郭　軍,劉勝旋,關永賢,肖　波,王愛學

(1.國土資源部海底礦產資源重點實驗室，廣東 廣州 510760；2.武漢大學 測繪學院，武漢 430079；3.武漢大學 海洋測繪研究中心，武漢 430079)

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淺水多波束系統(tǒng)SONIC 2024在碼頭測深中的應用

郭軍1,劉勝旋1,關永賢1,肖波1,王愛學2,3

(1.國土資源部海底礦產資源重點實驗室，廣東 廣州 510760；2.武漢大學 測繪學院，武漢 430079；3.武漢大學 海洋測繪研究中心，武漢 430079)

摘要：文中介紹淺水多波束系統(tǒng)SONIC 2024的技術優(yōu)點，從姿態(tài)參數校正、潮汐改正、聲速改正、測線濾波及曲面濾波等方面探討多波束數據處理的關鍵技術。以碼頭實測數據驗證該系統(tǒng)在水深測量應用中的便捷性和可靠性。

關鍵詞：多波束系統(tǒng)；姿態(tài)校正；潮汐改正；聲速改正；水深測量

多波束測深系統(tǒng)是一種有高精度、高分辨率、高效率一種水下地形地貌測量的新技術，其具有覆蓋范圍大、精度高、速度快、記錄數字化、成圖自動化的優(yōu)點[1-3]。隨著計算機技術、定位技術及電子技術的迅猛發(fā)展，硬件和軟件性能不斷提升，多波束系統(tǒng)在海底探測和海洋工程中發(fā)揮著越來越重要的作用。

多波束測深系統(tǒng)一般可分為深水多波束系統(tǒng)和淺水多波束系統(tǒng)。深水多波束系統(tǒng)多用于深海海底地形地貌勘測。淺水多波束系統(tǒng)多用于海岸帶測量、油田井場、航道碼頭測量等，頻率為100～300 kHz，測程為0.5～800 m，物理尺寸較小，可安裝在較小的船只上，作業(yè)方便靈活。

SONIC2024淺水多波束系統(tǒng)代表當前世界最先進的水下聲學技術，是世界上第一臺真正的寬帶高分辨率淺水多波束測深系統(tǒng)。本文以SONIC2024淺水多波束系統(tǒng)為例，介紹其系統(tǒng)組成、特點，最后介紹其在碼頭測深中的應用。

1SONIC 2024多波束測深系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)組成

SONIC2024多波束系統(tǒng)是由美國R2SONIC公司研發(fā)的一款便攜式淺水多波束系統(tǒng)，其主要由聲學系統(tǒng)、數據實時采集處理現實系統(tǒng)、輔助設備及后處理軟件系統(tǒng)4部分組成。其中多波束儀器主設備包括：換能器、聲納處理器、數據采集計算機、QIC數據采集軟件。多波束系統(tǒng)輔助設備包括：聲速剖面儀、羅經運動傳感器、GPS、驗潮儀、后處理工作站、數據處理軟件。

1.2SONIC2024特點

1)寬頻帶設計。具有60 kHz的信號帶寬，與現有的多波束系統(tǒng)相比，SONIC2024在分辨率、數據精度及成圖質量上要高出2倍多。

2)在線調頻。提供在線連續(xù)調頻功能，在200～400 kHz范圍內有20個工作頻率可供測量人員選擇。野外作業(yè)時，可依據測量環(huán)境來調整并尋求最佳的工作頻率，保證獲得最佳的量程和條幅覆蓋寬度。

3)大范圍的開角。提供10°～160°的波束開角，測量人員可以根據測量的需要，靈活選擇最優(yōu)開角。當開角較窄時，水深點聚集在次狹窄區(qū)域以增加系統(tǒng)的分辨率，從而使水底細微特征的探測成為可能。當開角較大時，可檢測碼頭附近的垂直面目標，不必旋轉聲納探頭的角度，使得目標的探測更加靈活便利。

4)SSRTM。實時條帶扇區(qū)旋轉功能(SSRTM)，與以往多波束系統(tǒng)相比，SONIC2024具有更大操作靈活性。針對非水底測量目標，如碼頭壁、碼頭高樁，其可獲得優(yōu)質的有效數據。

5)嵌入式聲納處理器。SONIC2024將聲納處理器和控制器嵌入到聲納探頭中，這種設計使其更加節(jié)電、輕便、小巧，便于運輸和攜帶，在測量船上的安裝變得更加靈活。

2野外測量

此次測量的區(qū)域位于碼頭附近，主要是獲取碼頭水深及碼頭壁樁的位置信息，為后續(xù)的碼頭清淤和碼頭壁樁的檢測維修提供可靠的數據。

2.1測線布設

圖1　多波束測線布設圖

圖1為本次碼頭多波束作業(yè)的測線布設圖，其中虛線表示碼頭，長度約400 m，實線表示多波束測線，共9條測線，測線基本沿與碼頭平行的方向布設。整個測區(qū)覆蓋面積約1.2×105m2，水深約1～9 m。

2.2設備安裝

設備的安裝主要包括SONIC2024，姿態(tài)傳感器Octans及GPS的安裝，另外還有驗潮儀的安裝。

SONIC2024安裝位置位于左舷，將探頭桿與水面的交點設置測量水深的參考點。測量時的船體坐標系以參考點為原點，船頭朝向為Y軸，垂直船頭朝向為X軸，原點向上為Z軸[4-5]。SONIC2024、Octans、GPS的具體安裝位置如圖2所示。

圖2　設備安裝位置示意圖(單位：m)

驗潮儀安放在碼頭岸邊，利用已有的重力基點的位置信息確定驗潮儀的位置。作業(yè)時，驗潮儀采樣率設置為1 min采集一次。由于碼頭水深較淺，并且SONIC2024系統(tǒng)自帶有淺表層聲速計，故無需使用另外的聲速儀測量聲速。

2.3參數校正

參數校正包括縱傾偏差、橫搖偏差、艏向偏差，時間延遲[6-7]。在正式作業(yè)前，在工區(qū)范圍內布設測線，用于進行參數的校正。橫搖偏差一般適合于在比較平坦的地形進行，縱傾適合有斜坡的地形，艏向適合起伏地形,時間延遲一般選取同一條測線，采用不同的船速進行。經過野外實測，得出參數：橫搖為1.1°，縱傾為2.3°，艏向為3.17°，時延為0.0″。

3測深數據處理

測深數據處理選用專業(yè)的多波束測深數據處理軟件Caris，版本為8.0。將采集的多波束原始數據導入到Caris軟件后，軟件窗口會顯示出測線的實際位置，有助提高測量人員對作業(yè)區(qū)整體上的認識，判斷作業(yè)范圍是否符合設計的需求。

測深數據處理關鍵步驟：潮汐改正、聲速校正、導航定位編輯、測線數據濾波、曲面濾波。

3.1潮汐改正

按照相關規(guī)范規(guī)定，水深小于20 m時，需做潮汐改正。野外驗潮儀記錄的時間采用北京時間，而Caris軟件采用GMT時間，故需要將野外采集的潮汐數據時間轉換為GMT時，兩者相差8 h。圖3為潮汐曲線，起算面為平均海平面，可以看出在工區(qū)作業(yè)時間內，潮高大約在2～3 m，對水深的影響較大。

圖3　潮汐曲線

3.2聲速改正

數據來源于SONIC2024系統(tǒng)采集的淺表層聲速，圖4為聲速剖面圖。從圖4中看出水深1～4 m內，聲速約為1 520 m/s，水深5 m時，聲速約為1 518 m/s，水深6～10 m時，聲約為1 516 m/s。淺表層聲速變化較快，跟水深有較大關系。

圖4　聲速剖面

3.3導航定位編輯

導航定位編輯主要針對兩種情況：一種是GPS數據出現的飛點現象；另外一種是躲避過往船只導致測量船急速拐彎，急速拐導致水深異常。故導航定位編輯時，主要是時刪除飛點和急速拐彎的測線。

3.4測線數據濾波

過往船只引起的尾流和測量船自身的尾流及泥沙的擾動等因素的影響，會對水深的測量造成一定程度的干擾，直接表現就是水深出現大面積的異常點。針對這種大面積的水深異常，可以設置濾波參數，使用濾波器對水深進行濾波處理，如圖5所示。

圖5　測線數據濾波

3.5曲面濾波

測線數據濾波后，生成水深曲面。此時的水深曲面包含一些超出濾波器能力范圍的波束點，對于此類的波束點，可以采取曲面濾波的方式[8-11]。通過設施波束點的誤差置信度，過濾掉超出設定值的波束點，同時過濾掉那些沒有落在曲面上的波束點。

誤差置信度的大小對曲面濾波的效果有著較大的影響。置信度過大，濾波后仍會有一些波束跳點；置信度過小，一些原本真實的水深數據則被誤刪除。為此，選取地形起伏變化較大的一小塊區(qū)域，在區(qū)域內，截取一小段水深剖面，采用不同的置信度參數來進行曲面濾波，比較不同置信度參數的濾波效果，從中選取最優(yōu)的濾波參數，作為整個小區(qū)域的曲面濾波參數，進而將其應用于整個工區(qū)的水深曲面。圖6和圖7展示了曲面過程，圖6中淺色長方條為曲面濾波切片，垂直于測線方向，圖7為對應的水深剖面，其中灰色的就是濾波刪除點的跳變波束點。

圖6　曲面濾波切片

圖7　曲面濾波切片對應的水深剖面

3.6水深曲面

圖8為測深數據處理之后形成的整個工區(qū)的水深圖，分辨率為10 cm。從圖8中看出，各種微地形地貌清晰可辨，碼頭壁柱直觀可見，底部寬約4 m，碼頭水約1～9 m。

圖8　整個工區(qū)的水深圖

圖9為靠近碼頭的局部水深圖，可以清晰地看出碼頭壁柱，另外船只坐底的輪廓清楚，錨沉入底部留下的痕跡明顯，細節(jié)信息豐富。圖10為碼頭的三維水深圖，更加明顯地看出，碼頭至航道呈斜坡狀，水深逐漸加深，沒有出現較大的起伏地形，總體表現較為平緩。平面水深圖和三維水深圖為碼頭地形地貌的判讀提供可靠的數據，為后續(xù)的碼頭清淤和加固提供科學數據。

圖9　船只坐底和碼頭壁柱

圖10　三維水深

4精度分析

4.1內符合精度

主測線和聯(lián)絡測線交點水深值對比，99%的水深差值在±0.01 m以內。由于參與評價的數據量較大，故隨機選取了10對主測線和聯(lián)絡測線交點，如表1所示。圖11為主測線和聯(lián)絡測線交點水深的對比曲線，看出兩者基本吻合，通過統(tǒng)計分析，本次水深測量的內符合精度在±0.01 m以內。

表1　主測線與聯(lián)絡測線交點水深　m

圖11　主測線和聯(lián)絡測線交點水深對比

4.2外符合精度

在多波束水深測量的同時，開啟單波束測深，作為一種輔助性的水深驗證手段。將多波束中央水深與單波束的水深進行對比，隨機選取了10組數據，表2為同一個位置點中央波束和單波束的水深。圖12為兩者的水深對比曲線，可以看出盡管局部一致性不是很好，但總體趨勢兩者基本吻合，通過統(tǒng)計分析，兩者的水深差值在±0.05 m以內。這種測量誤差是由安裝誤差、聲速剖面、潮位、定位造成。單波束水深和多波束水深對比曲線基本一致，驗證SONIC2024多波束系統(tǒng)水深測量的可靠性。

《海道測量規(guī)范》規(guī)定：水深范圍在0～20 m之間時，深度測量極限誤差為±0.3 m。本次水深的測量的內符合精度為±0.01 m，外符合精度為±0.05 m，均符合上述規(guī)范規(guī)定，表明本次水深測量精度達標，數據質量合格。

表2　多波束中央波束水深與單波束水深對比　m

圖12　多波束中央波束水深和單波束水深對比

5結束語

本文以碼頭水深測量為例，介紹淺水多波束系統(tǒng)SONIC2024在水深測量中的應用。SONIC2024淺水多波束系統(tǒng)運輸便捷，安裝方便，操作靈活，配備較小船只就可以完成作業(yè)。在整個水深測量過程中，SONIC2024系統(tǒng)表現穩(wěn)定，從最終形成的水深圖效果來看，其采集數據質量高，精度高，測量可靠性強，水下的微地形地貌清晰可辨，完全滿足工作需求。

多波束姿態(tài)參數的校正對水深有著直接的影響，正式作業(yè)前，需要對姿態(tài)參數進行必要的校正；淺水作業(yè)時，潮汐對水深的影響非常大，故需要確保整個作業(yè)時間范圍內，潮汐數據可靠有效。

通過上述實例表明，SONIC2024系統(tǒng)具有精確、高效、快速、靈活的特點，將在碼頭工程及航道工程中得到更廣泛的應用。

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[責任編輯：李銘娜]

Application of SONIC 2024 multibeam system to the terminal survey

GUO Jun1,LIU Shengxuan1,GUAN Yongxian1,XIAO Bo1,WANG Aixue2,3

(1.Key Laboratory of Marine Mineral Resources，Ministry of Land and Resources,Guangzhou 510760，China；2.School of Geodesy and Geomatics，Wuhan University，Wuhan 430079，China；3.Research Center of Marine Surveying and Mapping，Wuhan University，Wuhan 430079，China)

Abstract：This paper introduces the advantages of SONIC 2024 multibeam system and discusses the key technologies of data processing from aspects of attitude correction,tide correction,sound velocity correction,swath filter and surface filter.The result shows the convenient and reliability of sonic 2024 multibeam system in bathymetric survey of the terminal.

Key words：multibeam system；attitude correction；tide correction；sound velocity correction；bathymetric survey

DOI:10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.07.010

收稿日期：2015-07-31；修回日期：2015-11-26

基金項目：廣州海洋地質調查局區(qū)域調查項目(GZp01100312-01)；國土資源部海底礦產資源重點實驗室開放基金(1212011220117)

作者簡介：郭軍(1984-)，男，工程師，碩士.

中圖分類號：P208

文獻標識碼：A

文章編號：1006-7949(2016)07-0046-05