橡皮冲锋舟搭载多波束测深系统的设计与应用

张智敏，梅同单，袁野，甘坤

(长江水利委员会水文局西南诸河水文水资源勘测局，云南 昆明 650051)

1 引 言

多波束测深系统是利用发射换能器阵列向海底发射宽扇区覆盖的声波，利用接收换能器阵列对声波进行波束接收，通过发射、接收扇区指向的正交性形成对水下地形的照射脚印，对这些脚印进行有效处理，一次探测就能给出与航向垂直的垂面内上百个甚至更多水域被测点的水深值，从而能够精准、快速地测出沿航线一定宽度内水下目标的大小、形状和高低变化，比较可靠地描绘出水域地形的三维特征[2]。在海洋及内河测量中可以获取水下地貌的点云数据，测量效率和精度高，在水下地形测量、水电站库容淤积测量、重要建筑物扫测、涉水应急测量等方面应用广泛。

市面上主要使用的多波束设备有劳雷公司R2 Sonic系列、Reason公司的Seabat系列、Kongsberg公司的EM系列等，以及国产中海达iBeam、海卓MS系列等，型号较多且各具特点[3]。不同的设备性能决定了多波束换能器重量，其主要声学设备(换能器)，轻便型的仅仅有 4 kg，重型的有 25 kg，甚至更重，加上安装支架等全套系统轻则十几公斤，重则上百公斤。轻便型的可以使用无人船搭载，但大部分还是使用铁制机动船搭载，多波束的重量、性能、测量环境和测量精度等决定了搭载船的大小[4]。

多阵列适用于大水深测量，此多波束系统往往设备较重，对搭载船要求更高，无人测量船难以满足要求且价格高昂；对于测量精度来说，大型的搭载船相比无人船等姿态更为稳定，测量成果更可靠。在内河水下扫测生产中，更需要便于携带运输、易于安装使用的小型搭载船，橡皮冲锋舟是最佳选择。在长江等船只较多且通航条件较好的河段，使用者往往租用船只或者自配船只测量，基本能满足测量需求。但在一些不通航河段，难以找到合适的搭载船只，以及在船只难以到达的局部地区，如水电站水垫塘、泄洪洞或河流浅滩区域，受船只等因素的影响较难发挥多波束测量系统的优势。

传统的铁制机动船体积大，运输不便，成本较高，采用租赁船只的方式也受当地船只情况限制，使用测量船存在难以控制、受测量环境影响等问题。橡皮冲锋舟体积小、质量轻、便于携带，测量时机动灵活[4]，非常适用在局部测量环境。本文以R2 Sonic 2024多波束测深系统为例，将橡皮冲锋舟作为载体，对其进行加工改造以达到搭载多波束测深系统进行测量的目的，以实现对普通船只难以到达的区域进行扫测。

2 橡皮冲锋舟设计改造

市面上冲锋舟种类较多，常规的有玻璃钢冲锋舟、橡皮冲锋舟、不锈钢冲锋舟等，船只规格也有大有小，大的有十几米长，小的仅有一米左右。各生产单位按需配备不同类型的冲锋舟。当测量项目较大或需要周期性观测，大多采用玻璃钢冲锋舟，其优点是船体稳定，抗风浪能力强，便于安装设备等；但多数生产单位往往采用的是橡皮冲锋舟，其优点是价格便宜，易于折叠，方便搬运和运输，灵活性更强。本文主要是研究采用橡皮冲锋舟对其进行改造，已达到测量的需要。

常规测量采用的橡皮冲锋舟主要是橡皮制作气囊，使用时充气即可，测毕将气囊内气体放空即可收叠运输；底板采用铝合金材质制作，使用时拼接起来即可，如图1所示：

图1 橡皮冲锋舟外观示意图

在测量使用中，往往选择在船舷安装测深换能器，船板上安装固定采集设备以达到测量的目的。由于承载能力不大，受风浪影响大，且安装的测深设备重量不宜太重，一般仅为几公斤。如多波束测深系统等测量设备时常难以使用，故需对其进行改造。

(1)改造方案

橡皮冲锋舟改造设计方案为：将冲锋舟底部气囊去除，在底板开孔，孔径大小根据入水测量设备的大小确定；在船底板上设计制作安装支架，以适合将测量设备入水，保证船体的稳定和正常航行、承载的需求。

(2)改造实例

本案例所改造的冲锋舟为常规的4.25 m长的橡皮冲锋舟，其宽度为 1.75 m，侧面为4个充气气囊连接形成，底板为4块铝合金拼接而成，发动机采用雅马哈两冲程30马力发动机。

在底部橡皮和底板上开孔，根据R2 Sonic 2024多波束测深设备换能器的需要，开孔大小设置为 55 cm*70 cm。因为底部气囊减少，将底板加厚处理，同时采用螺丝固定设备安装支架基座，如图2所示：

图2 橡皮冲锋舟改造设计图

安装平台采用304不锈钢材质钢管，用螺丝拼装固定，将底部橡皮加长，防止航行时底部进水。多波束换能器定制连接杆，本文研究所用的R2 Sonic 2024多波束换能器下部为法兰盘连接，定制法兰盘，如图3、图4所示：

图3 安装支架

图4 换能器连接杆

3 应用实践

在澜沧江中游某电站坝下水垫塘区域和泄洪洞区域多波束扫测项目中，使用R2 Sonic 2024多波束测深系统进行外业采集，分析岸坡和江底的冲刷掏空和淤积情况。由于测区属于狭长形河道，两岸有大量暗礁，主河道宽度仅 20 m左右，水流流速约2 m/s，部分河段流速较大且伴有漩涡，使用常规测船存在许多安全风险，故采用改装后的冲锋舟测量。

(1)安装设备

将改造后的橡皮冲锋舟充气组装，将支架等安装在船上，冲锋舟抬入水中。R2 Sonic 2024多波束换能器与定制的法兰盘连接杆进行连接，将换能器放入水中，采用换能器连接杆的上部横杆与安装平台连接，尽量使换能器连接杆竖杆垂直。换能器安装后，将安装平台上用制作的板材盖住并固定，在盖板上安装显示器、光纤罗经、GNSS设备等。

测量设备包括多波束2024换能器、控制器接线盒、GNSS、运动传感器、声速剖面仪、数据采集计算机等。其中，运动传感器采用法国OCTANS光纤罗经，GNSS采用Trimble R7 GNSS双频分体接收机，声速剖面仪采用海鹰HY1200B。

(2)数据采集

将R2 Sonic 2024多波束测深系统换能器、罗经、GNSS等数据接入笔记本电脑，采用PDS2000外业采集软件进行数据采集。由于冲锋舟航线灵活，发动机动力强劲，对流速较大或暗礁区域均进行了扫测。

通过多波束测深系统采集高密度点云数据，能直观地看出岸坡和江底的冲刷掏空情况。生成的点云数据与单波束测量数据对比接近，数据可靠。通过对比数据，分析出水垫塘区域和泄洪洞区域的冲刷淤积情况，为电站安全运行提供技术支撑。

采用橡皮冲锋舟测量时，未出现因船体抖动或换能器抖动等因素造成的数据成果质量问题，其测量的便捷性和适用性凸显。但是该船体不适用于水域高速航行。

4 结论与思考

通过对橡皮冲锋舟的改造，实现了采用橡皮冲锋舟搭载R2 Sonic 2024多波束测深系统的需求。

此次橡皮冲锋舟改造，船体及加工改造成本低，实用性较强，再加上橡皮冲锋舟易于折叠，方便搬运和运输、灵活性强等特点，大大提高了多波束测深系统等大型测量设备的使用效率。其改造和安装方式同样可搭载单波束测深仪、ADCP、浅地层剖面仪等水下测量设备，在水利测量工程应用中非常值得推广和借鉴。对于测区环境要求较高的区域，同样有很强的适应性。

但是由于该船设计时下部开孔，阻水面积加大，不太适用于水域的高速航行。