证疏浚效果。

⒉ 环境规划、防洪及生态规划

当河床由“水声呐”进行电子勘测后，其勘测结果可作为对环境规划、防洪或生态计划进行计算机模拟的基本材料。用作这些目的时，为了获得有效的和长期持久的效果，对河床勘测的正确性与可靠性非常重要。

对河床进行勘测后，还必须对河水的流速进行勘测，以创建一个水力学和生态模型。由生态模型，我们可以对河流进行动态研究：如果不做任何施工将来会是什么状态，如果对某些特定的部位进行疏浚将会产生什么效果，新的建筑[]物会对河流的动力学特性造成何种影响，水流量突然增加会产生什么结果等等。有了这样的模型，当计划改进水质，或建造新的工程时，就可以做出正确的决定了。

生态模型可以用来模拟现在的状态，还可以对规划中的河流恢复治理及对各种治理方案的效果进行比较。

⒊ 使水电站水头损失最小化

为了增加水电站的发电量，首先用“水声呐”的勘测结果创建一个二维水力模型。再由这个水力模型计算出一个具有成本效益和环保效益的解决方案：从特定的区域疏浚一定方量的泥沙，在维持水流量一定的情况下使下游的水位降低一定高度。

⒋ 绘制河道图

当规划一个新的航道或绘制旧航道图时，“水声呐”可以产生即时勘测结果的能力显得尤为重要。用这种非常紧凑和高效的声呐装置，可以快捷地为测绘工程提供较好的解决办法。

即时地显示河道横断面的快速勘测结果可以立即获得水底地形的概况，从而使实际勘测工作能以一种较合适的方式开始进行。

在测绘一个旧河道时，也可以非常容易地看到河底的动态变化：例如，与上次勘测相对比，河底的沉积物发生了怎样的位移，按沉积物的自然移动规律较合适的航道路线应该是怎样的。

⒌ 产生河道的数字模型

“水声呐”可以勘测非常宽的水面，单航次可宽达140m，并且仍然可能收集非常好的分辨率的数据。对于较宽的覆盖范围可以即时进行数据处理，这样可以保证测量范围内没有漏测的部位。

在测量工作完成后，根据分辨率要求的不同对数据按所期望的压缩模式进行压缩。输出的数据包括普通的ASCII文本，位置数据由RTK-GPS读入。

压缩后的数据可以被用作那些需要对河底进行可靠和精确模拟才能正常工作的多种场合。

【编着按：“水声呐”这个名称似乎从来没有听说过，也不知道有“水声呐”设备，查阅网络也没有相关词条说明。于是，就想到与哈尔滨工程大学的李海森教授联系，据他介绍，是产自丹麦的一种类似于侧扫测深声呐的产品，该公司说明书介绍的浅水效果不错，就如同文章表达的那样。目前在国内市场应用极少，名字取得也比较怪，所以国内词条没有录入，可以理解。按文章说明在水运、河道等浅水区应该有优势，具体如何只能通过实践证明了，特此说明！】

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