■曲佳 朱峰 龐云天

（中國地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 廣東 廣州510075）

基于HYPACK軟件HYSWEEP模塊的多波束參數(shù)校正方法

■曲佳 朱峰 龐云天

（中國地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 廣東 廣州510075）

HYPACK作為一款廣泛用于海洋調(diào)查和水道測量的綜合性商業(yè)軟件，其多波束處理HYSWEEP模塊經(jīng)過多年來不斷的改進(jìn)，也已得到越來越多HYPACK用戶的認(rèn)可。而多波束參數(shù)校正是確保多波束水深數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，參數(shù)校正的質(zhì)量將對(duì)海底地形地貌的測量精度產(chǎn)生直接影響。本文以南中國海海域采集的多波束數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，簡明的介紹了多波束參數(shù)校正的意義與方法，結(jié)合HYPACK軟件中HYSWEEP模塊的參數(shù)校正功能演示了多波束參數(shù)校正的全過程。

HYPACK HYSWEEP多波束系統(tǒng)參數(shù)校正

1 引言

HYPACK是一款由美國Coastal海洋圖像公司（Coastal Oceanographic）開發(fā)用于海洋調(diào)查和水道測量的綜合性商業(yè)軟件。其主要由測量模塊、單波束處理模塊、多波束處理模塊、最終成果模塊等多種應(yīng)用模塊組成，而HYPACK的測量模塊更是具有設(shè)置靈活、支持硬件多元化的特點(diǎn)，因此，該軟件更多是用在水深測量、單波束與多波束測量的導(dǎo)航定位方面。HYPACK軟件的界面十分友善，是一款人性化、具備通用Windows程序操作風(fēng)格的圖形操作軟件。目前HYPACK軟件在國外擁有龐大的用戶群，享有較高的評(píng)價(jià)，其HYSWEEP模塊、DREDGEPACK模塊經(jīng)過多年來不斷的改進(jìn)，也已得到越來越多HYPACK用戶的認(rèn)可，目前該軟件最新版本為HYPACK2016。

本文以ATLAS MD30中深水多波束系統(tǒng)在中國南海海域采集的多波束數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，詳細(xì)介紹使用 HYPACK軟件中的HYSWEEP模塊對(duì)多波束參數(shù)進(jìn)行校正的方法。

2 多波束參數(shù)校正的意義及必要性

多波束測深系統(tǒng)是一種包含多個(gè)傳感器的復(fù)雜測深系統(tǒng)。由于多波束技術(shù)采取廣角度發(fā)射和多信道定向接收,獲取水下高密度條幅式海底地形數(shù)據(jù)，大大地提高了海底地形勘測的精度、分辨率和工作效率,與傳統(tǒng)測深技術(shù)相比,多波束測深系統(tǒng)在波束發(fā)射接收方式、海底信號(hào)獲取與數(shù)據(jù)處理技術(shù)等方面出現(xiàn)了大量革新,從而使其在系統(tǒng)構(gòu)成、坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換、測點(diǎn)空間歸位方法等方面形成了自身的技術(shù)特點(diǎn)。為了確保多波束測深數(shù)據(jù)的精度,除了配備符合相應(yīng)規(guī)范要求的多波束系統(tǒng)及其外圍設(shè)備外,在測量過程中還必須進(jìn)行嚴(yán)格的各項(xiàng)內(nèi)部影響因素的校正和各項(xiàng)外部影響因素的改正。

多波束測深系統(tǒng)聲學(xué)換能器安裝的幾何誤差將對(duì)測深精度和位置精度產(chǎn)生影響，這一類誤差是由安裝所造成，如在進(jìn)行多波束系統(tǒng)安裝時(shí)，很難將光纖羅經(jīng)的安裝誤差校正至零，與此同時(shí)換能器的安裝精度也受到船體開洞、角度測量和焊接變形等誤差的影響，通常很難按照設(shè)計(jì)要求一次成型。即便安裝良好，同樣也會(huì)在日后使用過程中因船體的微弱變形而引起換能器空間位置的微小變化；測深系統(tǒng)與定位系統(tǒng)的同步性也會(huì)對(duì)位置精度產(chǎn)生影響。而這一類誤差是由定位設(shè)備本身所固有的，不同類型或同一類型但不同型號(hào)的定位設(shè)備其誤差也不盡相同。因此，為了將測量點(diǎn)位歸算的精度提高，必須將多波束各子系統(tǒng)及相關(guān)傳感器的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地融合在一起，盡可能的消除多波束測深系統(tǒng)的內(nèi)部誤差，如換能器的安裝誤差、光纖羅經(jīng)的安裝誤差以及GPS的導(dǎo)航延遲等。而參數(shù)校正是為了消除多波束測深系統(tǒng)內(nèi)部固有誤差而引入的一種誤差改正方法。

3 使用HYPACK軟件中的HYSWEEP模塊進(jìn)行參數(shù)校正

HYSWEEP是基于HYPACK框架開發(fā)而成的功能性軟件模塊，其不但將多波束數(shù)據(jù)采集與編輯集于一體，而且同時(shí)具備實(shí)時(shí)影像顯示、目標(biāo)跟蹤、質(zhì)量控制、參數(shù)校正、CUBE數(shù)據(jù)處理以及生成執(zhí)行與統(tǒng)計(jì)報(bào)告等多項(xiàng)功能，其中強(qiáng)大的數(shù)據(jù)編輯與成圖功能是該軟件模塊的一大亮點(diǎn)。本文僅針對(duì)HYSWEEP模塊的參數(shù)校正功能進(jìn)行詳細(xì)介紹，并利用南海海域多波束數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)校正的方法演示。

在進(jìn)行多波束測深作業(yè)時(shí)，由于導(dǎo)航定位延遲與縱搖偏差的存在會(huì)對(duì)采集的測量點(diǎn)位結(jié)果造成前后偏差，而在平坦海底區(qū)域艏向偏差僅會(huì)造成波束沿偏角的旋轉(zhuǎn)，所以在平坦海底區(qū)域進(jìn)行橫搖校正時(shí)不會(huì)受其他偏差的影響，即橫搖偏差校正獨(dú)立于其他校正，故橫搖校正可首先進(jìn)行，也可在完成導(dǎo)航延遲校正、縱搖校正后再進(jìn)行。本文所采用的順序是導(dǎo)航延遲->橫搖->縱搖->艏偏校正。

圖1 HYSWEEP Editor加載校準(zhǔn)測線后的界面

圖2 HYSWEEP Editor參數(shù)校準(zhǔn)界面

對(duì)于多波束系統(tǒng)中的導(dǎo)航定位延遲而言，可以通過利用GPS的1PPS信號(hào)實(shí)現(xiàn)時(shí)間的精確同步進(jìn)而達(dá)到消除延遲的目的。本文所使用的是ATLAS MD30中深水多波束系統(tǒng)，為其配備的GPS接收機(jī)是美國SDS公司生產(chǎn)的SF-2050雙頻星站差分接收機(jī)，具有1PPS信號(hào)輸出功能，因此，此次在進(jìn)行多波束參數(shù)校正時(shí)直接跳過延遲校正這一步驟。

在開始參數(shù)校正之前需要知道橫搖、縱搖、艏偏校正的方法。就橫搖偏差而言，其校準(zhǔn)方法是選擇一處平坦的海底進(jìn)行一條測線的往返測量,沿航向方向做垂直剖面獲得波束在海底的垂直正投影，從而可以獲得兩個(gè)傾斜方向相反的海底面,如果橫搖誤差存在，圖像上兩個(gè)海底面會(huì)出現(xiàn)交角，如果誤差不存在，則圖像上兩個(gè)海底面完全重合。在實(shí)際校正過程中,應(yīng)不斷反復(fù)校正計(jì)算,直到兩個(gè)平面重合為止。在HYPACK軟件中點(diǎn)擊HYSWEEP->HYSWEEP Editor(64bit)根據(jù)需要加載參數(shù)校正的測線。

測線加載后選用A-B Cross Section and Path Test工具或是界面中的快捷方式進(jìn)行校正剖面切割。當(dāng)校準(zhǔn)剖面生成后在Patch Test中選擇要進(jìn)行的校正類別，即GPS Latency、Roll、Pitch、Yaw中選擇其一,以橫搖校正為例，因此本次選擇Roll選項(xiàng)。而后在Setting中選擇校正調(diào)整方式，有Coarse、Medium、Fine三種方式可以選擇，Coarse為粗略調(diào)整方式，對(duì)應(yīng)的Angle/Time Step為1.00即每次進(jìn)行校正調(diào)整的基礎(chǔ)為1°；Medium為中間調(diào)整方式，對(duì)應(yīng)的Angle/Time Step為0.10即每次進(jìn)行校正調(diào)整的基礎(chǔ)為0.1°；Fine為精細(xì)調(diào)整方式，對(duì)應(yīng)的Angle/Time Step為0.05即每次進(jìn)行校正調(diào)整的基礎(chǔ)為0.05°。通常在進(jìn)行參數(shù)校正時(shí)首先選擇Coarse模式，然后執(zhí)行Start Roll Test操作，同時(shí)觀察界面右下角的Depth Error中的曲線形狀變化，當(dāng)出現(xiàn)粗略U型曲線時(shí)，則要更換為Medium模式進(jìn)行重復(fù)操作直到U型曲線趨近圓滑，然后更換為Fine模式繼續(xù)進(jìn)行以上操作，直到U型曲線趨近完美。在執(zhí)行Test過程中同時(shí)要注意觀察窗口中波束條帶的重疊情況，以此來判斷是否已到達(dá)校正所需要求。當(dāng)獲取到滿意的校正結(jié)果時(shí)，可以點(diǎn)擊Test OK來完成此次校正過程，同時(shí)可以選擇點(diǎn)擊Save Test To History將校正結(jié)果存儲(chǔ)起來，以便隨時(shí)對(duì)此次進(jìn)行的校正結(jié)果進(jìn)行查證比較。

縱搖偏差、艏向偏差不同于橫搖偏差，當(dāng)在平坦海底區(qū)域進(jìn)行測量時(shí)，它們并不會(huì)影響真實(shí)水深值的獲取，只是會(huì)讓波束測點(diǎn)發(fā)生移位。縱搖偏差與艏向偏差兩者對(duì)獲取真實(shí)測量值的影響是綜合的，也是互相關(guān)聯(lián)的，因此為了有效校正偏差對(duì)波束測點(diǎn)造成的移位，需要選取含有明顯地形起伏變化或者顯著特征孤立點(diǎn)的特殊測區(qū)海域來完成校正。就縱搖偏差而言，其校準(zhǔn)方法是選擇一處地形起伏變化明顯的海域進(jìn)行一條測線的往返測量，如果測區(qū)內(nèi)存在顯著孤立點(diǎn)，那布設(shè)測線時(shí)應(yīng)該盡量使中央波束覆蓋目標(biāo)頂部，以此來減少艏向偏差的影響，同時(shí)應(yīng)該保證船速不應(yīng)太快，進(jìn)而達(dá)到增加位置分辨率的目的。由于縱搖引起的位置偏差會(huì)隨著水深的增加而變大，因此校正測區(qū)應(yīng)盡可能選擇在水深較大的區(qū)域進(jìn)行，從而確保增加角度分辨率。如果縱搖誤差存在，往返測線的多波束數(shù)據(jù)疊加圖上會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)分離的目標(biāo)點(diǎn)，如果誤差不存在，則圖像上兩個(gè)目標(biāo)點(diǎn)完全重合。在實(shí)際校正過程中,應(yīng)不斷反復(fù)校正計(jì)算,直到兩個(gè)平面重合為止，HYSWEEP Editor中的操作過程與橫搖偏差校正類似。

艏向偏差也稱羅經(jīng)安裝誤差，該偏差會(huì)引起波束位置以中央波束為中心產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)移位，使波束的平面位置發(fā)生變化，其特點(diǎn)為在中央波束處的移位為零，在邊緣波束處的移位最大。因此校正時(shí)應(yīng)選取具有顯著孤立點(diǎn)或者地形起伏變化明顯的海域進(jìn)行，在目標(biāo)兩側(cè)等距布設(shè)平行直線，要求測線間覆蓋重疊度達(dá)到50%進(jìn)行往返測量。如果系統(tǒng)內(nèi)存在艏向偏差，往返測線會(huì)使目標(biāo)物以中央波束為中心旋轉(zhuǎn)一個(gè)的角度，以致兩條測線的多波束數(shù)據(jù)疊加后成為兩條交叉線，如果誤差不存在則會(huì)是一條線。在實(shí)際校正過程中,與橫搖偏差、縱搖偏差一樣，應(yīng)不斷反復(fù)校正計(jì)算,直到兩條線重合為止，過程同上所述。

4 結(jié)束語

HYPACK作為一款用于海洋調(diào)查和水道測量的綜合性商業(yè)軟件，其HYSWEEP模塊的成功開發(fā)與問世給長期從事多波束技術(shù)研究與應(yīng)用的科研人員提供了新的選擇，開拓了新的視野，雖然還無法撼動(dòng)CARIS軟件在這一領(lǐng)域的地位，卻也占據(jù)一席之地。盡管目前的HYSWEEP模塊還存在人機(jī)交互界面不夠人性化，參數(shù)調(diào)整界面比較單一等諸多不足，但卻給今后多波束參數(shù)對(duì)比研究方面提供了新的契機(jī)。

[1]胡家賦，劉宇明.HYPACK導(dǎo)航系統(tǒng)在海洋資源勘探中的應(yīng)用 [J].海洋測繪，2003，23（6）：21耀23.

[2]李家彪，王小波，華祖根，等援多波束勘測原理技術(shù)與方法［M］援北京:海洋出版社，1999:42-54援

[3]阮銳，邵海濤.多波束測深系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)的檢測與分析［J］.海洋測繪，2001， (4).

P62[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-12-276-2

曲佳（1982～），男，工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)槎嗖ㄊ晠燃夹g(shù)、物理海洋、海洋地質(zhì)方面的應(yīng)用與研究。