摘要:為了為海圖的數(shù)字化管理及更新提供高精度的數(shù)據(jù)，在多波束測(cè)深系統(tǒng)的應(yīng)用過(guò)程中，正確設(shè)置并校正其各個(gè)設(shè)備之間的安裝誤差顯得尤為重要。通過(guò)不斷的實(shí)踐，本文總結(jié)了影響多波束測(cè)深精度的幾個(gè)問(wèn)題，并采用正確的校正方法得以解決，確保數(shù)據(jù)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞:GPS延時(shí)縱搖偏差橫搖偏差艏搖偏差

0 引言

目前多波束系統(tǒng)正逐漸普及，并在海上油田井場(chǎng)調(diào)查、航道疏浚、港口測(cè)量、大陸架經(jīng)濟(jì)區(qū)勘測(cè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，可以進(jìn)行高精度、全覆蓋水深測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了由線到面的飛躍。多波束測(cè)深系統(tǒng)連接設(shè)備比單波束測(cè)深要多并復(fù)雜，一套多波束系統(tǒng)由多種設(shè)備或傳感器組成，為了得到真實(shí)世界中精確的三維水深坐標(biāo)必須考慮各設(shè)備間的安裝誤差，并通過(guò)不同校正方法改正其姿態(tài)。本文以多波束SeaBat 8125和軟件PDS2000為例，總結(jié)了影響其測(cè)深精度的幾個(gè)問(wèn)題。

1 多波束系統(tǒng)主要組成

①RESON SeaBat 8125:頻率:455kHz;測(cè)深分辨率:6mm;覆蓋角度:120°;最大測(cè)深范圍:120m;波束數(shù):240;沿航線波束角:1°;垂直航線波束角:0.5°;最大船速:12節(jié);最大發(fā)射速率:40次/秒。②OCTANS光電羅經(jīng)、運(yùn)動(dòng)傳感器:真北方位精度:0.1 °;穩(wěn)定時(shí)間:5分鐘;縱橫搖分辨率:0.01°;升沉精度:5%。③GPS信標(biāo)機(jī)④ PDS2000數(shù)據(jù)采集軟件⑤HY1200聲速剖面儀。

2 影響系統(tǒng)精度的幾個(gè)問(wèn)題及采用措施和校正方法

水中的聲速:海洋中各處的聲速都可能不一樣，它取決于以下三個(gè)參數(shù):鹽度變1ppt=聲速約變1.3m/s;溫度變1°C=聲速約變3 m/s。壓力:165米深度變化的影響相當(dāng)于溫度變1°C。針對(duì)參數(shù)，使用hy1200聲速剖面儀測(cè)前和測(cè)后兩次測(cè)量水中聲速，并將聲速曲線應(yīng)用到數(shù)據(jù)后處理中。背景噪聲:在測(cè)量過(guò)程中，由于聲納、船體電子、氣泡斷裂、螺旋槳和發(fā)動(dòng)機(jī)引起的自身噪聲一般可以控制，而其他聲源如波浪、潮汐、流速、地震、海洋生物和其它船只引起的環(huán)境噪聲，一般不可控制。在自身噪聲控制中，可以采取以下措施:①在換能器上安裝導(dǎo)流罩，設(shè)計(jì)流體型船體形狀，改變聲納頭到船殼的高度等，可使水流氣泡的影響最小化。②仔細(xì)選擇聲納頭安裝位置，遠(yuǎn)離船主機(jī)、副機(jī)、泵和螺旋槳，并保證聲納桿舷側(cè)安裝穩(wěn)定牢固，超出船底。③增益的選擇:當(dāng)水深小于等于5米時(shí)，可以使用固定增益;當(dāng)水深大于5米時(shí)，采用TVG自動(dòng)增益。TVG的確定主要取決于Absorption和Spreading Loss兩個(gè)主要參數(shù)，在干凈的淡水中，或者在海底具有很好的反射體的水中時(shí)，兩個(gè)參數(shù)設(shè)置通常較低，反之，較高。校正:在進(jìn)行多波束校正之前，首先選擇良好的海況和特定的海底地形(有明顯水深變化如航道和港池的邊坡)上采集數(shù)據(jù)，安裝一次就要校正一次，當(dāng)更換設(shè)備或改變傳感器位置時(shí)都需要重新校正。多波束校正包括:①GPS 延時(shí)②橫搖偏差(Roll)③縱搖偏差(Pitch)④艏搖偏差(Yaw)

2.1 GPS延時(shí) 時(shí)間同步是使 PDS 計(jì)算機(jī)的時(shí)間與從GPS 來(lái)的精確時(shí)間同步，以保證實(shí)時(shí)采集的水深值和定位坐標(biāo)保持一致。因?yàn)镚PS接收機(jī)要花時(shí)間計(jì)算位置，還得輸出其他數(shù)據(jù)，大部分GPS都不能沒(méi)有延時(shí)的輸出數(shù)據(jù)，延時(shí)通常從200毫秒到1200毫秒。如圖示一，分別以不同速度兩次測(cè)量同一條線，速度要求相差最少一半，地形要求有明顯水深變化。

2.2 橫搖偏差(Roll) 橫搖偏差即聲納探頭在船型安裝坐標(biāo)系統(tǒng)中的安裝誤差，聲納頭發(fā)射的中央波束沒(méi)有垂直發(fā)射到海底，而是朝船左或船右某個(gè)角度發(fā)射，Roll誤差會(huì)直接導(dǎo)致水深值誤差，水越深誤差越大，因此校正時(shí)應(yīng)達(dá)到0.01°的精度。如圖二，分別以相同速度，選擇平坦地形，不同方向測(cè)量同一條線。

2.3 縱搖偏差(Pitch) 縱搖偏差也是聲納頭在船型安裝坐標(biāo)系統(tǒng)中的安裝誤差，聲納頭發(fā)射的中央波束沒(méi)有垂直發(fā)射到海底，而是朝船前或船后某個(gè)角度發(fā)射波束，Pitch誤差會(huì)造成沿航線方向上的位移，位移值和水深成正比，水深越大位移越大。如圖示三，分別以相同速度，選擇有明顯變化水深地形，不同方向測(cè)量同一條線。

2.4 艏搖偏差(Yaw) 艏搖偏差即聲納探頭發(fā)射波束面在船型坐標(biāo)系中，沒(méi)有垂直于船前進(jìn)方向即坐標(biāo)系Y方向，Yaw誤差會(huì)引起邊緣波束水深點(diǎn)的位置誤差。如圖示四，在斜坡或一個(gè)礁石上布設(shè)兩條平行測(cè)線，測(cè)線間距應(yīng)保證兩個(gè)測(cè)線間有10-50%的波束覆蓋率，測(cè)線方向可以相反也可以相同，速度相同。

2.5 處理校正數(shù)據(jù) 打開(kāi)PDS2000軟件Proessing菜單的Multibeam PatchTest校正應(yīng)用程序。分別調(diào)用對(duì)應(yīng)四個(gè)誤差的測(cè)線數(shù)據(jù)，依次計(jì)算出Latency(延時(shí))、Roll、Pitch、和Yaw的校正值，注意先后順序非常重要，在校正計(jì)算時(shí)要注意潮位改正，因當(dāng)潮位變化很大時(shí)會(huì)引起校正結(jié)果誤差。

3 問(wèn)題數(shù)據(jù)總結(jié)

在實(shí)時(shí)采集狀態(tài)可以通過(guò)測(cè)量覆蓋窗口觀察采集數(shù)據(jù)是否存在異常，一般問(wèn)題如下:①整個(gè)條帶沿航線波浪起伏。原因:運(yùn)動(dòng)傳感器升沉帶寬設(shè)置問(wèn)題;時(shí)間同步不對(duì)。②邊緣波束波浪起伏。原因:系統(tǒng)時(shí)間同步不對(duì);聲納桿不牢固有運(yùn)動(dòng)。③水底聲納信號(hào)有旁瓣特征。解決方法:增加發(fā)射功率及接收增益可消除或減少其影響。④相鄰測(cè)線間的水深不符。原因:運(yùn)動(dòng)傳感器升沉帶寬設(shè)置有問(wèn)題;因流速引起船吃水改變等。

在各種數(shù)據(jù)問(wèn)題中，固定誤差影響是可以在數(shù)據(jù)后處理過(guò)程中改正，如系統(tǒng)安裝位置、吃水改正、潮位改正、固定傳感器延時(shí)偏移和多波束校正參數(shù)等，而可變誤差影響是不可以改正，如時(shí)間同步不正確、聲納頭安裝桿運(yùn)動(dòng)傳感器震動(dòng)、可變定位誤差、運(yùn)動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)漂移和缺乏合適的聲速剖面等。多波束測(cè)深精度的影響因素很多，以上介紹是保證采集真實(shí)可靠的原始數(shù)據(jù)主要影響因素，在實(shí)時(shí)測(cè)量過(guò)程中，要求測(cè)量人員認(rèn)真考慮每項(xiàng)改正參數(shù)，準(zhǔn)確觀察測(cè)深覆蓋圖并判斷是否存在問(wèn)題。隨著多波束的廣泛應(yīng)用，其測(cè)深技術(shù)逐漸成熟。

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