高　彬　都业勤

摘要:为了为海图的数字化管理及更新提供高精度的数据,在多波束测深系统的应用过程中,正确设置并校正其各个设备之间的安装误差显得尤为重要。通过不断的实践,本文总结了影响多波束测深精度的几个问题,并采用正确的校正方法得以解决,确保数据质量。

关键词:GPS延时纵摇偏差横摇偏差艏摇偏差

0 引言

目前多波束系统正逐渐普及,并在海上油田井场调查、航道疏浚、港口测量、大陆架经济区勘测等领域得到广泛应用,可以进行高精度、全覆盖水深测量,实现了由线到面的飞跃。多波束测深系统连接设备比单波束测深要多并复杂,一套多波束系统由多种设备或传感器组成,为了得到真实世界中精确的三维水深坐标必须考虑各设备间的安装误差,并通过不同校正方法改正其姿态。本文以多波束SeaBat 8125和软件PDS2000为例,总结了影响其测深精度的几个问题。

1 多波束系统主要组成

①RESON SeaBat 8125:频率:455kHz;测深分辨率:6mm;覆盖角度:120°;最大测深范围:120m;波束数:240;沿航线波束角:1°;垂直航线波束角:0.5°;最大船速:12节;最大发射速率:40次/秒。②OCTANS光电罗经、运动传感器:真北方位精度:0.1 °;稳定时间:5分钟;纵横摇分辨率:0.01°;升沉精度:5%。③GPS信标机④ PDS2000数据采集软件⑤HY1200声速剖面仪。

2 影响系统精度的几个问题及采用措施和校正方法

水中的声速:海洋中各处的声速都可能不一样,它取决于以下三个参数:盐度变1ppt=声速约变1.3m/s;温度变1°C=声速约变3 m/s。压力:165米深度变化的影响相当于温度变1°C。针对参数,使用hy1200声速剖面仪测前和测后两次测量水中声速,并将声速曲线应用到数据后处理中。背景噪声:在测量过程中,由于声纳、船体电子、气泡断裂、螺旋桨和发动机引起的自身噪声一般可以控制,而其他声源如波浪、潮汐、流速、地震、海洋生物和其它船只引起的环境噪声,一般不可控制。在自身噪声控制中,可以采取以下措施:①在换能器上安装导流罩,设计流体型船体形状,改变声纳头到船壳的高度等,可使水流气泡的影响最小化。②仔细选择声纳头安装位置,远离船主机、副机、泵和螺旋桨,并保证声纳杆舷侧安装稳定牢固,超出船底。③增益的选择:当水深小于等于5米时,可以使用固定增益;当水深大于5米时,采用TVG自动增益。TVG的确定主要取决于Absorption和Spreading Loss两个主要参数,在干净的淡水中,或者在海底具有很好的反射体的水中时,两个参数设置通常较低,反之,较高。校正:在进行多波束校正之前,首先选择良好的海况和特定的海底地形(有明显水深变化如航道和港池的边坡)上采集数据,安装一次就要校正一次,当更换设备或改变传感器位置时都需要重新校正。多波束校正包括:①GPS 延时②横摇偏差(Roll)③纵摇偏差(Pitch)④艏摇偏差(Yaw)

2.1 GPS延时 时间同步是使 PDS 计算机的时间与从GPS 来的精确时间同步,以保证实时采集的水深值和定位坐标保持一致。因为GPS接收机要花时间计算位置,还得输出其他数据,大部分GPS都不能没有延时的输出数据,延时通常从200毫秒到1200毫秒。如图示一,分别以不同速度两次测量同一条线,速度要求相差最少一半,地形要求有明显水深变化。

2.2 横摇偏差(Roll) 横摇偏差即声纳探头在船型安装坐标系统中的安装误差,声纳头发射的中央波束没有垂直发射到海底,而是朝船左或船右某个角度发射,Roll误差会直接导致水深值误差,水越深误差越大,因此校正时应达到0.01°的精度。如图二,分别以相同速度,选择平坦地形,不同方向测量同一条线。

2.3 纵摇偏差(Pitch) 纵摇偏差也是声纳头在船型安装坐标系统中的安装误差,声纳头发射的中央波束没有垂直发射到海底,而是朝船前或船后某个角度发射波束,Pitch误差会造成沿航线方向上的位移,位移值和水深成正比,水深越大位移越大。如图示三,分别以相同速度,选择有明显变化水深地形,不同方向测量同一条线。

2.4 艏摇偏差(Yaw) 艏摇偏差即声纳探头发射波束面在船型坐标系中,没有垂直于船前进方向即坐标系Y方向,Yaw误差会引起边缘波束水深点的位置误差。如图示四,在斜坡或一个礁石上布设两条平行测线,测线间距应保证两个测线间有10-50%的波束覆盖率,测线方向可以相反也可以相同,速度相同。

2.5 处理校正数据 打开PDS2000软件Proessing菜单的Multibeam PatchTest校正应用程序。分别调用对应四个误差的测线数据,依次计算出Latency(延时)、Roll、Pitch、和Yaw的校正值,注意先后顺序非常重要,在校正计算时要注意潮位改正,因当潮位变化很大时会引起校正结果误差。

3 问题数据总结

在实时采集状态可以通过测量覆盖窗口观察采集数据是否存在异常,一般问题如下:①整个条带沿航线波浪起伏。原因:运动传感器升沉带宽设置问题;时间同步不对。②边缘波束波浪起伏。原因:系统时间同步不对;声纳杆不牢固有运动。③水底声纳信号有旁瓣特征。解决方法:增加发射功率及接收增益可消除或减少其影响。④相邻测线间的水深不符。原因:运动传感器升沉带宽设置有问题;因流速引起船吃水改变等。

在各种数据问题中,固定误差影响是可以在数据后处理过程中改正,如系统安装位置、吃水改正、潮位改正、固定传感器延时偏移和多波束校正参数等,而可变误差影响是不可以改正,如时间同步不正确、声纳头安装杆运动传感器震动、可变定位误差、运动传感器数据漂移和缺乏合适的声速剖面等。多波束测深精度的影响因素很多,以上介绍是保证采集真实可靠的原始数据主要影响因素,在实时测量过程中,要求测量人员认真考虑每项改正参数,准确观察测深覆盖图并判断是否存在问题。随着多波束的广泛应用,其测深技术逐渐成熟。

参考文献:

[1]徐卫明,肖付民,刘雁春等.内陆水域测量学.2004年海军大连舰艇学院.

[2]阎福旺.水声基础技术.2001年海洋出版社.

[3]梁开龙.水下地形测量.1995年测绘出版社.

[4]殷晓东.海道测量学.2004年海军大连舰艇学院.

[5]刘忠臣等.浅水多波束系统及其最新技术发展[J].海洋测绘.2005.No.6.