◎ 何邦濤 曹敬濤 李海鵬 廣州海事測繪中心

Reson SeaBat7125多波束測深系統(tǒng)應(yīng)用與分析

◎ 何邦濤 曹敬濤 李海鵬 廣州海事測繪中心

本文主要結(jié)合應(yīng)用實(shí)例，介紹Reson SeaBat7125型多波束測深系統(tǒng)的基本組成、安裝方法及作業(yè)流程等，同時(shí)分析應(yīng)用過程中需要注意的問題。

多波束測探系統(tǒng) 調(diào)試 傳感器 應(yīng)用

1.引言

隨著國家“一帶一路”建設(shè)和海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的實(shí)施，探索和開發(fā)海洋成為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的重要組成部分，跨海大橋建設(shè)、海底管線鋪設(shè)、石油天然氣開發(fā)等工程建設(shè)，都需要進(jìn)行海底勘察，而且應(yīng)對集裝箱落水、船舶沉沒等海上突發(fā)事故，需要準(zhǔn)確把握事發(fā)水域通航尺度變化情況，及時(shí)清除海底礙航物，才能有效保障水上通航安全。本文主要結(jié)合應(yīng)用實(shí)例，介紹Reson SeaBat7125型多波束測深系統(tǒng)的基本組成、安裝方法及作業(yè)流程等，同時(shí)分析應(yīng)用過程中需要注意的問題。

Reson SeaBat 7125多波束

2.設(shè)備介紹

Reson SeaBat7125多波束測深系統(tǒng)是丹麥Reson公司應(yīng)用于500米以內(nèi)測深的淺水型雙頻高分辨率多波束系統(tǒng),工作頻率為200/400KHz雙頻可選，分辨率為6mm，掃寬為140°（165°可選），掃測波束數(shù)量為256/512個(gè)（等角或等距波束）。該系統(tǒng)換能器采用T型設(shè)計(jì)，安裝方便簡單，既能固定安裝于船底，也能臨時(shí)性地安裝在船舶側(cè)舷，或與ROV和AUV集成固定安裝。

2.1功能特性

①采用了動(dòng)態(tài)聚焦和窄波束聲學(xué)技術(shù)；②具有橫搖穩(wěn)定性和底跟蹤技術(shù)；③多種靈活測量模式（FP2/FP3功能模塊）擴(kuò)展可選；④單主機(jī)、雙換能器配置擴(kuò)展可選；⑤覆蓋掃寬可調(diào)、波束密度可調(diào)；⑥自動(dòng)導(dǎo)航測量和數(shù)據(jù)質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控；⑦內(nèi)置系統(tǒng)環(huán)境測試模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)單元的工作狀態(tài)；⑧在線實(shí)時(shí)輸出高分辨率三維水深和側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)。

2.2系統(tǒng)組成

Reson SeaBat 7125多波束由基本系統(tǒng)、輔助設(shè)備、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)后處理軟件包四部分組成。

3.系統(tǒng)安裝及調(diào)試

3.1建立測量船坐標(biāo)系統(tǒng)

建立測船坐標(biāo)系的主要目的是建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型,將各子系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)統(tǒng)一到這個(gè)數(shù)學(xué)模型里進(jìn)行綜合修正。在多年測量實(shí)踐中總結(jié)出兩個(gè)位置比較適合作為坐標(biāo)系參考原點(diǎn)：一是換能器安裝桿與水線的交點(diǎn)，二是姿態(tài)傳感器的中心位置，這兩點(diǎn)都比較便于量取各儀器參數(shù)。確定船體坐標(biāo)系后量取換能器、姿態(tài)傳感器、GPS天線在船體坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置參數(shù)建立船配文件，用于數(shù)據(jù)的后處理。

3.2安裝多波束換能器

多波束數(shù)據(jù)精度與換能器安裝有著直接的關(guān)系，需考慮噪音和振動(dòng)因素，目前常用的安裝方法有側(cè)舷安裝與船底安裝，在固定使用的船舶上最好船底安裝，可以有效減少噪音、振動(dòng)對換能器的影響，從而提高測深數(shù)據(jù)質(zhì)量。臨時(shí)使用船舶多采用側(cè)舷安裝，需注意:①必須裝在船上牢固且相對固定部位；②遠(yuǎn)離噪音源；③安裝桿要在靠近水線的位置設(shè)置固定點(diǎn)；④換能器要盡量超過船底；⑤要進(jìn)行標(biāo)定測試。

3.3安裝姿態(tài)傳感器

姿態(tài)傳感器能夠改正或消除由于船體的橫搖、縱搖、艏向、升沉引起的測量誤差從而提高測量精度，姿態(tài)傳感器的安裝點(diǎn)需避免振動(dòng)及碰撞，通常安裝在船舶重心且穩(wěn)固位置，如果重心位置沒有合適安裝空間，則盡可能選擇靠近換能器的位置，這樣能更為準(zhǔn)確的反應(yīng)換能器的姿態(tài)變化。3.4安裝GPS

GPS在多波束系統(tǒng)中主要有三個(gè)功能，一是采集、記錄精確的坐標(biāo)，并將該信息輸入系統(tǒng)的其它設(shè)備；二是提供導(dǎo)航；三是輸出ZDA與1PPS，通過同步脈沖將多波束處理單元時(shí)間與GPS時(shí)間同步從而消除GPS時(shí)延。因此GPS應(yīng)安裝在船舶較高且穩(wěn)固的位置，避免障礙物或船舶無線電設(shè)備的干擾，才能獲得高精度的坐標(biāo)信息。3.5系統(tǒng)調(diào)試

Reson SeaBat7125多波束系統(tǒng)通常配備Qinsy數(shù)據(jù)采集主機(jī)，系統(tǒng)安裝及設(shè)備連接完成后需要在Qinsy采集軟件中定義系統(tǒng)（系統(tǒng)包括換能器、姿態(tài)傳感器和GPS等）。選擇與接入采集主機(jī)中測量設(shè)備相對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序后，再設(shè)置接入的端口及波特率等參數(shù)即可完成設(shè)置工作。

作業(yè)范圍和掃測效果圖

4.海底管線探測應(yīng)用

4.1項(xiàng)目簡介

為了解海底管線鋪設(shè)概況，掌握填埋區(qū)水深變化情況，某鋼鐵基地實(shí)施排海管道拋石海底多波束掃測，測量范圍為排海管道兩側(cè)各40米范圍，測量要求：1954北京坐標(biāo)系，高斯投影，理論最低潮面，成圖比例尺1:500。

4.2系統(tǒng)標(biāo)定

本次測量時(shí)，均按照規(guī)范進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定測試，標(biāo)定順序?yàn)槎ㄎ谎訒r(shí)、橫搖偏差、縱搖偏差、艏向偏差，標(biāo)定結(jié)果：縱搖Picth=-0.10°；橫搖Roll=-2.05°；艏搖Yaw=-0.20°。

采用單波束測量成果與標(biāo)定成果互相比對，重合點(diǎn)水深最大互差為±0.2米，符合規(guī)范精度要求。

4.3外業(yè)數(shù)據(jù)采集

掃測計(jì)劃線按平行中軸線的方向布設(shè)，測線間距采用2.5倍水深間距進(jìn)行布設(shè)；掃測時(shí)，所有的多波束測線兩端均延長100米，以使羅經(jīng)充分穩(wěn)定下來，保證測量數(shù)據(jù)的可靠性；實(shí)時(shí)采集GPS數(shù)據(jù)、多波束原始數(shù)據(jù)、iXSEA OCTANS型光纖羅經(jīng)運(yùn)動(dòng)傳感器的羅經(jīng)和三維涌浪數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)的水位數(shù)據(jù)及用SVP測定的聲速數(shù)據(jù)；船速控制在多波束回波信號質(zhì)量良好的狀況，一般保持在6節(jié)以下。4.4內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理采用Caris軟件的HIPS模塊進(jìn)行，主要對采集來的各傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，及對水深數(shù)據(jù)設(shè)定合理的過濾參數(shù)，進(jìn)而刪除部分假信號，處理的順序是：①對船姿（Pith、roll、heave、gyro）數(shù)據(jù)與水深數(shù)據(jù)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，篩選；②對水深數(shù)據(jù)進(jìn)行聲速（SVP）改正；③加入實(shí)時(shí)潮位；④對數(shù)據(jù)進(jìn)行合并。

在塊模式（BSUSET）中對合并后的數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)過濾，對兩條相鄰測線重疊的多余觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，刪除，保留高精度的水深數(shù)據(jù)，然后在Caris HIPS里把WGS84坐標(biāo)XYZ格式文件輸出，經(jīng)由hypack測量軟件由三參數(shù)轉(zhuǎn)換至1954北京坐標(biāo)，最終采用CASS軟件成圖。

單波束數(shù)據(jù)采用HYPACK測量軟件進(jìn)行處理，主要?jiǎng)h除假信號，進(jìn)行水位改正，最后生成XYZ文件，并與多波束水深數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

本次測量主、檢比對符合情況：共比對126個(gè)重合點(diǎn)，最大互差為±0.3米，符合率為100%，符合規(guī)范要求。

5.其它應(yīng)用

目前，Reson SeaBat7125型多波束系統(tǒng)主要用于航道疏浚驗(yàn)收、海底礙航物掃測、水下考古、水文勘測、海底電纜鋪設(shè)、海洋研究和環(huán)境檢測業(yè)務(wù)等方面。

6.應(yīng)用中需要注意的問題

（1）多波束換能器應(yīng)安裝在噪音低且不易產(chǎn)生氣泡的位置，長期使用時(shí)應(yīng)該固定安裝，盡量靠近船體中心位置；姿態(tài)傳感器應(yīng)安裝在能準(zhǔn)確反應(yīng)多波束換能器姿態(tài)或測量船姿態(tài)的位置，其方向應(yīng)平行于船的艏艉線。

（2）建立船舶坐標(biāo)系后，各配套設(shè)備的位置與原點(diǎn)的偏移量應(yīng)該采取多次測量的方式精確量取，讀數(shù)至1cm，取平均值作為測量結(jié)果。

（3）測線布設(shè)盡量平行于等深線的走向或潮流的方向，間距應(yīng)不大于有效測深寬度的80%，重要水域還應(yīng)加強(qiáng)，間距最好不大于50%，測線兩端應(yīng)適當(dāng)延長，確保船舶上線時(shí)各設(shè)備處于穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制船速，以確保測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

（4）由于波束多，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)量比較大，因此在測量期間，要根據(jù)需要實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)射頻率，過濾多余的假信號，在確保數(shù)據(jù)質(zhì)量的同時(shí)，適當(dāng)減少后處理的工作量。

（5）測深精度與表面聲速的相關(guān)度較大，因此建議在使用過程加裝表層聲速儀，或另外測量表層聲速后輸入到7K控制中心。

（6）該系統(tǒng)易受頻率及諧波接近測深儀信號的干擾而產(chǎn)生較多假信號，因此測量時(shí)盡量不要和單波束同步作業(yè)，以免相互干擾影響數(shù)據(jù)質(zhì)量。

交通運(yùn)輸部.多波束測深系統(tǒng)測量技術(shù)要求JT /T 790-2010.