單波束測深數(shù)據(jù)延時(shí)研究

陳星榮　平先才　梁向棋　呂嬌　舒曉明

摘 要：在使用單波束測深儀進(jìn)行水深測量時(shí)，由于定位系統(tǒng)與測深系統(tǒng)屬于兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，產(chǎn)生的系統(tǒng)性延時(shí)效應(yīng)，成為水深測量中的一種誤差。本文對單波束測深系統(tǒng)性延時(shí)進(jìn)行了分析，利用后處理軟件對系統(tǒng)性延時(shí)進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償，以解決單波束測深系統(tǒng)性延時(shí)的問題，并在長江太平口水道進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，說明本文所述的內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：單波束測深；系統(tǒng)性延時(shí)；延時(shí)補(bǔ)償

中圖分類號：[TN98] 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）7-0052-02

由于GNSS接收機(jī)測量計(jì)算過程中的時(shí)延、測深設(shè)備及測量軟件在定位數(shù)據(jù)和水深數(shù)據(jù)的傳輸采集率的不同步，導(dǎo)致水深測量的真實(shí)位置（理論值）與測量位置不一致，產(chǎn)生了偏移，這種偏移為延時(shí)效應(yīng)。水深測量中最基本的內(nèi)容就是定位與測深，由于定位和測深分屬兩個(gè)不同的系統(tǒng)（通常定位系統(tǒng)具有光學(xué)、電磁波特性，而測深系統(tǒng)具有聲學(xué)特性，并且前者工作在水面之上，后者工作在水面之下），始終存在著不同程度的延時(shí)效應(yīng)。

延時(shí)效應(yīng)對水下地形測定的影響隨定位及測深手段不同而不同。過去，自動化程度低，人工干預(yù)嚴(yán)重，使得延時(shí)效應(yīng)大多呈現(xiàn)為偶然性，常規(guī)為定位誤差這一概念。現(xiàn)在，隨著高新技術(shù)測量手段的應(yīng)用，自動化程度大為提高，延時(shí)效應(yīng)常呈現(xiàn)為系統(tǒng)性。本文首先對延時(shí)效應(yīng)進(jìn)行分析，進(jìn)而給出對系統(tǒng)性延時(shí)效應(yīng)的改正方法。

1單波束測深系統(tǒng)性延時(shí)原理

1.1測深系統(tǒng)性延時(shí)組成

①測深儀數(shù)據(jù)延時(shí)；②GNSS定位延遲；③采集軟件系統(tǒng)處理時(shí)間；④換能器安裝偏差。

1.2延時(shí)原理

測深儀聲吶探頭將測到的水深數(shù)據(jù)傳輸給測深主機(jī)，測深主機(jī)通過內(nèi)部虛擬串口將水深數(shù)據(jù)結(jié)合物理串口由GNSS采集到的定位數(shù)據(jù)，輸入到采集軟件中，完成原始測深數(shù)據(jù)的采集。但是，測深儀的數(shù)據(jù)以及GNSS定位數(shù)據(jù)輸入到采集軟件中的時(shí)間并不是一致的，而是存在時(shí)間差，這個(gè)時(shí)間差就是測深系統(tǒng)的延時(shí)。延時(shí)會導(dǎo)致水深真實(shí)位置的偏移，水深與定位數(shù)據(jù)的不正確匹配，反應(yīng)到后處理中，會出現(xiàn)平滑的等深線出現(xiàn)明顯的小鋸齒，如果延時(shí)很大，鋸齒的現(xiàn)象會更加明顯。

測深儀的數(shù)據(jù)延時(shí)主要是量程延時(shí)，測深儀會在一個(gè)Ping完成整個(gè)量程的搜索之后才會將數(shù)據(jù)傳輸出入并進(jìn)入下一Ping的搜索。所以在某個(gè)時(shí)刻點(diǎn)采集到的水深數(shù)據(jù)，實(shí)際存在了聲波在該量程中傳播的時(shí)間加上數(shù)據(jù)處理的時(shí)間延遲。以100m的量程為例，這個(gè)固定的時(shí)延時(shí)0.16S。這個(gè)值就是測深儀在測深系統(tǒng)中的延時(shí)。GNSS同樣也存在著時(shí)延，某個(gè)時(shí)刻點(diǎn)，GNSS將解算好的定位數(shù)據(jù)傳入到采集軟件中，也存在一個(gè)滯后的時(shí)間。這種情況下，GNSS延時(shí)減掉測深儀的延時(shí)，依然存在著較大的差值，這個(gè)差值就是測深系統(tǒng)的整體延時(shí)，從而極大影響了水深數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

換能器安裝中的角度偏差也會造成測深數(shù)據(jù)的誤差。當(dāng)換能器安裝時(shí)朝著船頭方向傾斜時(shí)，會造成水深數(shù)據(jù)比船位置的提前，這種影響尤其是在水底地形坡度較大的測區(qū)非常明顯，以波束角8度的換能器為例，在安裝偏差5度，水底坡度為40度的水底，每1米真實(shí)水深其測量誤差經(jīng)計(jì)算為0.11米，偏差越大，坡度越大，其誤差就越大。但是，換能器安裝的偏差很難測量，只能把它歸于測深系統(tǒng)的誤差進(jìn)行系統(tǒng)的校正。

2單波束測深系統(tǒng)延時(shí)解決方案

為解決測深過程系統(tǒng)性延時(shí)導(dǎo)致的數(shù)據(jù)延時(shí)的問題，本次試驗(yàn)提出了三種解決方案：

（1）采集過程的優(yōu)化：延時(shí)現(xiàn)象在水下地形起伏變化較大的地方更加突出，所以在實(shí)際測量過程中，在具有這種特征的水域中測量時(shí)，降低船速，能夠明顯的緩解測深儀數(shù)據(jù)延時(shí)和GNSS定位延遲。

（2）系統(tǒng)固定時(shí)延輸入：根據(jù)實(shí)際測量過程中設(shè)置的采集量程，設(shè)置固定的延時(shí)值，該值需要隨著測深量程的改變而改變。該方法主要針對換能器安裝偏差。

（3）數(shù)據(jù)后處理消除延時(shí)：采集到具有延時(shí)的數(shù)據(jù)，可以通過后處理軟件對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償。

上述三種方法均可以解決測深過程系統(tǒng)性延時(shí)的問題，但在具體的測深過程中方案1并不能解決定位系統(tǒng)與測深系統(tǒng)的系統(tǒng)性延遲；方案2僅能解決已知固定的延時(shí)，需要在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理階段再利用方案3解決。因此，本次試驗(yàn)利用后處理軟件對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償，以解決數(shù)據(jù)延時(shí)的問題。試驗(yàn)地點(diǎn)在長江太平口水道，這里用南方自由行的Processlag.exe軟件為例進(jìn)行介紹，數(shù)據(jù)采用的是太平口的一段用南方自由行軟件采集到的具有嚴(yán)重延時(shí)的數(shù)據(jù)。

3試驗(yàn)案例

該軟件可以將自由行采集到的原始數(shù)據(jù)，通過輸入滯后校正系數(shù)，即系統(tǒng)延時(shí)值，進(jìn)行滯后處理，生成新的經(jīng)過延時(shí)補(bǔ)償?shù)脑紨?shù)據(jù)。

針對太平口.org文件，進(jìn)行1，1.5，2這三個(gè)值的延時(shí)改正，分別生成改正后的原始文件，并通過南方自由行的后處理模塊取樣，生成DAT文件，最后在surfer8中成圖生成等深線，以下是對這些等深線曲線圖的分析。

圖2紅色方塊中，在一條等深線上出現(xiàn)劇烈震蕩的小鋸齒的現(xiàn)象，就是延時(shí)問題的實(shí)際反映。除了紅色標(biāo)記區(qū)域，其他區(qū)域也有非常明顯的延時(shí)特征出現(xiàn)。

利用Processlag軟件進(jìn)行1s的延時(shí)校正后，得到太平口1.org 延時(shí)補(bǔ)償數(shù)據(jù)文件，將兩張圖疊加到一起進(jìn)行對比如圖3。

黑線代表2S延時(shí)改正后的數(shù)據(jù)，鋸齒特征明顯緩解了很多，但局部區(qū)域還具有，甚至在某些地方出現(xiàn)了相對原始數(shù)據(jù)來說的“反鋸齒”特征。

用1.5S延時(shí)補(bǔ)償數(shù)據(jù)再次進(jìn)行對比如圖7。

局部放大對比如圖8。

很明顯，黑線幾乎沒有了小鋸齒的延時(shí)特征了，說明太平口的這段延時(shí)數(shù)據(jù)存在了1.5S左右的一個(gè)系統(tǒng)延時(shí)。

本次試驗(yàn)利用南方自由行的Processlag.exe軟件對南方自由行軟件采集的長江太平口的延時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償。試驗(yàn)證明，利用后處理軟件解決單波束測深數(shù)據(jù)延時(shí)的問題是確實(shí)可行。

4結(jié)束語

目前在水深測量中已經(jīng)普遍使用DGPS系統(tǒng)進(jìn)行定位，而測深系統(tǒng)與定位系統(tǒng)必然存在系統(tǒng)性延時(shí)，系統(tǒng)性延時(shí)效應(yīng)的存在使得水深測量的可靠性下降。如果延時(shí)過大，會導(dǎo)致水深數(shù)據(jù)的錯(cuò)位和失真，在成等深線圖時(shí)，出現(xiàn)嚴(yán)重的鋸齒現(xiàn)象，甚至水深的大幅度扭曲。本文提出了利用工具軟件，將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行固定的時(shí)延補(bǔ)償，這個(gè)時(shí)延值需要利用帶入法，根據(jù)等深線的特征對比，實(shí)驗(yàn)出最佳的改正值，這種通過后處理補(bǔ)償原始數(shù)據(jù)的方法，用該方法試驗(yàn)結(jié)果證明消除系統(tǒng)性延時(shí)的影響得到實(shí)現(xiàn)。

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