国产参量阵浅地层剖面仪高含沙量河道断面测量试验
2026-07-24
2026年7月，翱飞（无锡）科技有限公司携自主研制的国产参量阵浅地层剖面仪，在黄河中游某水文站开展调沙期间河道断面深度测量试验。试验历时三天，涵盖侧舷安装和无人船搭载两种作业模式，重点验证了设备在高含沙量（60～204 kg/m³）条件下的测深能力与数据稳定性。
设备介绍
参量阵浅地层剖面仪基于非线性声学原理工作：换能器同时发射两个频率接近的高频声波信号（f₁、f₂），声波在水介质中传播时，由于水的非线性效应形成差频波 |f₁−f₂|。因两路主频非常接近，差频可低至几千赫兹，具有较强的沉积层穿透力；同时主频频率高，换能器可小型化，便于安装与搭载。差频声波无旁瓣，波束指向性好，空间分辨率高。
本次试验使用的设备为便携式一体式结构，支持舷侧安装及无人船搭载，标配声呐采集与数据处理软件。
设备主要性能指标
| 参数 | 指标 |
| 原频频率 | 85～115 kHz |
| 差频频率 | 5～25 kHz |
| 脉冲长度 | 0.05～1 ms |
| 脉冲类型 | CW / Chirp 可选 |
| 发射速率 | 最大 20 ping/s |
| 原频张角 | ~5° |
| 差频张角 | 5～6° |
| 原频声源级 | ≥238 dB re 1 μPa @ 1 m (100 kHz) |
| 差频声源级 | ≥194 dB re 1 μPa @ 1 m (20 kHz) |
| 动态范围 | ≥110 dB |
| 距离分辨率 | ≤4 cm |
| 穿透能力 | ≤40 m（取决于底质类型和环境噪声） |
| 作用距离 | ≤200 m |
| 姿态补偿 | 支持 Heave 校正与补偿 |
| 供电 | 24 VDC / 220 VAC 转 24 VDC |
| 外接接口 | GPS、姿态传感器 |
外业测试
外业测试分两个阶段：第一阶段在水文站 A 采用侧舷安装方式，测试调沙高峰期高含沙量条件下的测深表现；第二阶段在水文站 B 采用无人船搭载，同步验证浅剖与 ADCP 联调功能。
水文站 A：侧舷安装，高含沙量测试
【图1 设备侧舷安装与高含沙量河水实景】
【图2 设备安装细节】
设备通过固定支架安装于水文测量船右舷，采用艏、尾及兜底绳三根缆绳加固，换能器吃水深度约 1 m。
码头定点测量 7月7日 9:13，含沙量 165 kg/m³，流速 2～3 m/s。码头区域定点比对：测量杆实测深度 3.7 m，设备测量深度 3.9 m，两者吻合良好。
【图4 码头定点测量现场】
河道断面测量 7月7日 10:43，含沙量 170 kg/m³。先后完成去向和返向两条断面测量，断面成图清晰，河底地形变化可辨。
【图5 去向断面成图】
【图6 返向断面成图】
河道定点测量 11:17 起在多个测点开展定点对比测量：码头测点 1 测量杆实测 4.1 m，设备测量 4.2 m；测点 2（停船状态）记录到河道内深度较大起伏，反映河床地形的复杂性。截至 13:00 完成多个测点的测深比对。总体而言，设备测深比铅鱼测深多 20～40 cm（铅鱼位于上游约 5 m 处、设备位于下游，存在空间位置差异），设备测深与插杆方式的结果更为接近。
【图7 码头测点1测量界面】
【图8 测点2 河道深度起伏观测】
河道走航测量 7月7日 17:54，含沙量降至 80 kg/m³。配合水文站取样作业开展河道走航测量，获取连续断面数据，19:00 返回码头完成当日全部任务。
【图11 河道走航测量数据集合成图】
当日小结：在 165～170 kg/m³ 极高含沙量条件下，无论定点测量还是走航测量，测底信号均清晰稳定，设备仍有余力。其中 10 kHz 频率信号测量效果尤其出色；Chirp 调频信号以 8～12 kHz 效果最佳，频率偏离该范围后效果迅速衰减。
7月8日河道定点测量 设备吃水 97 cm，含沙量 204 kg/m³，流量 2700 m³/s。停岸记录深度 4.56 m，插杆实测 4.3 m，差异约 26 cm。当日含沙量由 204 kg/m³ 逐步下降至 80 kg/m³，多时段连续测量中设备均能稳定获取有效回波数据，各时段断面成图清晰。
【图13 7月8日含沙量204kg/m³ 停岸记录】
【图14～16 各含沙量时段断面成图】
定点测深对比数据 16:31，含沙量 60 kg/m³，流速 2 m/s。完成定点测深比测，设备测深与铅鱼测深结果基本一致：
| 序号 | 时间 | 起点距离 (m) | 设备测深 (m) | 铅鱼/插杆 (m) | 差值 (m) |
| 1 | 16:53 | 85 | 4.20 | 4.20 | 0.00 |
| 2 | 17:01 | 110 | 6.50 | 6.50 | 0.00 |
| 3 | 17:06 | 130 | 7.10 | 7.00 | +0.10 |
| 4 | 17:21 | 150 | 7.46 | 7.30 | +0.16 |
| 5 | 17:26 | 170 | 7.10 | 6.70 | +0.40 |
| 6 | 17:31 | 190 | 5.20 | 5.14 | +0.06 |
| 7 | 17:33 | 210 | 4.10 | 4.00 | +0.10 |
| 8 | 17:36 | 200 | 5.07 | 4.88 | +0.19 |
| 9 | 17:41 | 180 | 6.20 | 6.10 | +0.10 |
| 10 | 17:45 | 170 | 7.40 | 7.00 | +0.40 |
| 11 | 17:49 | 160 | 7.69 | 7.60 | +0.09 |
| 12 | 17:52 | 140 | 7.28 | 7.20 | +0.08 |
| 13 | 17:56 | 120 | 6.86 | 6.83 | +0.03 |
| 14 | 17:59 | 100 | 4.60 | 4.50 | +0.10 |
注：铅鱼安装位置距设备约 5 m 且位于上游方向，空间位置差异会导致一定测深差异；设备测深与同位置插杆方式对比更为吻合。
水文站 B：无人船搭载，浅剖与 ADCP 联调
7月9日 9:16，含沙量 60 kg/m³，流速 2.9 m/s，流量 1500 m³/s。设备安装于无人船，吃水仅 13 cm，先后完成去向和返向断面测量。
【图3 无人船搭载与换能器安装细节】
【图18 去向断面成图】
【图19 返向断面成图】
联调测试 7月9日下午，合作方技术人员排查解决 ADCP 配套 GNSS 设备线缆问题，码头测试确认浅剖与 ADCP 联调功能正常。此时段含沙量 60～70 kg/m³，断面平均流速 3.05 m/s、最大流速可达 4 m/s。进入实测阶段后，设备出现间歇性无回波能量的情况。
问题排查 通过主流段悬停测试与岸边对比测试（人力晃动无人船增大 Roll/Pitch 角度、甚至抬起船头十余度做极限测试，回波能量均未大幅异常），分析认为：高流速下无人船姿态剧烈变化是回波能量不稳定的主要原因——设备吃水仅 13 cm，换能器入水极浅，3 m/s 以上流速下船体俯仰横滚变化较大，换能器可能间歇性接近或露出水面，恶化声波收发条件。这对无人船平台在高流速场景下的安装方式提出了更高的姿态稳定性要求。
【图20 高流速下设备无回波能量情况】
【图21 主流段悬停测试效果】
总结
本次试验历时三天，国产参量阵浅地层剖面仪在黄河调沙期间极端工况下完成全面验证：
1. 高含沙量适应性强——含沙量 60～204 kg/m³ 范围内均能获得有效回波；165～170 kg/m³ 极高含沙量下信号清晰、设备仍有余力，充分验证参量阵技术在浑浊水域的穿透能力。
2. 测深精度可靠——14 组定点对比数据显示设备测深与铅鱼/插杆测深整体吻合，平均偏差 10～20 cm 量级，满足水文断面测量精度要求。
3. 频率响应特性明确——10 kHz 频段表现最优，Chirp 调频 8～12 kHz 效果最好，为同类场景参数设置提供数据支撑。
4. 平台适配性需关注——侧舷安装在各类工况下表现稳定；无人船搭载在高流速（>3 m/s）、极浅吃水条件下需优化换能器安装方式，确保换能器始终有效入水。
本次试验充分展示了国产参量阵浅地层剖面仪在高含沙量河道断面测量中的优异性能，为参量阵技术在水利水文领域的推广应用积累了宝贵的实战经验。
