江西省洪图水利水电设计有限公司前身为江西省水利科学研究所综合设计室，成立于1985年，是建设部批准的乙级工程设计单位。20年来，通过全体干部职工的共同努力，现已发展成具有承担综合设计任务能力的独立设计单位。现有各类工程技术人员63人，其中中级职称以上的专业技术人员44人，占70%。公司技术力量雄厚、专业配备齐全。主要从事水利水电工程设计，给水排水工程设计以及水下地形测量等。

    近十来年公司先后完成了20多项中、小型水利水电工程设计及多项城镇供水工程的设计，主要有信丰县中村水库加固设计、江西省三湖联圩新干段除险加固设计、江西省九江长江大堤永安段四面六边透水框架群抛投护岸设计、江西省万年县大港桥水库供水工程设计、江西省玉山县七一水库至县城引供水工程设计等。 2000年从美国引进一套具国际领先水平的多波束水下测量系统(SeaBat8101), 近两年采用 SeaBat8101 多波束水下测量系统先后完成九江长江大堤部分江岸和抚河南昌县段部分江岸水下地形测量工作。

    公司一贯坚持“ 守法、诚信、科学”的工作态度。在设计过程中能做到讲信誉守合同，特别注意设计文件质量的控制，严格执行国颁、部颁规程规范，加强设计质量“三环节”管理，即事先指导，中间检查，成果校审。多年来，一直受到客户的好评。

多波束水下测量超声仪（ SeaBat8101 ）

    SeaBat8101 是美国RESON公司SeaBat系列的最新产品，波束数101 个，波束开角150°。SeaBat810 1多 波束测深系统可以对水下地形地貌进行大范围全覆盖的测量及实时声纳图象显示，结合实时动态（RTK）GPS定位，可以迅速获得各种比例尺的水下地形图、DTM数字高程图，其测量成果可以精确反映水下细微的地形变化和目标物情 况，极大地提高了测量的精度和效率，也是汛期进行水下监测的重要手段。

    目前，该系统已在江西九江长江江岸整治工程建设及抚河大堤建设等国家重点项目中得到初步应用，应用效果较好。这套系统具有较高的测量精度和测量效率，能够满足不同要求的水下测量工作的需要，突破了我国现有的水下测量技术手段，并将在推动和发展我国水下测量技术及水下监测技术中发挥重要作用。

    1 、系统的工作原理

    水下地形测量的基本原理是利用声波的反射时间来计算该点的水深。早期的产品有当前我国仍在大量使用的单波束回声测深仪，而目前国际先进的产品是多波束测深仪。这两套系统虽然工作原理相同，但单波束回声仪每次只能发射一束声波，只能得到一个水深数据点。如利用单波束回声仪测量一个区域的水下地形，须先根据出图比例和规范要求，预先确定测点和测线的间距，再用水文船逐点进行测量，以此画出地形等高线图或断面图。当前，我国不少单位将单波束回声仪与GPS技术相结合，并开发了相应的现场数据采集与后处理软件，这已大大提高了水下地形测量的效率。由于单波束回声仪的声波发射角一般为150×15°，这导致水下声波覆盖面太宽而大大降低了测量的精度，使之无法适应大比例尺要求精细的水利工程测量。

    随着近几年来水下地形测量技术的发展，单波束回声仪已不能满足需求，进而开发了多波束测深仪。多波束水下地形测量系统是由声学仪器、GPS、姿态及航艏数字传感器、计算机及功能强大的软件组成的高技术设备．多波束换能器以一个较大的开角（如150o）向水下发射声波，同时接收几十束或上百束声波（如101束），那么每发出一个声波，便可在垂直于航线上得到一组水深数据.当测船连续航行时，便可得到一个宽带的水下地形资料. SeaBat8101系统每次接受101个波束，每个波束开角1.5°×1.5°，总开角为150°，测量的覆盖宽为水深的7.4倍（水深小于70m时）。与单波束回声仪相比，多波束测深仪最大的优点是测点多、全覆盖、精度高、能够准确全面地反映水下地形起伏变化情况。

    SeaBat8101中配有侧扫声纳，可在进行水下地形测量的同时观察测区的水下地形起伏变化。侧扫声纳主要用于对水下地貌、地物、物体进行目标搜索和监测。当安装在船上的换能器发射一个声波脉冲后，声波以球面波的方式向远方传播，碰到水底后产生反射波或反向散射波，并沿原路线返回到换能器。 从回波反射信号的强弱来看，硬的、粗糙的、凸起的水底回波信号强， 软的、平坦的、下凹的水底回波信号弱，被凸起物遮挡部分的水底则没有回波信号，回波信号幅度的高低就包含了水底起伏变化和软硬的信息。每发射一次声波信号，便可得到垂直与船航行方向的一条线上的水下地貌信号，当船连续航行，换能器按一定时间间隔做发射/接收信号，经过信号处理后，便得到了一条带状水下二维地形地貌声像图。根据接收设备的配置，声像图可以是彩色的，也可以是黑白的。因此也有人把侧扫声纳比作医学上使用的CT机或B超。

    2、系统的基本配置及其功能

    Seabat8101是美国RESON公司生产的SeaBat系列中的最新产品之一，与长江水利委员会水文局的SeaBat9001s相比，波束数由90个增加到101个，波束总开角由90o增加到150o，水下有效覆盖更宽，系统软件功能更强。

主要技术指标如下：

工作频率： 240KHZ

分辨率： 1.25cm

波束数： 101个

波束总开角： 150o

单个波束开角：1.50X1.50

最大采样速率：30次/s

工作范围设定：0.5~300m

水下有效覆盖宽：水深1~70m，为7.4倍水深，水深150m，为2.7倍水深；

航速：最大30节（每节1.85 km/h）；

声纳头电源：24VDC，2Amps，由81-P处理器提供；

81-P处理器电源：100/240VAC，47/63HZ，最大功率100w。

    （1）Seabat8101 水下声纳发射与接收换能器（声纳探头）：探头外壳由坚硬的已作阳极化处理的铝金属制成，包含探头主体和上下两个盖子(导流罩)。探头下部为一枝状发射器，由此发射声脉冲，经水体传播、河底或水中物体反射后，为位于探头中部一圈的101个相互独立的换能器所分别接收，接收的声纳信号可在换能器中初步处理，经由电缆将初步处理的数据传送给81-P处理器。

    （2）81-P处理器（图1）：由其发送控制指令给探头，并从探头接收采集信息，以控制数据的采集、显示。对探头实行实时的可视化监控。

图1

    （3）主控计算机：由6042软件控制数据的贮存和输入/输出，对测线数据进行实时监视和记录。由其接收来自81-P处理器、导航与定位、姿态传感器与电罗经等的数据，在6042系统软件的支持下，完成外业实测数据的记录、显示。在WindowsNT下运行的6042系统软件，通过一个多功能接口（8个串行口）及以太网进行数据的输入与输出。6042软件包含导航模块，可进行测船导航，指导船长跑线（包括航速）。6042软件具有很强的显示功能，如原始多波束数据的实时动态三维显示、侧扫声纳图象实时动态显示等。

                 图1 Seabat8101测深系统配置示意图

    （4）DGPS（差分GPS）：差分GPS，给出精确的天线坐标（XYZ），并将该信息输入系统的其他设备（主机、姿态传感器等）。

    （5）数字电罗经：给出精确的真北方向和测船的航艏方向的夹角，输入主机及姿态传感器。

    （6）姿态传感器：由于测船的起付摇摆直接影响测量精度，姿态传感器将记录测船的起伏、纵偏、横偏等信息，输出到主机，以对测点数据进行校正。

    （7）后处理系统：包括后处理计算机、彩色绘图仪等硬件系统和后处理软件（CARIS软件）组成。

    3、系统的运转

    系统运转时，DGPS实时动态（RTK）地测定安装在船上的GPS天线的平面位置（图2为GPS基准站的架设）；GYRO（电罗经）实时动态地测定船艏与真北方向的夹角；按专用声速剖面仪提供的水体声速，81-P处理器可计算出同步声纳点的水深；主控计算机即可计算出水底各测点的X、Y、Z坐标。

    外业测量前，要对测区状况，尤其是测区范围、水深等有所了解。测量设计在室内地形图上完成；根据测区水深及其变化、探头安装角来确定测线间距。根据水体深浅，测线间距也稀疏有别。外业实测中，测船原则上跑纵断面，以避免深水与浅水的突然过渡引起的测带不重叠；另外，根据DGPS导航信息，测船应沿预置测线航行，以确保测区各测线100%的覆盖。

图2

    启用Seabat8101时，系统可自动采集到各点水深，在81-P彩色显示屏上通过调节增益、功率及范围等来监视同步声纳点数据的质量，同时，在主控计算机中，可监视船体与测线之间的关系、测区等深线的变化及81-P彩色显示屏与主控计算机显示屏之间同步声纳覆盖域内各相应测点点位的同一性关系等。数据采集后，为检测测线数据的采集质量，6042可支持计算机对待检数据进行回放。外业工作结束后，即可利用Caris软件进行数据的处理与成图。如果后处理量不大，可在现场成图。

    4、应用情况

    我们引进Seabat8101 系统后，目前主要应用于护岸工程的测量检测及险工险段的水下监测中，应用效果比较理想。

    受江西省长江干流江岸堤防加固整治工程建设指挥部的委托，我所于2001年7月，对长江九江段永安堤江岸桩号 2+200～3+960、5+120～9+460、12+450～13+050、14+910～15+410和赤心堤江岸桩号5+700～9+500进行了水下地形测量作业（图3、图4），成果能清楚地反映江岸水下地形情况，进一步摸清了该段江岸加固处理后，又经几次汛期后的变化情况，对指导江岸加固处理提供了可靠资料和依据。

图3 声纳探头图4多波束水深剖面显示

    2001年10月受江西省河湖局的委托，采用这套系统对抚河大堤南昌县段部分江岸（桩号20+940～23+000）抛石固脚施工质量进行了检测。2002年7月我们利用这套系统又对长江干堤九江段不同形式的护岸效果(包括混凝土模袋、混凝土铰链排、抛石、四面六边透水框架群)进行了检测，通过检测发现四面六边透水框架群护岸落淤效果非常好。

    5、系统的主要优点

    在近两年的实际运用过程中，我们不断摸索不断总结经验，发现Seabat8101系统与传统水下测量手段相比主要有以下优点：

    ①测量以带状方式进行，波束连续发射和接收，测量覆盖程度高，对水下地形可100%覆盖，与单波束比较，多波束的波束角窄，对 细微地形的变化都能完全反映出来，也就是说单波束是点、线的反映，而多波束则是面上的整体反映。

    ②由于是对地形的全覆盖，其大量的水深点数据使生成的等值线真实可靠，而单波束是将断面数据进行摘录成图以插补方式生成等值线，在数据采集不够时，将导致等值线存在一定偏差。

    ③多波束系统同步记录船体姿态信息，起伏、纵摇、横摇、航向等，由Caris后处理软件对测量结果进行校正，使测量结果受外界不利因素影响减小到最低限度。对于单波束而言，未进行这些校正，其测量结果相比受外界因素影响较大。

    ④Caris后处理软件功能强大，能对测量资料进行多种成图处理，可生成等值线图、三维立体图（图 5、图6）、彩色图像、剖面图等，同时还能对同一测区不同测次进行比较以及土方计算等，这大大简化了我们的工作。

图5 图6

    ⑤由于野外测量记录的是未经任何校正的原始数据，测区是全覆盖，因此在后处理时Caris软件可对同一测区生成不同比例尺的测图，以满足不同的需要。

    ⑥直观性强，可以在现场直观地看到水下的地形起伏、冲淤情况、以及护岸工程的效果，利用软件的回放功能，不仅在现场而且在室内也能演示。

    6、系统的应用前景

    该系统适用于内河、水库、湖泊及海洋等水域的水下地形测量，水下目标物的搜寻及监视，探头的发射功率可调，适用于不同浊度和含沙量的水体。

    系统具有广泛的应用前景。江河、水库、湖泊、海洋水下地形测量，特别是大比例尺（1：2000以上）、大范围的测量；江 岸堤防及险工险段水下监测；水下工程检测（如抛石护岸等）；河道疏浚及港口、码头、桥梁工程测量；水下管线、电缆等监测；沉船、水下物体打捞搜寻。

    多波束系统在防洪减灾中的应用具有巨大的经济效益和社会效益。由于多波束系统具有实时监测功能，可以现场监视水下地物地貌的细微变化，因而在堤防安全、溃口、崩岸监测、水下物体摸探及打捞等具有其它方法不可替代的作用。

    多波束水下测量系统以其全覆盖、无遗漏的测量方式，在效率、精度、分辩率与水下地形成图质量上有了大幅度提高，整个系统从外业到内业全过程真正实现了自动化、智能化和数字化，彻底改变了传统的水下测量手段，具有广阔的应用前景。

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