基于HYPACK軟件HYSWEEP模塊的多波束參數校正方法

■曲佳 朱峰 龐云天

（中國地質調查局廣州海洋地質調查局 廣東 廣州510075）

基于HYPACK軟件HYSWEEP模塊的多波束參數校正方法

■曲佳 朱峰 龐云天

（中國地質調查局廣州海洋地質調查局 廣東 廣州510075）

HYPACK作為一款廣泛用于海洋調查和水道測量的綜合性商業軟件，其多波束處理HYSWEEP模塊經過多年來不斷的改進，也已得到越來越多HYPACK用戶的認可。而多波束參數校正是確保多波束水深數據質量的重要環節，參數校正的質量將對海底地形地貌的測量精度產生直接影響。本文以南中國海海域采集的多波束數據為基礎，簡明的介紹了多波束參數校正的意義與方法，結合HYPACK軟件中HYSWEEP模塊的參數校正功能演示了多波束參數校正的全過程。

HYPACK HYSWEEP多波束系統參數校正

1 引言

HYPACK是一款由美國Coastal海洋圖像公司（Coastal Oceanographic）開發用于海洋調查和水道測量的綜合性商業軟件。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用模塊組成，而HYPACK的測量模塊更是具有設置靈活、支持硬件多元化的特點，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，享有較高的評價，其HYSWEEP模塊、DREDGEPACK模塊經過多年來不斷的改進，也已得到越來越多HYPACK用戶的認可，目前該軟件最新版本為HYPACK2016。

本文以ATLAS MD30中深水多波束系統在中國南海海域采集的多波束數據為基礎，詳細介紹使用 HYPACK軟件中的HYSWEEP模塊對多波束參數進行校正的方法。

2 多波束參數校正的意義及必要性

多波束測深系統是一種包含多個傳感器的復雜測深系統。由于多波束技術采取廣角度發射和多信道定向接收,獲取水下高密度條幅式海底地形數據，大大地提高了海底地形勘測的精度、分辨率和工作效率,與傳統測深技術相比,多波束測深系統在波束發射接收方式、海底信號獲取與數據處理技術等方面出現了大量革新,從而使其在系統構成、坐標系統轉換、測點空間歸位方法等方面形成了自身的技術特點。為了確保多波束測深數據的精度,除了配備符合相應規范要求的多波束系統及其外圍設備外,在測量過程中還必須進行嚴格的各項內部影響因素的校正和各項外部影響因素的改正。

多波束測深系統聲學換能器安裝的幾何誤差將對測深精度和位置精度產生影響，這一類誤差是由安裝所造成，如在進行多波束系統安裝時，很難將光纖羅經的安裝誤差校正至零，與此同時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，通常很難按照設計要求一次成型。即便安裝良好，同樣也會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；測深系統與定位系統的同步性也會對位置精度產生影響。而這一類誤差是由定位設備本身所固有的，不同類型或同一類型但不同型號的定位設備其誤差也不盡相同。因此，為了將測量點位歸算的精度提高，必須將多波束各子系統及相關傳感器的數據準確地融合在一起，盡可能的消除多波束測深系統的內部誤差，如換能器的安裝誤差、光纖羅經的安裝誤差以及GPS的導航延遲等。而參數校正是為了消除多波束測深系統內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模塊進行參數校正

HYSWEEP是基于HYPACK框架開發而成的功能性軟件模塊，其不但將多波束數據采集與編輯集于一體，而且同時具備實時影像顯示、目標跟蹤、質量控制、參數校正、CUBE數據處理以及生成執行與統計報告等多項功能，其中強大的數據編輯與成圖功能是該軟件模塊的一大亮點。本文僅針對HYSWEEP模塊的參數校正功能進行詳細介紹，并利用南海海域多波束數據進行參數校正的方法演示。

在進行多波束測深作業時，由于導航定位延遲與縱搖偏差的存在會對采集的測量點位結果造成前后偏差，而在平坦海底區域艏向偏差僅會造成波束沿偏角的旋轉，所以在平坦海底區域進行橫搖校正時不會受其他偏差的影響，即橫搖偏差校正獨立于其他校正，故橫搖校正可首先進行，也可在完成導航延遲校正、縱搖校正后再進行。本文所采用的順序是導航延遲->橫搖->縱搖->艏偏校正。

圖1 HYSWEEP Editor加載校準測線后的界面

圖2 HYSWEEP Editor參數校準界面

對于多波束系統中的導航定位延遲而言，可以通過利用GPS的1PPS信號實現時間的精確同步進而達到消除延遲的目的。本文所使用的是ATLAS MD30中深水多波束系統，為其配備的GPS接收機是美國SDS公司生產的SF-2050雙頻星站差分接收機，具有1PPS信號輸出功能，因此，此次在進行多波束參數校正時直接跳過延遲校正這一步驟。

在開始參數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，其校準方法是選擇一處平坦的海底進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，從而可以獲得兩個傾斜方向相反的海底面,如果橫搖誤差存在，圖像上兩個海底面會出現交角，如果誤差不存在，則圖像上兩個海底面完全重合。在實際校正過程中,應不斷反復校正計算,直到兩個平面重合為止。在HYPACK軟件中點擊HYSWEEP->HYSWEEP Editor(64bit)根據需要加載參數校正的測線。

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行校正剖面切割。當校準剖面生成后在Patch Test中選擇要進行的校正類別，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。而后在Setting中選擇校正調整方式，有Coarse、Medium、Fine三種方式可以選擇，Coarse為粗略調整方式，對應的Angle/Time Step為1.00即每次進行校正調整的基礎為1°；Medium為中間調整方式，對應的Angle/Time Step為0.10即每次進行校正調整的基礎為0.1°；Fine為精細調整方式，對應的Angle/Time Step為0.05即每次進行校正調整的基礎為0.05°。通常在進行參數校正時首先選擇Coarse模式，然后執行Start Roll Test操作，同時觀察界面右下角的Depth Error中的曲線形狀變化，當出現粗略U型曲線時，則要更換為Medium模式進行重復操作直到U型曲線趨近圓滑，然后更換為Fine模式繼續進行以上操作，直到U型曲線趨近完美。在執行Test過程中同時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校正所需要求。當獲取到滿意的校正結果時，可以點擊Test OK來完成此次校正過程，同時可以選擇點擊Save Test To History將校正結果存儲起來，以便隨時對此次進行的校正結果進行查證比較。

縱搖偏差、艏向偏差不同于橫搖偏差，當在平坦海底區域進行測量時，它們并不會影響真實水深值的獲取，只是會讓波束測點發生移位。縱搖偏差與艏向偏差兩者對獲取真實測量值的影響是綜合的，也是互相關聯的，因此為了有效校正偏差對波束測點造成的移位，需要選取含有明顯地形起伏變化或者顯著特征孤立點的特殊測區海域來完成校正。就縱搖偏差而言，其校準方法是選擇一處地形起伏變化明顯的海域進行一條測線的往返測量，如果測區內存在顯著孤立點，那布設測線時應該盡量使中央波束覆蓋目標頂部，以此來減少艏向偏差的影響，同時應該保證船速不應太快，進而達到增加位置分辨率的目的。由于縱搖引起的位置偏差會隨著水深的增加而變大，因此校正測區應盡可能選擇在水深較大的區域進行，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據疊加圖上會出現兩個分離的目標點，如果誤差不存在，則圖像上兩個目標點完全重合。在實際校正過程中,應不斷反復校正計算,直到兩個平面重合為止，HYSWEEP Editor中的操作過程與橫搖偏差校正類似。

艏向偏差也稱羅經安裝誤差，該偏差會引起波束位置以中央波束為中心產生旋轉移位，使波束的平面位置發生變化，其特點為在中央波束處的移位為零，在邊緣波束處的移位最大。因此校正時應選取具有顯著孤立點或者地形起伏變化明顯的海域進行，在目標兩側等距布設平行直線，要求測線間覆蓋重疊度達到50%進行往返測量。如果系統內存在艏向偏差，往返測線會使目標物以中央波束為中心旋轉一個的角度，以致兩條測線的多波束數據疊加后成為兩條交叉線，如果誤差不存在則會是一條線。在實際校正過程中,與橫搖偏差、縱搖偏差一樣，應不斷反復校正計算,直到兩條線重合為止，過程同上所述。

4 結束語

HYPACK作為一款用于海洋調查和水道測量的綜合性商業軟件，其HYSWEEP模塊的成功開發與問世給長期從事多波束技術研究與應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CARIS軟件在這一領域的地位，卻也占據一席之地。盡管目前的HYSWEEP模塊還存在人機交互界面不夠人性化，參數調整界面比較單一等諸多不足，但卻給今后多波束參數對比研究方面提供了新的契機。

[1]胡家賦，劉宇明.HYPACK導航系統在海洋資源勘探中的應用 [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.多波束測深系統內部參數的檢測與分析［J］.海洋測繪，2001， (4).

P62[文獻碼]B

1000-405X（2016）-12-276-2

曲佳（1982～），男，工程師，碩士研究生，研究方向為多波束聲吶技術、物理海洋、海洋地質方面的應用與研究。