Sonic 2024多波束水下地形掃測(cè)應(yīng)用實(shí)例

李玉?！￡愄m偉　韓明欽

摘 要：文章主要介紹了多波束系統(tǒng)的儀器性能指標(biāo)、多波束系統(tǒng)的安裝與校準(zhǔn)和后處理的流程，并通過實(shí)例敘述了Sonic 2024多波束系統(tǒng)在水下地形掃測(cè)中的應(yīng)用，有效地說明了多波束測(cè)量在水下地形測(cè)量中的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：Sonic 2024；多波束；水下地形掃測(cè)

1 概述

多波束測(cè)深系統(tǒng)將傳統(tǒng)的測(cè)深技術(shù)從原來的點(diǎn)、線擴(kuò)展到面，能夠?qū)λ鶞y(cè)水域進(jìn)行全覆蓋、高精度測(cè)量[1，2，3]。Sonic 2024多波束測(cè)深系統(tǒng)是目前市場(chǎng)上主流的測(cè)深設(shè)備，較其他類型多波束優(yōu)勢(shì)在于超高分辨率和準(zhǔn)確度，且波束具有導(dǎo)向性[5]。文章結(jié)合實(shí)際工作中航道掃測(cè)的項(xiàng)目，詳述了多波束系統(tǒng)中各傳感器的性能指標(biāo)、多波束系統(tǒng)的安裝與校準(zhǔn)以及多波束數(shù)據(jù)后處理的基本流程，最后通過CARIS HIPS生成水下地形的三維圖像。

2 主要儀器性能指標(biāo)

2.1 多波束測(cè)深儀

Sonic 2024是美國R2Sonic公司生產(chǎn)的基于第五代聲吶結(jié)構(gòu)的高精度多波束測(cè)深儀。工作頻率為200-400kHz（可調(diào)），波束寬度為1°×0.5°@400kHz，波束數(shù)目為256個(gè)，扇形條帶開角為10°-160°，測(cè)深最大量程為500m，脈沖寬度為17μS-500μS，功率為191-2211dB，測(cè)深分辨率為1.25cm。

2.2 光纖羅經(jīng)及姿態(tài)傳感器設(shè)備

法國iXSEA公司生產(chǎn)的OCTANS光纖羅經(jīng)和運(yùn)動(dòng)傳感器是世界上唯一經(jīng)IMO認(rèn)證的測(cè)量級(jí)羅經(jīng)。它內(nèi)置有自適應(yīng)升沉預(yù)測(cè)濾波器，在任何情況下，均能實(shí)時(shí)提供精確可靠的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)。OCTANS航向穩(wěn)定時(shí)間小于5min，航向精度為0.1°×Secant緯度，Roll/Pitch動(dòng)態(tài)精度為0.01°，Heave精度為5cm或5%。

2.3 定位設(shè)備

Trimble SPS361型信標(biāo)機(jī)是世界GPS知名公司Trimble的高精度的定位設(shè)備，支持接收MSK信標(biāo)差分信號(hào)，可提供亞米級(jí)定位精度，廣泛應(yīng)用于海洋測(cè)量、港口工程等各個(gè)領(lǐng)域，水平定位精度優(yōu)于1米。

3 多波束安裝與校準(zhǔn)

3.1 多波束系統(tǒng)安裝

多波束換能器采用側(cè)舷安裝方法安裝于測(cè)量船舶的左舷，并以多波束換能器安裝桿與海水面交點(diǎn)作為參考點(diǎn)建立船體坐標(biāo)系，定義船右舷方向?yàn)閄軸正方向，船頭方向?yàn)閅軸正方向，垂直向下為Z軸正方向[6]，量取各傳感器相對(duì)于參考點(diǎn)的位置，往返各測(cè)量一次，取其平均值。

3.2 多波束系統(tǒng)校準(zhǔn)

多波束系統(tǒng)的校準(zhǔn)需要選擇具有一定地形特征的合適區(qū)域做校準(zhǔn)測(cè)量，本次選取垂直于航道的兩條測(cè)線作為多波束校準(zhǔn)的測(cè)線。由于Sonic 2024多波束系統(tǒng)具有PPS功能，能夠?qū)崿F(xiàn)GPS UTC時(shí)間和電腦時(shí)間的同步，故時(shí)間延時(shí)（Latency）為0[4]。因此，本次測(cè)量?jī)H需進(jìn)行橫搖、縱搖和艏搖校準(zhǔn)。

（1）橫搖（Roll）校準(zhǔn)。通過海底平坦海區(qū)同線同速反向的條帶斷面測(cè)量數(shù)據(jù)測(cè)定橫搖（Roll）偏差數(shù)據(jù)。

（2）縱搖（Pitch）校準(zhǔn)。通過水深變化大的海區(qū)同線同速反向的中央波束測(cè)量數(shù)據(jù)測(cè)定縱搖（Pitch）偏差數(shù)據(jù)。

（3）艏搖（Yaw）校準(zhǔn)。通過水深變化大的海區(qū)異線（間距為覆蓋寬度的2/3的兩條測(cè)線）同速同向的邊緣波束測(cè)量數(shù)據(jù)測(cè)定艏搖（Yaw）偏差數(shù)據(jù)。

4 數(shù)據(jù)處理與比對(duì)

多波束測(cè)量結(jié)束后使用CARIS HIPS軟件進(jìn)行水深后處理，后處理順序?yàn)椋憾ㄎ粩?shù)據(jù)檢查-姿態(tài)數(shù)據(jù)檢查-聲速改正-線模式編輯-潮位改正-合并數(shù)據(jù)-面模式編輯數(shù)據(jù)處理等，生成水下地形三維效果圖，如圖1所示，使用CARIS GIS軟件對(duì)水深數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀，并按照5mm間隔生成水深文件*.txt，最后根據(jù)項(xiàng)目要求繪制測(cè)區(qū)1：1000比例尺的水深圖。

5 結(jié)束語

通過Sonic 2024多波束測(cè)深系統(tǒng)水下地形掃測(cè)的工程實(shí)例，詳述了各種傳感器的性能指標(biāo)、多波束系統(tǒng)的安裝與校準(zhǔn)和多波束數(shù)據(jù)處理的基本流程，通過水下地形三維圖的生成，較直觀地驗(yàn)證了高精度和高密度的多波束數(shù)據(jù)可以分辨水下地形地貌的細(xì)微結(jié)構(gòu)和變化，這為對(duì)水深測(cè)量有較高要求的水下工程以及研究海底地形地貌的變化問題等提供了有力的手段。

參考文獻(xiàn)

[1]趙建虎，劉經(jīng)南.多波束測(cè)深及圖像數(shù)據(jù)處理[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2008.

[2]李家彪，等.多波束勘測(cè)原理技術(shù)與方法[M].北京：海洋出版社，1999.

[3]趙建虎，等.現(xiàn)代海洋測(cè)繪[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2007.

[4]王閏成.多波束測(cè)深系統(tǒng)的安裝校準(zhǔn)[J].海洋測(cè)繪，2003，23（1）.

[5]周興華，陳永奇，等.長江口航道疏浚的多波束監(jiān)測(cè)[J].海洋測(cè)繪，2002，22（6）.

[6]何斌，程緒紅.多波束測(cè)深系統(tǒng)在掃海工程中的應(yīng)用[J].港口科技-信息化技術(shù).