多波束測深系統(tǒng)在水深測量中的應(yīng)用

文/ 姜穎 丹東航道管理處 遼寧丹東 118000

隨著多波束測深技術(shù)的日漸成熟，在海洋測繪等方面的應(yīng)用中形成了很大優(yōu)勢(shì)，多波束測深系統(tǒng)是一種多傳感器的復(fù)雜組合系統(tǒng)，是現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)、高精度導(dǎo)航定位技術(shù)，高分辨顯示技術(shù)、高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字化傳感器技術(shù)及其他相關(guān)技術(shù)等多種高新技術(shù)的集成。多波束探測能獲得一個(gè)條帶覆蓋區(qū)域內(nèi)多個(gè)測量點(diǎn)的海底深度值，實(shí)現(xiàn)了從"點(diǎn)- -面"測量的跨越，使外業(yè)測量更加方便、準(zhǔn)確，大大提高了海洋測繪的效率。

與傳統(tǒng)的單波束測深儀相比，多波束測深系統(tǒng)具有測量速度快、測量精度高、測量范圍大、測量效率高的優(yōu)點(diǎn)，并且實(shí)現(xiàn)了把測深技術(shù)從點(diǎn)擴(kuò)展到面，甚至發(fā)展到立體測深和自動(dòng)成圖，特別適用于進(jìn)行大面積海洋領(lǐng)域的測繪。

此次本單位對(duì)港區(qū)進(jìn)行航道水下地形測量，就使用的是多波束測深系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由聲波發(fā)射系統(tǒng)、GPS接收系統(tǒng)、信號(hào)處理單元、信號(hào)控制及時(shí)間門電路、換能器基陣水平穩(wěn)定系統(tǒng)、便攜式計(jì)算機(jī)、斜距記錄單元、水深信號(hào)圖示單元等主要部分組成。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水下地形的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)定位，真正實(shí)現(xiàn)立體測深和水深數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化。

基本工作原理：多波束測深系統(tǒng)是在測量船底部安裝帶有水平穩(wěn)定系統(tǒng)的發(fā)射換能器基陣與接收換能器基陣，使基陣的工作面始終保持水平。并由雙圓弧組合而成的發(fā)射換能器基陣，發(fā)射出心形狀的單波束，在與航向垂直的平面內(nèi)的開A角內(nèi)，使用波束形成器組成M個(gè)波束接收水底回波，水底回波被多波束接收系統(tǒng)接收，獲得M個(gè)水深信息。

由于接收換能器和發(fā)射換能器通常布設(shè)于船底平面的相互正交的線列陣，發(fā)射線列陣沿船龍骨方向。接收線列陣和發(fā)射線列陣形成相互正交的扇狀指向性波束。測深系統(tǒng)的合成方向性是接收和發(fā)射方向性的乘積。合成波束照射的水底區(qū)域極窄，能高分辨率測定多個(gè)位置的水深。隨船的航行，就能精密測定水底一定條帶范圍內(nèi)的水下地形。

多波束水深地形測量分二個(gè)步驟，即外業(yè)測量的數(shù)據(jù)采集工作和內(nèi)業(yè)的數(shù)據(jù)后處理成圖工作。作業(yè)采用的儀器設(shè)備軟件有：RESON SeaBat 7125多波束測深系統(tǒng)、QINSY外業(yè)測量軟件、QLOUD內(nèi)業(yè)成圖軟件。

1、外業(yè)測量數(shù)據(jù)的采集

（1）儀器設(shè)備的安放，本次測量使用的測量船，船長為40米，船寬為9米，吃水為1.9米，以測量船的重心位置設(shè)立參考點(diǎn)建立船體坐標(biāo)系，把船舷右側(cè)方向定義為X軸正方向，把船頭方向定義為Y軸正方向，垂直向上方向定義為Z 軸正方向，把多波束測深系統(tǒng)安裝在船體的右弦靠近參考點(diǎn)的位置，其中多波束換能器應(yīng)安放在船體的右舷距離船體參考點(diǎn)最近的位置一定要固定好，以免測量過程中產(chǎn)生晃動(dòng)和下沉等情況；GPS接收機(jī)天線應(yīng)安放在船上較高的羅經(jīng)甲板上，要避免船上桅桿的遮擋及無線電波的干擾，影響信號(hào)的接收效果；姿態(tài)儀應(yīng)安放在靠近船體參考點(diǎn)的位置，盡量和水平面平行；電子羅經(jīng)儀安放在船體的中心位置，方向與船頭方向一致。

船體坐標(biāo)圖

（2）測量前的調(diào)試，儀器在船上各位置安放好后，應(yīng)該對(duì)換能器安放位置相對(duì)于船體重心位置進(jìn)行校準(zhǔn)橫搖值、縱遙值、艏搖值，把校準(zhǔn)值輸入測量軟件中確定好位置。GPS接收機(jī)天線的位置也應(yīng)進(jìn)行姿態(tài)改正。同時(shí)對(duì)各個(gè)儀器進(jìn)行檢查調(diào)試，觀察運(yùn)行狀態(tài)，信號(hào)接收質(zhì)量等情況，在確定無誤后，使用聲速剖面儀對(duì)測量區(qū)域內(nèi)的聲速值進(jìn)行測定，并將數(shù)值輸入測量軟件中。

（3）數(shù)據(jù)采集，各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置好后，在計(jì)算機(jī)上根據(jù)布置好的測量區(qū)域，沿計(jì)劃線進(jìn)行多波束實(shí)時(shí)外業(yè)數(shù)據(jù)采集。此時(shí)計(jì)算機(jī)上將會(huì)出現(xiàn)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，方便測量人員及時(shí)觀測水下測區(qū)情況，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。

2、 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)后處理成圖

多波束測深系統(tǒng)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理采用的軟件是QLOUD數(shù)據(jù)分析成圖軟件，該軟件有四個(gè)視圖布局，可以讓內(nèi)業(yè)處理數(shù)據(jù)時(shí)從各個(gè)角度觀察更加準(zhǔn)確。

（1）在內(nèi)業(yè)處理軟件里，編輯原始文件，設(shè)置系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)，調(diào)取外業(yè)采集的水深數(shù)據(jù)，參照記錄數(shù)據(jù)通過視圖布局窗口進(jìn)行編輯處理。

（2）聲速和水位改正，將聲速剖面儀測得的聲速值進(jìn)行編輯后輸入成圖軟件中，形成聲速改正文件；再將各驗(yàn)潮站的水位值編輯成文件輸入成圖軟件中，形成水位改正文件，將外業(yè)水深數(shù)據(jù)分別進(jìn)行聲速和水位改正。

（3）將所有改正過的數(shù)據(jù)在成圖軟件中進(jìn)行人工編輯，對(duì)錯(cuò)誤值進(jìn)行剔除處理。最后將處理完成的數(shù)據(jù)按要求形成成果文件，繪出完整的水下地形圖。

影響水深測量精度的幾種因素及相應(yīng)策略

（1）測深船航行姿態(tài)，在測量船的選擇上，為克服測深船航行姿態(tài)對(duì)測量精度的影響，應(yīng)選用穩(wěn)定性較好、靈活的船只作為測量船。

（2）采樣速率的誤差，外業(yè)測量船行速度保持勻速，航向要與事先布置的計(jì)劃線一致，轉(zhuǎn)向時(shí)船速要盡可能的慢，以便將由于換能器的傾斜所帶來的水深誤差降至最低，為防止漏點(diǎn)，對(duì)存在礙航礁石或疑存礁石區(qū)域、航道邊線均進(jìn)行加密測量。

（3）數(shù)據(jù)后處理的方法，因多波束測深數(shù)據(jù)量非常大，外業(yè)采集的水深值經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)虛假值，內(nèi)業(yè)處理中應(yīng)劃分區(qū)域，分區(qū)處理使測線都經(jīng)過全部的檢查，以保證水深成果質(zhì)量。

近幾年來運(yùn)用多波束測量系統(tǒng)進(jìn)行水下地形圖的測繪已越來越普遍，它可以在大范圍測量時(shí)不僅保證測量周期短，測量精度高，而且可以對(duì)水下地形情況進(jìn)行直觀的了解，保證了測量成果的質(zhì)量。

[1]趙建虎，劉經(jīng)南.多波束測深及圖像數(shù)據(jù)處理.武漢大學(xué)出版社.

[2]JT/T790-2010.多波束測深系統(tǒng)測量技術(shù)要求.

[3]DZ/T0292-2016.海洋多波束水深測量規(guī)程.