淺水多波束系統(tǒng)SONIC 2024在碼頭測(cè)深中的應(yīng)用

郭　軍,劉勝旋,關(guān)永賢,肖　波,王愛(ài)學(xué)

(1.國(guó)土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510760；2.武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，武漢 430079；3.武漢大學(xué) 海洋測(cè)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(cè)深中的應(yīng)用

郭軍1,劉勝旋1,關(guān)永賢1,肖波1,王愛(ài)學(xué)2,3

(1.國(guó)土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510760；2.武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，武漢 430079；3.武漢大學(xué) 海洋測(cè)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(shù)優(yōu)點(diǎn)，從姿態(tài)參數(shù)校正、潮汐改正、聲速改正、測(cè)線濾波及曲面濾波等方面探討多波束數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)。以碼頭實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證該系統(tǒng)在水深測(cè)量應(yīng)用中的便捷性和可靠性。

關(guān)鍵詞：多波束系統(tǒng)；姿態(tài)校正；潮汐改正；聲速改正；水深測(cè)量

多波束測(cè)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(cè)量的新技術(shù)，其具有覆蓋范圍大、精度高、速度快、記錄數(shù)字化、成圖自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn)[1-3]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、定位技術(shù)及電子技術(shù)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(cè)和海洋工程中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

多波束測(cè)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(cè)。淺水多波束系統(tǒng)多用于海岸帶測(cè)量、油田井場(chǎng)、航道碼頭測(cè)量等，頻率為100～300 kHz，測(cè)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(dāng)前世界最先進(jìn)的水下聲學(xué)技術(shù)，是世界上第一臺(tái)真正的寬帶高分辨率淺水多波束測(cè)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(diǎn)，最后介紹其在碼頭測(cè)深中的應(yīng)用。

1SONIC 2024多波束測(cè)深系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)組成

SONIC2024多波束系統(tǒng)是由美國(guó)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(xué)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集處理現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、輔助設(shè)備及后處理軟件系統(tǒng)4部分組成。其中多波束儀器主設(shè)備包括：換能器、聲納處理器、數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)、QIC數(shù)據(jù)采集軟件。多波束系統(tǒng)輔助設(shè)備包括：聲速剖面儀、羅經(jīng)運(yùn)動(dòng)傳感器、GPS、驗(yàn)潮儀、后處理工作站、數(shù)據(jù)處理軟件。

1.2SONIC2024特點(diǎn)

1)寬頻帶設(shè)計(jì)。具有60 kHz的信號(hào)帶寬，與現(xiàn)有的多波束系統(tǒng)相比，SONIC2024在分辨率、數(shù)據(jù)精度及成圖質(zhì)量上要高出2倍多。

2)在線調(diào)頻。提供在線連續(xù)調(diào)頻功能，在200～400 kHz范圍內(nèi)有20個(gè)工作頻率可供測(cè)量人員選擇。野外作業(yè)時(shí)，可依據(jù)測(cè)量環(huán)境來(lái)調(diào)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(kāi)角。提供10°～160°的波束開(kāi)角，測(cè)量人員可以根據(jù)測(cè)量的需要，靈活選擇最優(yōu)開(kāi)角。當(dāng)開(kāi)角較窄時(shí)，水深點(diǎn)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(xì)微特征的探測(cè)成為可能。當(dāng)開(kāi)角較大時(shí)，可檢測(cè)碼頭附近的垂直面目標(biāo)，不必旋轉(zhuǎn)聲納探頭的角度，使得目標(biāo)的探測(cè)更加靈活便利。

4)SSRTM。實(shí)時(shí)條帶扇區(qū)旋轉(zhuǎn)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(duì)非水底測(cè)量目標(biāo)，如碼頭壁、碼頭高樁，其可獲得優(yōu)質(zhì)的有效數(shù)據(jù)。

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(shè)計(jì)使其更加節(jié)電、輕便、小巧，便于運(yùn)輸和攜帶，在測(cè)量船上的安裝變得更加靈活。

2野外測(cè)量

此次測(cè)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(cè)維修提供可靠的數(shù)據(jù)。

2.1測(cè)線布設(shè)

圖1　多波束測(cè)線布設(shè)圖

圖1為本次碼頭多波束作業(yè)的測(cè)線布設(shè)圖，其中虛線表示碼頭，長(zhǎng)度約400 m，實(shí)線表示多波束測(cè)線，共9條測(cè)線，測(cè)線基本沿與碼頭平行的方向布設(shè)。整個(gè)測(cè)區(qū)覆蓋面積約1.2×105m2，水深約1～9 m。

2.2設(shè)備安裝

設(shè)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(yàn)潮儀的安裝。

SONIC2024安裝位置位于左舷，將探頭桿與水面的交點(diǎn)設(shè)置測(cè)量水深的參考點(diǎn)。測(cè)量時(shí)的船體坐標(biāo)系以參考點(diǎn)為原點(diǎn)，船頭朝向?yàn)閅軸，垂直船頭朝向?yàn)閄軸，原點(diǎn)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(shè)備安裝位置示意圖(單位：m)

驗(yàn)潮儀安放在碼頭岸邊，利用已有的重力基點(diǎn)的位置信息確定驗(yàn)潮儀的位置。作業(yè)時(shí)，驗(yàn)潮儀采樣率設(shè)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(jì)，故無(wú)需使用另外的聲速儀測(cè)量聲速。

2.3參數(shù)校正

參數(shù)校正包括縱傾偏差、橫搖偏差、艏向偏差，時(shí)間延遲[6-7]。在正式作業(yè)前，在工區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)測(cè)線，用于進(jìn)行參數(shù)的校正。橫搖偏差一般適合于在比較平坦的地形進(jìn)行，縱傾適合有斜坡的地形，艏向適合起伏地形,時(shí)間延遲一般選取同一條測(cè)線，采用不同的船速進(jìn)行。經(jīng)過(guò)野外實(shí)測(cè)，得出參數(shù)：橫搖為1.1°，縱傾為2.3°，艏向?yàn)?.17°，時(shí)延為0.0″。

3測(cè)深數(shù)據(jù)處理

測(cè)深數(shù)據(jù)處理選用專(zhuān)業(yè)的多波束測(cè)深數(shù)據(jù)處理軟件Caris，版本為8.0。將采集的多波束原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Caris軟件后，軟件窗口會(huì)顯示出測(cè)線的實(shí)際位置，有助提高測(cè)量人員對(duì)作業(yè)區(qū)整體上的認(rèn)識(shí)，判斷作業(yè)范圍是否符合設(shè)計(jì)的需求。

測(cè)深數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵步驟：潮汐改正、聲速校正、導(dǎo)航定位編輯、測(cè)線數(shù)據(jù)濾波、曲面濾波。

3.1潮汐改正

按照相關(guān)規(guī)范規(guī)定，水深小于20 m時(shí)，需做潮汐改正。野外驗(yàn)潮儀記錄的時(shí)間采用北京時(shí)間，而Caris軟件采用GMT時(shí)間，故需要將野外采集的潮汐數(shù)據(jù)時(shí)間轉(zhuǎn)換為GMT時(shí)，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(shí)間內(nèi)，潮高大約在2～3 m，對(duì)水深的影響較大。

圖3　潮汐曲線

3.2聲速改正

數(shù)據(jù)來(lái)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(nèi)，聲速約為1 520 m/s，水深5 m時(shí)，聲速約為1 518 m/s，水深6～10 m時(shí)，聲約為1 516 m/s。淺表層聲速變化較快，跟水深有較大關(guān)系。

圖4　聲速剖面

3.3導(dǎo)航定位編輯

導(dǎo)航定位編輯主要針對(duì)兩種情況：一種是GPS數(shù)據(jù)出現(xiàn)的飛點(diǎn)現(xiàn)象；另外一種是躲避過(guò)往船只導(dǎo)致測(cè)量船急速拐彎，急速拐導(dǎo)致水深異常。故導(dǎo)航定位編輯時(shí)，主要是時(shí)刪除飛點(diǎn)和急速拐彎的測(cè)線。

3.4測(cè)線數(shù)據(jù)濾波

過(guò)往船只引起的尾流和測(cè)量船自身的尾流及泥沙的擾動(dòng)等因素的影響，會(huì)對(duì)水深的測(cè)量造成一定程度的干擾，直接表現(xiàn)就是水深出現(xiàn)大面積的異常點(diǎn)。針對(duì)這種大面積的水深異常，可以設(shè)置濾波參數(shù)，使用濾波器對(duì)水深進(jìn)行濾波處理，如圖5所示。

圖5　測(cè)線數(shù)據(jù)濾波

3.5曲面濾波

測(cè)線數(shù)據(jù)濾波后，生成水深曲面。此時(shí)的水深曲面包含一些超出濾波器能力范圍的波束點(diǎn)，對(duì)于此類(lèi)的波束點(diǎn)，可以采取曲面濾波的方式[8-11]。通過(guò)設(shè)施波束點(diǎn)的誤差置信度，過(guò)濾掉超出設(shè)定值的波束點(diǎn)，同時(shí)過(guò)濾掉那些沒(méi)有落在曲面上的波束點(diǎn)。

誤差置信度的大小對(duì)曲面濾波的效果有著較大的影響。置信度過(guò)大，濾波后仍會(huì)有一些波束跳點(diǎn)；置信度過(guò)小，一些原本真實(shí)的水深數(shù)據(jù)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(nèi)，截取一小段水深剖面，采用不同的置信度參數(shù)來(lái)進(jìn)行曲面濾波，比較不同置信度參數(shù)的濾波效果，從中選取最優(yōu)的濾波參數(shù)，作為整個(gè)小區(qū)域的曲面濾波參數(shù)，進(jìn)而將其應(yīng)用于整個(gè)工區(qū)的水深曲面。圖6和圖7展示了曲面過(guò)程，圖6中淺色長(zhǎng)方條為曲面濾波切片，垂直于測(cè)線方向，圖7為對(duì)應(yīng)的水深剖面，其中灰色的就是濾波刪除點(diǎn)的跳變波束點(diǎn)。

圖6　曲面濾波切片

圖7　曲面濾波切片對(duì)應(yīng)的水深剖面

3.6水深曲面

圖8為測(cè)深數(shù)據(jù)處理之后形成的整個(gè)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(jiàn)，底部寬約4 m，碼頭水約1～9 m。

圖8　整個(gè)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(xì)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?tīng)?，水深逐漸加深，沒(méi)有出現(xiàn)較大的起伏地形，總體表現(xiàn)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(shù)據(jù)，為后續(xù)的碼頭清淤和加固提供科學(xué)數(shù)據(jù)。

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(nèi)符合精度

主測(cè)線和聯(lián)絡(luò)測(cè)線交點(diǎn)水深值對(duì)比，99%的水深差值在±0.01 m以?xún)?nèi)。由于參與評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)量較大，故隨機(jī)選取了10對(duì)主測(cè)線和聯(lián)絡(luò)測(cè)線交點(diǎn)，如表1所示。圖11為主測(cè)線和聯(lián)絡(luò)測(cè)線交點(diǎn)水深的對(duì)比曲線，看出兩者基本吻合，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，本次水深測(cè)量的內(nèi)符合精度在±0.01 m以?xún)?nèi)。

表1　主測(cè)線與聯(lián)絡(luò)測(cè)線交點(diǎn)水深　m

圖11　主測(cè)線和聯(lián)絡(luò)測(cè)線交點(diǎn)水深對(duì)比

4.2外符合精度

在多波束水深測(cè)量的同時(shí)，開(kāi)啟單波束測(cè)深，作為一種輔助性的水深驗(yàn)證手段。將多波束中央水深與單波束的水深進(jìn)行對(duì)比，隨機(jī)選取了10組數(shù)據(jù)，表2為同一個(gè)位置點(diǎn)中央波束和單波束的水深。圖12為兩者的水深對(duì)比曲線，可以看出盡管局部一致性不是很好，但總體趨勢(shì)兩者基本吻合，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，兩者的水深差值在±0.05 m以?xún)?nèi)。這種測(cè)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(duì)比曲線基本一致，驗(yàn)證SONIC2024多波束系統(tǒng)水深測(cè)量的可靠性。

《海道測(cè)量規(guī)范》規(guī)定：水深范圍在0～20 m之間時(shí)，深度測(cè)量極限誤差為±0.3 m。本次水深的測(cè)量的內(nèi)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(cè)量精度達(dá)標(biāo)，數(shù)據(jù)質(zhì)量合格。

表2　多波束中央波束水深與單波束水深對(duì)比　m

圖12　多波束中央波束水深和單波束水深對(duì)比

5結(jié)束語(yǔ)

本文以碼頭水深測(cè)量為例，介紹淺水多波束系統(tǒng)SONIC2024在水深測(cè)量中的應(yīng)用。SONIC2024淺水多波束系統(tǒng)運(yùn)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(gè)水深測(cè)量過(guò)程中，SONIC2024系統(tǒng)表現(xiàn)穩(wěn)定，從最終形成的水深圖效果來(lái)看，其采集數(shù)據(jù)質(zhì)量高，精度高，測(cè)量可靠性強(qiáng)，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(shù)的校正對(duì)水深有著直接的影響，正式作業(yè)前，需要對(duì)姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行必要的校正；淺水作業(yè)時(shí)，潮汐對(duì)水深的影響非常大，故需要確保整個(gè)作業(yè)時(shí)間范圍內(nèi)，潮汐數(shù)據(jù)可靠有效。

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

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[責(zé)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(xiàng)目：廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局區(qū)域調(diào)查項(xiàng)目(GZp01100312-01)；國(guó)土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(1212011220117)

作者簡(jiǎn)介：郭軍(1984-)，男，工程師，碩士.

中圖分類(lèi)號(hào)：P208

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-7949(2016)07-0046-05