淺談影響多波束測深系統數據質量的幾個問題

摘要:為了為海圖的數字化管理及更新提供高精度的數據，在多波束測深系統的應用過程中，正確設置并校正其各個設備之間的安裝誤差顯得尤為重要。通過不斷的實踐，本文總結了影響多波束測深精度的幾個問題，并采用正確的校正方法得以解決，確保數據質量。

關鍵詞:GPS延時縱搖偏差橫搖偏差艏搖偏差

0 引言

目前多波束系統正逐漸普及，并在海上油田井場調查、航道疏浚、港口測量、大陸架經濟區勘測等領域得到廣泛應用，可以進行高精度、全覆蓋水深測量，實現了由線到面的飛躍。多波束測深系統連接設備比單波束測深要多并復雜，一套多波束系統由多種設備或傳感器組成，為了得到真實世界中精確的三維水深坐標必須考慮各設備間的安裝誤差，并通過不同校正方法改正其姿態。本文以多波束SeaBat 8125和軟件PDS2000為例，總結了影響其測深精度的幾個問題。

1 多波束系統主要組成

①RESON SeaBat 8125:頻率:455kHz;測深分辨率:6mm;覆蓋角度:120°;最大測深范圍:120m;波束數:240;沿航線波束角:1°;垂直航線波束角:0.5°;最大船速:12節;最大發射速率:40次/秒。②OCTANS光電羅經、運動傳感器:真北方位精度:0.1 °;穩定時間:5分鐘;縱橫搖分辨率:0.01°;升沉精度:5%。③GPS信標機④ PDS2000數據采集軟件⑤HY1200聲速剖面儀。

2 影響系統精度的幾個問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，它取決于以下三個參數: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于溫度變1°C。針對參數，使用hy1200聲速剖面儀測前和測后兩次測量水中聲速，并將聲速曲線應用到數據后處理中。背景噪聲:在測量過程中，由于聲納、船體電子、氣泡斷裂、螺旋槳和發動機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在換能器上安裝導流罩，設計流體型船體形狀，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仔細選擇聲納頭安裝位置，遠離船主機、副機、泵和螺旋槳，并保證聲納桿舷側安裝穩定牢固，超出船底。③增益的選擇:當水深小于等于5米時，可以使用固定增益;當水深大于5米時，采用TVG自動增益。TVG的確定主要取決于Absorption和Spreading Loss兩個主要參數，在干凈的淡水中，或者在海底具有很好的反射體的水中時，兩個參數設置通常較低，反之，較高。校正:在進行多波束校正之前，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)上采集數據，安裝一次就要校正一次，當更換設備或改變傳感器位置時都需要重新校正。多波束校正包括:①GPS 延時②橫搖偏差(Roll)③縱搖偏差(Pitch)④艏搖偏差(Yaw)

2.1 GPS延時 時間同步是使 PDS 計算機的時間與從GPS 來的精確時間同步，以保證實時采集的水深值和定位坐標保持一致。因為GPS接收機要花時間計算位置，還得輸出其他數據，大部分GPS都不能沒有延時的輸出數據，延時通常從200毫秒到1200毫秒。如圖示一，分別以不同速度兩次測量同一條線，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系統中的安裝誤差，聲納頭發射的中央波束沒有垂直發射到海底，而是朝船左或船右某個角度發射，Roll誤差會直接導致水深值誤差，水越深誤差越大，因此校正時應達到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系統中的安裝誤差，聲納頭發射的中央波束沒有垂直發射到海底，而是朝船前或船后某個角度發射波束，Pitch誤差會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，不同方向測量同一條線。

2.4 艏搖偏差(Yaw) 艏搖偏差即聲納探頭發射波束面在船型坐標系中，沒有垂直于船前進方向即坐標系Y方向，Yaw誤差會引起邊緣波束水深點的位置誤差。如圖示四，在斜坡或一個礁石上布設兩條平行測線，測線間距應保證兩個測線間有10-50%的波束覆蓋率，測線方向可以相反也可以相同，速度相同。

2.5 處理校正數據 打開PDS2000軟件Proessing菜單的Multibeam PatchTest校正應用程序。分別調用對應四個誤差的測線數據，依次計算出Latency(延時)、Roll、Pitch、和Yaw的校正值，注意先后順序非常重要，在校正計算時要注意潮位改正，因當潮位變化很大時會引起校正結果誤差。

3 問題數據總結

在實時采集狀態可以通過測量覆蓋窗口觀察采集數據是否存在異常，一般問題如下:①整個條帶沿航線波浪起伏。原因:運動傳感器升沉帶寬設置問題;時間同步不對。②邊緣波束波浪起伏。原因:系統時間同步不對;聲納桿不牢固有運動。③水底聲納信號有旁瓣特征。解決方法:增加發射功率及接收增益可消除或減少其影響。④相鄰測線間的水深不符。原因:運動傳感器升沉帶寬設置有問題;因流速引起船吃水改變等。

在各種數據問題中，固定誤差影響是可以在數據后處理過程中改正，如系統安裝位置、吃水改正、潮位改正、固定傳感器延時偏移和多波束校正參數等，而可變誤差影響是不可以改正，如時間同步不正確、聲納頭安裝桿運動傳感器震動、可變定位誤差、運動傳感器數據漂移和缺乏合適的聲速剖面等。多波束測深精度的影響因素很多，以上介紹是保證采集真實可靠的原始數據主要影響因素，在實時測量過程中，要求測量人員認真考慮每項改正參數，準確觀察測深覆蓋圖并判斷是否存在問題。隨著多波束的廣泛應用，其測深技術逐漸成熟。

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