多波束系統在水下探測中的應用

摘 要：由于單波束在水下探測的局限性，因此為實現大范圍，全覆蓋和高精度的探測，本文對多波束系統在水下探測中的應用進行研究。在介紹多波束系統的構成與測量的基礎上，結合水下探測項目，通過多波束系統波束腳印歸位、數據檢測、數據改正和數據結構統一，對精度進行評估。通過分析成果精度得出，應用多波束系統的成果精度更滿足實際需求，有一定的先進性和實用性。

關鍵詞：多波束系統；波束腳印歸位；數據改正；精度評估

中圖分類號：P 229" " " 文獻標志碼：A

在采用多波束系統對深海探測領域進行研究的過程中發現，多波束探測技術是目前一種新型水下地形探測方法。隨著現階段高新科研領域內高端計算機、數字化定位和高精度傳感器等輔助性手段的參與及支持，這項探測技術在市場內的應用開始逐步深化，并在科研工作的持續推進下取得了顯著的成績[1]。

與常規的單波束聲納探測技術相比，多波束系統能實現大范圍、全覆蓋和高精度測量[2]。

1 多波束系統的構成與測量

為保證水下探測項目的順利實施，應在應用前，對多波束系統的構成、測量與設備安裝標定進行分析，在此過程中要明確，一個完整可用的多波束系統主要由3個部分構成，分別為操作站、處理單元和探頭，除此之外，為發揮系統在水下更高的作用與價值，還需要集成并安裝系統動力傳感器、定位裝置、聲速傳感器、后處理程序和終端等[3]。具體構成如圖1所示。

在此過程中應明確，該系統與單波束測深裝置的工作原理相同，均采用超聲探測原理[4]。探測裝置是通過電聲傳感器向水下發出一道聲波，再從水下接收一道回波，通過測量從水下發出聲波到接收聲波時間的方式計算水下深度[5]。多波束系統的信號收發部分由兩套方向性正交的探頭構成，探頭相互獨立地進行收發，用這種方式，得到一條具有豎直方向的窄波束。如圖2所示。

2 水下探測項目實例

以海域工程項目為例，根據工程需要，對該區域的海域進行水下多波束探測掃測。經過現場勘測，掃測區域的面積約為200km2。由于該區域的地形較為復雜，海域的沙波較多且呈鋸齒狀，因此總體分析該海域受區域內沙波地貌分布的影響，區域地形起伏較為頻繁且劇烈，相鄰沙波波峰間形成溝壑狀地形，如圖3所示。通過處理分析得到的數據成果能更直觀地掌握海域地形沙波分布、大小和具體位置，便于為該海域工程建設和設計提供更精確的數據，研究決定使用多波束系統，對此區域進行水下探測[6]。

此次研究的海域潮汐引用理論深度基準面，該海域屬于不規則全日潮，其余海域均為不規則半日潮。潮時方面，由于潮波從太平洋傳來，因此造成臺灣地區東岸的潮時最早，并由此向南、北兩端推遲。海峽內平均潮差等值線在24°N以南基本沿緯向分布，梯度較大，大于3.0m。最大可能潮差分布與平均潮差類似，澎湖列島以南在2.0～6.0m，以北在內潮汐漲落表現為往復流特征。

3 多波束系統波束腳印歸位

將多波束系統應用到水下探測中，當對波束腳印進行歸位計算時，涉及潮位、船位、船姿、坐標系和投影面間的轉換等參數。波束腳印船體坐標的計算過程可以看作聲線改正的過程，該方法主要考慮了3個參量，即在垂直基準面上的入射角、聲速剖面和行進時間[7]。由于海洋是一種非均質的介質，因此聲波在海洋中的傳播并非沿著一條直線。在不同的介質層界面中，聲線會發生折射，因此可以用圖4表示聲波在不同介質層中的傳播形式。

聲線追蹤是為獲得波束軌跡的真實位置，需要根據其傳播路徑對軌跡進行追蹤。聲線曲線修正是由聲線追蹤獲得的波束船舶坐標的運算過程。在聲線曲線修正過程中，聲速剖面非常重要，基本假設如下：聲速剖面不存在代表誤差，能夠準確地反映被測海域中的聲波傳播特征。聲波速度在垂直方向上是變化的，沒有橫向的變化。在海洋中聲波的傳播特征符合Snell定律，如公式（1）所示。

（1）

式中：θ為聲波入射角；C0、C1、Cn為聲速；p為常數。假設換能裝置在船體坐標體系中的坐標為（x0，0，z0），如圖5所示。

波束腳印船體坐標為（x，y，z），函數如公式（2）所示。

（2）

式中：xi為波束腳印船體坐標函數；gi為聲速在某一層介質中的變化梯度；ci為波束在某一層介質中的聲速。確定波束腳印船體坐標后，結合船體坐標系、當地水平坐標系和WGS84坐標系關系轉換，并利用GPS定位確定船體橫搖、縱搖和航向。針對波束腳印的高程如公式（3）所示。

hg=hsw-（z+hss+hds+ha）" " "（3）

式中：hg為波束腳印高程；hsw為潮水達到的高度；z為計算深度數值；hss為靜止狀態下船舶浸在水里的深度；hds為運動狀態下船舶浸在水里的深度；ha為船體姿態對水深的影響。

4 多波束系統測深數據檢測

對測量數據進行粗差檢查。1）對GPS平面數據進行檢查，以消除因GPS接收機接收的信號不準確造成的虛假數據。基于GPS數字的定位品質指數、有效衛星數目和水平精度擴散系數，綜合考慮外界環境、多徑、整周跳變和天線移動等因素，以此判斷GPS數字的定位品質。2）深度數據篩選測試。主要針對數據的主客觀方面，發現并標定異常深度，以此提高數據質量。按自動化水平可將現有的檢測和處理方法劃分為交互式檢測和自動檢測。本文介紹了一種基于最小二乘趨勢面方法的測量方法，并對測量結果進行分析。結合平面位置和深度，通過多項式曲線函數z=f（x，y），對其進行擬合，如公式（4）所示。

（4）

式中：z為深度；（x，y）為平面位置。系統誤差通常是主要儀器和附屬儀器自身的誤差。在實際應用中，通常采用高精度定位裝置和單波束測深比較等其他測試手段對系統誤差進行統計。如果發現系統誤差很大，就應查明其原因，并再次進行測量。在測試前，應將系統誤差檢查與儀器標定、校準相結合，以減少因測量導致的損失。將測量結果中出現的誤差輸入多波束資料處理軟件中，由該軟件進行二次加工。

5 水下探測數據改正與數據結構統一

由于多種多波束系統在廣角定向發射、多陣列信號接收、波束形成與處理等方面的方法與技術，因此使表達的數據在空間坐標上存在一定的差別。為更好地表示航跡與航跡間的空間關系，須對船舶基準坐標系進行統一。為便于對傳感器或船舶進行姿態補償，將船舶參考坐標系的原點設在傳感器的對稱中心，使船舶的縱傾、橫搖和偏擺等均與船舶參考坐標系相吻合，并為右端系統。每類數據單元的單位表示都要考慮兩個要求：保證符合相關規定的數據位元的精確性和保證表示的數據的一致性。數據單元的單位標準見表1。

6 成果精度分析

根據《海洋勘察規范第10部分：海底地形地貌勘察》（6多波束測深）（GB/T 12763.8－2007）的要求分析得出，篩選的檢測線與主測線的重疊樣本圖上≤1.0mm（實際平面距5m內）的水深檢測點數據為15822335對。ΔZ的中誤差為±0.17，測區平均水深為30.75m，滿足中誤差≤±0.01Z的要求。其中，合格的點對數為527178對，不合格點對數為13對，合格點數占比為99.9975%，滿足規范要求。其中主測線與檢測線交叉重合點不符值分布。對測深檢查線與主測深線相交處圖上l.0mm內水深點的深度比對互差進行統計分析，如公式（5）所示。

（5）

式中：M為重合點水深不符值中誤差，m；di為重合點i處的深度不符值，m；n為深主測線與聯絡測線的重合點數。交叉重合測點不符值分布見表2。

通過上述研究，根據多波束系統探測成果與精度分析結果可知，本次探測的總點數超過1582萬個，多波束系統探測的總點數與反饋的有效點數差值為13個，占總點數的0.01%，即探測中不滿足需要的探測點數極少。由此可以說明，此次提出的多波束系統應用效果極好。

7 結語

多波束系統是由多個傳感器組合的高度集成化系統，與單波束探測技術相比，在深水海域能實現大范圍、高精度和全覆蓋，成果精度更滿足規范和市場實際需求，具有一定的先進性和實用性，在高新科研領域和科研工作的持續推進下取得了顯著成績。

參考文獻

[1]任建福，韋忠揚，張治林，等.EM2040C多波束系統在采砂量監測中的應用[J].測繪通報，2021（10）：136-140.

[2]鄒慶國，劉鶴，余青海，等.某新型深遠海救助船深水多波束系統基座制作及安裝[J].廣東造船，2023，42（2）：71-74.

[3]馬鄭海，林蕩，李勝宣，等.基于多波束系統的荊江門河段水下地形測繪[J].水利水電快報，2022，43（12）：36-40.

[4]劉曉健，崔乃剛，劉雪峰，等.基于海洋環境噪聲水下探測研究進展[J].數字海洋與水下攻防，2022，5（6）：518-523.

[5]劉森波，丁繼勝，馮義楷，等.便攜式多波束系統在消力池沖刷檢測中的應用[J].人民黃河，2022，44（7）：128-131.

[6]王友東，李海兵，付碧波，等.一種模塊化水下探測拖體的設計與實現[J].艦船電子工程，2022，42（6）：190-193.

[7]張建興，宋永東，杜增豐，等.SeaBeam 3030多波束系統在南海冷泉調查中的應用[J].海洋科學，2022，46（1）：154-162.