CN108120987A - 一种大江大河的水下河道地形测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大江大河的水下河道地形测量装置及测量方法，包括控制基站和探测船，探测船的前方设有雷达避撞声呐，探测船上设有组合声呐、通讯天线、GPS天线和航行系统，组合声呐包括侧扫声呐或多波束回声测深仪，探测船利用组合声呐测量河道底部地形信息，利用雷达避撞声呐获取航线上障碍物信息，利用通讯天线与控制基站进行通信，通过GPS天线获取实时位置信号，控制基站通过航行系统控制探测船的航行速度和方向。本发明基于多波束测深技术，适用于河道底部地形，通过探测船前方的前视避撞声呐探测探测船前行方向障碍物，保证探测船航行过程中的安全，极大地降低了劳动强度，测量效率高。
Description
技术领域
本发明涉及河道测量技术领域，特别涉及一种大江大河的水下河道地形测量装置及测量方法。
背景技术
我国内陆包括大量的大江、大河，在内陆河道管理过程中，经常需要绘制河道底部的地形地貌图，以往的测量方式多采用人工测量的方式测量河道的深度，该方式不能很好的绘制河道底部的地形和地貌。
随着科技的进步，各种先进设备层出不穷，能够应用与测量水深的设备不断应用。
现在已经有很多仪器设备测量水下地形，主要有两类：海洋海底地形测量，以及海洋捕捞业采样同样原理的水下声呐探测。这类设备昂贵，而且对船体要求很高。内陆湖泊水库水下地形测量，相对而言水面较为平静，对测量难度不大。流动江河水下地形测量，岸边水浅，河道中间可能有滩涂、暗滩，并且水流较急，难度较大，但具有完备设施的大型测量船又无法运行。
近年来水下地形测量系统多采用多波束测深仪替代单波束测深仪，但是由于内陆江河作业特点，需要进一步提高测量精度。
多波束测深系统，又称为多波束测深仪、条带测深仪或多波束测深声呐等，最初的设计构想就是为了提高海底地形测量效率。与传统的单波束测深系统每次测量只能获得测量船垂直下方一个海底测量深度值相比，多波束探测能获得一个条带覆盖区域内多个测量点的海底深度值，实现了从“点—线”测量到“线—面”测量的跨越，其技术进步的意义十分突出。
与在海洋水深测量作业相比，内陆大江、大河的河道测量相对较为简单，但是，河道的水深相对于海洋更浅，河道水深测量的手段较为单一，作业效率低。并且大江、大河还存在一些险滩，测量作业过程也较为复杂。如何快速准确地对内陆大江、大河的河道底部进行测量并获取测量数据是目前迫切需要解决的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种大江大河的水下河道地形测量装置及测量方法。
根据本发明的一个发明目的，本发明采用如下技术方案：
提供一种大江大河的水下河道地形测量装置，包括控制基站和探测船，所述探测船的前方设有雷达避撞声呐，所述探测船上设有组合声呐、通讯天线、GPS天线和航行系统，所述组合声呐包括侧扫声呐或多波束回声测深仪，所述探测船利用所述组合声呐测量河道底部地形信息，利用所述雷达避撞声呐获取航线上障碍物信息，利用通讯天线与所述控制基站进行通信，通过所述GPS天线获取实时位置信号，所述控制基站通过所述航行系统控制所述探测船的航行速度和方向。
多波束回声测深仪利用多波束回声信号测量、绘制河道底部地形和水深的装置，整个系统由声波收发射器、信号处理装置和工作站三个基本部分组成。侧扫声呐利用回声测深原理探测河道底部地貌，向两侧下方发射扇形波束的声脉冲。
进一步地，所述雷达避撞声呐包括前视避撞声呐。
进一步地，所述控制基站设置在转运车上。通过转运车装载控制基站在河道两岸移动。
进一步地，所述控制基站连接有主控计算机、存储器、显示器和绘图仪，所述存储器、显示器和绘图仪分别与所述主控计算机连接。
进一步地，所述探测船后部对称安装两个浮体，在所述浮体的尾部安装螺旋桨，所述探测船采用螺旋桨推进的方式推进。
根据本发明的另一个目的，提供利用上述一种大江大河的水下河道地形测量装置的测量方法，包括如下步骤：
S1，检查控制基站及探测船和所有设备是否功能正常；
S2，探测船投放到指定的探测航道内，控制基站通过通讯天线控制探测船的航行速度和航行方向；
S3，控制基站控制组合声呐工作，由侧扫声呐或多波束测深系统进行河道底部地形信息测量；
S4，组合声呐将测得的河道底部地形信息通过通讯天线传回到控制基站；
S5，测量完成，控制基站控制探测船返航，回收探测船，并做设备检查；
S6，从控制基站下载测量数据，绘制河道底部地形图。
进一步地，所述探测船航行过程中，由所述控制基站控制探测船的航行系统，由所述探测船雷达避撞声呐探测探测船前行方向障碍物，若所述探测船雷达避撞声呐探测到障碍物，障碍物信号传送至所述控制基站，所述控制基站控制所述航行系统控制探测船进行避让。
进一步地，所述探测船航行过程中，通过所述GPS天线获取实时位置信号。
进一步地，在测量过程中，为保证多波束回声测深仪的测量精度，在船体上设置有电子倾斜仪，通过所述电子倾斜仪测量的倾斜角度对船体横摇变化的影响进行校正。
本发明的有益效果是：
1、本发明示例的大江大河的水下河道地形测量装置及测量方法，基于多波束测深技术，适用于内陆大江、大河的河道底部地形，通过探测船前方的前视避撞声呐探测探测船前行方向障碍物，保证探测船航行过程中的安全。本发明可有效地对河道底部地形进行测量，实现测量的自动化、智能化，极大地降低了劳动强度，测量效率高。
2、本发明示例的大江大河的水下河道地形测量装置及测量方法，通过控制基站和探测船分离的方式进行测量，通过布置在河岸的控制基站，无线控制探测船进行测量作业，不需要人员在探测船上工作，保证了探测人员的安全，避免在较为危险的河道内发生危险事故。
3、本发明示例的大江大河的水下河道地形测量装置及测量方法，采用螺旋桨推进的方式推进，能够满足浅水区域水深测量作业的要求，且作业效率得到很大的提高，完全实现了河道的浅水区域水深测量作业的自动化、智能化，克服了浅水区域水深测量传统作业模式效率低、难度大、安全隐患突出的缺点。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是本发明实施例控制基站的结构示意图；
图3是本发明实施例探测船主控计算机的结构示意图；
图4是本发明实施例探测船对船体横摇变化的影响进行校正的示意图。
图中：1-控制基站，2-探测船，3-转运车，4-电子倾斜仪，5-浮体，6-前视避撞声呐，7-组合声呐，8-通讯天线，9-GPS天线，10-主控计算机，11-存储器，12-显示器，13-绘图仪。
具体实施方式
为了更好的了解本发明的技术方案，下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图2和图3所示，一种大江大河的水下河道地形测量装置，包括控制基站1和探测船2，控制基站1设置在转运车3上，通过转运车3装载控制基站1在河岸移动。
在探测船2后部对称安装两个浮体5，在浮体5的尾部安装螺旋桨，探测船2采用螺旋桨推进的方式推进。
探测船2的前方设有前视避撞声呐6，探测船2上设有组合声呐7、通讯天线8、GPS天线9和航行系统10，组合声呐7包括侧扫声呐或多波束回声测深仪，探测船2利用组合声呐7测量河道底部地形信息，利用雷达避撞声呐6获取航线上障碍物信息，利用通讯天线8与控制基站1进行通信，通过GPS天线9获取实时位置信号，控制基站1通过航行系统控制探测船2的航行速度和方向。为保证多波束回声测深仪的测量精度，在船体上设置有电子倾斜仪4，通过电子倾斜仪4测量的倾斜角度对船体横摇变化的影响进行校正。
控制基站1连接有主控计算机10、存储器11、显示器12和绘图仪13，存储器11、显示器12和绘图仪13分别与主控计算机10连接。通过存储器11存储测量信息，显示器12实时显示测量信息，绘图仪13打印测量图。
利用上述一种大江大河的水下河道地形测量装置的测量方法，包括如下步骤：
S1，检查控制基站1及探测船2和所有设备是否功能正常；
S2，探测船2投放到指定的探测航道内，控制基站1通过通讯天线8控制探测船2的航行速度和航行方向；
S3，控制基站1控制组合声呐7工作，由侧扫声呐或多波束测深系统进行河道底部地形信息测量；探测船2航行过程中，通过GPS天线9获取实时位置信号。探测船2航行过程中，由控制基站1控制探测船2的航行系统，由探测船2雷达避撞声呐6探测探测船2前行方向障碍物，若探测船2雷达避撞声呐6探测到障碍物，障碍物信号传送至控制基站1，控制基站1控制航行系统控制探测船2进行避让；
S4，组合声呐7将测得的河道底部地形信息通过通讯天线8传回到控制基站1；
S5，测量完成，控制基站1控制探测船2返航，回收探测船2，并做设备检查；
S6，从控制基站1下载测量数据，绘制河道底部地形图。
在上述实施例中，
内陆江河水下地形测量作业时，由于水体流动、波浪影响，船体姿态发生变化，使测船在确定平面位置和垂直水深时产生一定的误差。通常测量船航向垂直于水流方向，因此船体横摇是误差的主要来源。
在进行多波束数据处理时，采用的是中央波束垂直向下的基准方向。横摇偏差使数据归算的基准方向发生偏移(例如中央波束轴向不垂直向下)，导致测量成果产生误差。为保证多波束回声测深仪的测量精度，在船体上设置有电子倾斜仪，通过电子倾斜仪测量的倾斜角度对船体横摇变化的影响进行校正。
校正方法如下：
如图4所示，设多波束回声测深仪一次发射N个波束，各波速之间的波束角为β，扇区开角(N-1)*β，则第n号波束为中央波束。D为实际水深。可推导偏差计算公式如下：
式中，D为实际水深；i为波束号：α为横摇偏差；dx为水底某点在沿测量船航向上的水平误差；dy为水底某点在垂直于测最船航向上的水平误差；dz为水底某点深度误差(测量深度值与实际深度值之差值)。由于横摇偏差对测深点的水平位置x不产生影响，因此dx值为零。
以水深20米为例，当横摇偏角为1°时，测量点横向偏移0.36米，深度偏差1.4米(7％)；当横摇偏角为2°时，测量点横向偏移0.75米，而深度偏差3.01米(15％)。
在精确测量时，这种误差不容忽视。因此特需要在无人船水下地形测量系统中加入电子倾斜仪(实时记录船体姿态)，以及加入后期数据矫正模块。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (9)
1.一种大江大河的水下河道地形测量装置，其特征在于，包括控制基站和探测船，所述探测船的前方设有雷达避撞声呐，所述探测船上设有组合声呐、通讯天线、GPS天线和航行系统，所述组合声呐包括侧扫声呐或多波束回声测深仪，所述探测船利用所述组合声呐测量河道底部地形信息，利用所述雷达避撞声呐获取航线上障碍物信息，利用所述通讯天线与所述控制基站进行通信，通过所述GPS天线获取实时位置信号，所述控制基站通过所述航行系统控制所述探测船的航行速度和方向。
2.根据权利要求1所述的大江大河的水下河道地形测量装置，其特征在于，所述雷达避撞声呐包括前视避撞声呐。
3.根据权利要求1所述的大江大河的水下河道地形测量装置，其特征在于，所述控制基站设置在转运车上。
4.根据权利要求1所述的大江大河的水下河道地形测量装置，其特征在于，所述控制基站连接有主控计算机、存储器、显示器和绘图仪，所述存储器、显示器和绘图仪分别与所述主控计算机连接。
5.根据权利要求1所述的大江大河的水下河道地形测量装置，其特征在于，所述探测船后部对称安装两个浮体，在所述浮体的尾部安装螺旋桨，所述探测船采用螺旋桨推进的方式推进。
6.根据权利要求1-5任一所述的大江大河的水下河道地形测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，检查控制基站及探测船和所有设备是否功能正常；
S2，探测船投放到指定的探测航道内，控制基站通过通讯天线控制探测船的航行速度和航行方向；
S3，控制基站控制组合声呐工作，由侧扫声呐或多波束测深系统进行河道底部地形信息测量；
S4，组合声呐将测得的河道底部地形信息通过通讯天线传回到控制基站；
S5，测量完成，控制基站控制探测船返航，回收探测船，并做设备检查；
S6，从控制基站下载测量数据，绘制河道底部地形图。
7.根据权利要求6所述的大江大河的水下河道地形测量装置的测量方法，其特征在于，所述探测船航行过程中，由所述控制基站控制探测船的航行系统，由所述探测船雷达避撞声呐探测探测船前行方向障碍物，若所述探测船雷达避撞声呐探测到障碍物，障碍物信号传送至所述控制基站，所述控制基站控制所述航行系统控制探测船进行避让。
8.根据权利要求6所述的大江大河的水下河道地形测量装置的测量方法，其特征在于，所述探测船航行过程中，通过所述GPS天线获取实时位置信号。
9.根据权利要求6所述的大江大河的水下河道地形测量装置的测量方法，其特征在于，在测量过程中，为保证多波束回声测深仪的测量精度，在船体上设置有电子倾斜仪，通过所述电子倾斜仪测量的倾斜角度对船体横摇变化的影响进行校正。
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