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水聲吶水下地形回聲勘測(cè)技術(shù)論文
摘要:“水聲吶”是一種性能獨(dú)特的回聲勘測(cè)儀,通過使用干涉測(cè)量法的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算底部的坐標(biāo),勘測(cè)結(jié)果可即時(shí)顯示出來(lái)。該技術(shù)可用于河道疏浚前后的勘測(cè)、繪制河道圖等。
關(guān)鍵詞:水聲吶水下地形勘測(cè)
工作原理及特點(diǎn)
“水聲吶”是一種性能獨(dú)特的回聲勘測(cè)儀,其工作區(qū)的掃描寬度達(dá)140m。其傳感器發(fā)送的信號(hào)在勘測(cè)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(gè)傳感器,其中2個(gè)是發(fā)送器,7個(gè)是接受器。每一邊有一個(gè)發(fā)送器和3個(gè)接受器,中間有一個(gè)接受器。每一邊的3個(gè)接受器用來(lái)產(chǎn)生相位差圖像!八晠取蓖ㄟ^使用干涉測(cè)量法的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算底部的坐標(biāo)。傳感裝置尺寸非常小,很小的船也可裝于其上進(jìn)行測(cè)量操作。
“水聲吶”是通過對(duì)河床(即使是淺水區(qū))的地形勘測(cè)產(chǎn)生深度數(shù)據(jù)。在水深只有1m時(shí),其測(cè)量寬度仍可達(dá)到10m以上。它可以在計(jì)算機(jī)的監(jiān)視器上顯示未經(jīng)處理的即時(shí)勘測(cè)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(cè)儀器。當(dāng)時(shí)勘測(cè)的結(jié)果可以即時(shí)顯示出來(lái),選擇勘測(cè)路線時(shí)就可以保證在沒有遺漏點(diǎn)的情況下避免不必要的重復(fù)勘測(cè)。當(dāng)只需勘測(cè)一個(gè)特定深度線路時(shí),例如,規(guī)劃一條航道,用“水聲吶”回聲勘測(cè)儀操作起來(lái)非常簡(jiǎn)單,勘測(cè)結(jié)果即時(shí)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(cè)所希望的線路即可。
技術(shù)性能介紹
1.勘測(cè)精度
水底的輪廓是以至少±20cm(在距傳感器25m的范圍內(nèi)時(shí)牭氖學(xué)精度產(chǎn)生出來(lái)的。“水聲吶”符合IHOS-44標(biāo)準(zhǔn)的要求。要強(qiáng)調(diào)的是最終的測(cè)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(bǔ)償器等輔助儀器。
其精確的勘測(cè)精度經(jīng)由與準(zhǔn)距儀的對(duì)比性測(cè)量得以證實(shí)。先由準(zhǔn)距儀對(duì)未充水的旱池進(jìn)行測(cè)量,注滿水后再用“水聲吶”進(jìn)行測(cè)量。兩測(cè)量圖一致性較好。
2.經(jīng)濟(jì)性
“水聲吶”的經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。它能夠以非常快的勘測(cè)速度和寬度獲取高分辨率的數(shù)據(jù),這就意味著在對(duì)河床的勘測(cè)工作中節(jié)省了巨大的成本開支。
除了其獨(dú)特的效率外,“水聲吶”的結(jié)構(gòu)異常緊湊;驹O(shè)備由一個(gè)傳感裝置,一個(gè)方位傳感器,一個(gè)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(cè)速度
“水聲吶”的效率是基于保持足夠的分辨率、單邊勘測(cè)寬度約為70m而言的。距傳感器的距離越遠(yuǎn),取樣數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量就越多。這就使得對(duì)掃描的邊緣區(qū)勘測(cè)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(cè)效率與勘測(cè)速率比較。
在合適的條件下,勘測(cè)小艇的航速可達(dá)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(cè)寬度最大可達(dá)140m。
毗鄰的勘測(cè)路線可以互鎖也可以交叉。“水聲吶”的后處理軟件可以自動(dòng)以任何次序從任何區(qū)域開始將各測(cè)量區(qū)數(shù)據(jù)合并起來(lái)。因此,勘測(cè)線路自由靈活,無(wú)需因測(cè)量線路的需要而進(jìn)行不必要的調(diào)整。
另一個(gè)會(huì)對(duì)勘測(cè)效率產(chǎn)生影響的特點(diǎn)是對(duì)測(cè)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(jìn)行壓縮。壓縮模式A是在當(dāng)測(cè)量速度成為嚴(yán)格控制的因素時(shí)使用。最通常使用的是模式B,它可以保證大多數(shù)使用場(chǎng)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(shí)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(cè)量范圍:可以選擇30m、50m或70m。指的是到測(cè)量邊緣的距離,與垂直深度不是一回事。
脈沖頻率
。玻矗龋鸁桩岓距离30m
。保担龋鸁桩岓距离(dān)埃恚
10Hz熥畬缶嗬耄罰埃恚
脈沖時(shí)長(zhǎng)煟矗場(chǎng)ⅲ福禱潁玻保唉蹋
測(cè)量速度:1~4m/s
軟件煵飭砍絳蠔頭治齔絳
傳感器尺寸及重量
高30cm煶擔(dān)埃悖恝熤兀玻擔(dān)耄
輔助裝置
GPS定位裝置!八晠取币笈c其相配的GPS定位裝置符合NMEA標(biāo)準(zhǔn)熎淥產(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(cè)量的數(shù)據(jù)按希望的圖表坐標(biāo)系統(tǒng)貯存在計(jì)算機(jī)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(biāo)點(diǎn)組成,并附有測(cè)量誤差的估計(jì)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(jìn)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(cè),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(cè)任務(wù)。
1.疏浚前后的勘測(cè)
“水聲吶”是對(duì)疏浚工程進(jìn)行規(guī)劃及監(jiān)測(cè)的較快的解決辦法。如果水底是首次進(jìn)行如此正規(guī)的測(cè)量,疏浚工程的效果將會(huì)是高效并更穩(wěn)定的(維持較長(zhǎng)的時(shí)間)。如果先對(duì)河道本身的動(dòng)態(tài)進(jìn)行研究,疏浚工程規(guī)劃結(jié)果就不會(huì)與自然本身的變化特點(diǎn)相沖突,其效果也就會(huì)持久。
使用“水聲吶”回聲勘測(cè)儀,可以非常容易地對(duì)相距較遠(yuǎn)的數(shù)個(gè)疏浚工程進(jìn)行全過程監(jiān)視。小巧的設(shè)備便于移動(dòng)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(cè)。如果實(shí)際疏浚過程與規(guī)劃的不一樣,就可以很快得以糾正,不會(huì)對(duì)河道的動(dòng)力學(xué)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(shí)際情況與規(guī)劃有出入,便可進(jìn)行最后的調(diào)整(補(bǔ)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(dāng)河床由“水聲吶”進(jìn)行電子勘測(cè)后,其勘測(cè)結(jié)果可作為對(duì)環(huán)境規(guī)劃、防洪或生態(tài)計(jì)劃進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬的基本材料。用作這些目的時(shí),為了獲得有效的和長(zhǎng)期持久的效果,對(duì)河床勘測(cè)的正確性與可靠性非常重要。
對(duì)河床進(jìn)行勘測(cè)后,還必須對(duì)河水的流速進(jìn)行勘測(cè),以創(chuàng)建一個(gè)水力學(xué)和生態(tài)模型。由生態(tài)模型,我們可以對(duì)河流進(jìn)行動(dòng)態(tài)研究:如果不做任何施工將來(lái)會(huì)是什么狀態(tài),如果對(duì)某些特定的部位進(jìn)行疏浚將會(huì)產(chǎn)生什么效果,新的建筑物會(huì)對(duì)河流的動(dòng)力學(xué)特性造成何種影響,水流量突然增加會(huì)產(chǎn)生什么結(jié)果等等。有了這樣的模型,當(dāng)計(jì)劃改進(jìn)水質(zhì),或建造新的工程時(shí),就可以做出正確的決定了。
生態(tài)模型可以用來(lái)模擬現(xiàn)在的狀態(tài),還可以對(duì)規(guī)劃中的河流恢復(fù)治理及對(duì)各種治理方案的效果進(jìn)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(cè)結(jié)果創(chuàng)建一個(gè)二維水力模型。再由這個(gè)水力模型計(jì)算出一個(gè)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(dāng)規(guī)劃一個(gè)新的航道或繪制舊航道圖時(shí),“水聲吶”可以產(chǎn)生即時(shí)勘測(cè)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(cè)繪工程提供較好的解決辦法。
即時(shí)地顯示河道橫斷面的快速勘測(cè)結(jié)果可以立即獲得水底地形的概況,從而使實(shí)際勘測(cè)工作能以一種較合適的方式開始進(jìn)行。
在測(cè)繪一個(gè)舊河道時(shí),也可以非常容易地看到河底的動(dòng)態(tài)變化:例如,與上次勘測(cè)相對(duì)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(dòng)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(cè)非常寬的水面,單航次可寬達(dá)140m,并且仍然可能收集非常好的分辨率的數(shù)據(jù)。對(duì)于較寬的覆蓋范圍可以即時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,這樣可以保證測(cè)量范圍內(nèi)沒有漏測(cè)的部位。
在測(cè)量工作完成后,根據(jù)分辨率要求的不同對(duì)數(shù)據(jù)按所期望的壓縮模式進(jìn)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(duì)河底進(jìn)行可靠和精確模擬才能正常工作的多種場(chǎng)合。
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