多波束系統(tǒng)在水下探測中的應(yīng)用

摘 要：由于單波束在水下探測的局限性，因此為實(shí)現(xiàn)大范圍，全覆蓋和高精度的探測，本文對多波束系統(tǒng)在水下探測中的應(yīng)用進(jìn)行研究。在介紹多波束系統(tǒng)的構(gòu)成與測量的基礎(chǔ)上，結(jié)合水下探測項(xiàng)目，通過多波束系統(tǒng)波束腳印歸位、數(shù)據(jù)檢測、數(shù)據(jù)改正和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，對精度進(jìn)行評估。通過分析成果精度得出，應(yīng)用多波束系統(tǒng)的成果精度更滿足實(shí)際需求，有一定的先進(jìn)性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：多波束系統(tǒng)；波束腳印歸位；數(shù)據(jù)改正；精度評估

中圖分類號：P 229" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在采用多波束系統(tǒng)對深海探測領(lǐng)域進(jìn)行研究的過程中發(fā)現(xiàn)，多波束探測技術(shù)是目前一種新型水下地形探測方法。隨著現(xiàn)階段高新科研領(lǐng)域內(nèi)高端計(jì)算機(jī)、數(shù)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(xiàng)探測技術(shù)在市場內(nèi)的應(yīng)用開始逐步深化，并在科研工作的持續(xù)推進(jìn)下取得了顯著的成績[1]。

與常規(guī)的單波束聲納探測技術(shù)相比，多波束系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)大范圍、全覆蓋和高精度測量[2]。

1 多波束系統(tǒng)的構(gòu)成與測量

為保證水下探測項(xiàng)目的順利實(shí)施，應(yīng)在應(yīng)用前，對多波束系統(tǒng)的構(gòu)成、測量與設(shè)備安裝標(biāo)定進(jìn)行分析，在此過程中要明確，一個(gè)完整可用的多波束系統(tǒng)主要由3個(gè)部分構(gòu)成，分別為操作站、處理單元和探頭，除此之外，為發(fā)揮系統(tǒng)在水下更高的作用與價(jià)值，還需要集成并安裝系統(tǒng)動(dòng)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(gòu)成如圖1所示。

在此過程中應(yīng)明確，該系統(tǒng)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(fā)出一道聲波，再從水下接收一道回波，通過測量從水下發(fā)出聲波到接收聲波時(shí)間的方式計(jì)算水下深度[5]。多波束系統(tǒng)的信號收發(fā)部分由兩套方向性正交的探頭構(gòu)成，探頭相互獨(dú)立地進(jìn)行收發(fā)，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(xiàng)目實(shí)例

以海域工程項(xiàng)目為例，根據(jù)工程需要，對該區(qū)域的海域進(jìn)行水下多波束探測掃測。經(jīng)過現(xiàn)場勘測，掃測區(qū)域的面積約為200km2。由于該區(qū)域的地形較為復(fù)雜，海域的沙波較多且呈鋸齒狀，因此總體分析該海域受區(qū)域內(nèi)沙波地貌分布的影響，區(qū)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(shù)據(jù)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(shè)和設(shè)計(jì)提供更精確的數(shù)據(jù)，研究決定使用多波束系統(tǒng)，對此區(qū)域進(jìn)行水下探測[6]。

此次研究的海域潮汐引用理論深度基準(zhǔn)面，該海域?qū)儆诓灰?guī)則全日潮，其余海域均為不規(guī)則半日潮。潮時(shí)方面，由于潮波從太平洋傳來，因此造成臺(tái)灣地區(qū)東岸的潮時(shí)最早，并由此向南、北兩端推遲。海峽內(nèi)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(nèi)潮汐漲落表現(xiàn)為往復(fù)流特征。

3 多波束系統(tǒng)波束腳印歸位

將多波束系統(tǒng)應(yīng)用到水下探測中，當(dāng)對波束腳印進(jìn)行歸位計(jì)算時(shí)，涉及潮位、船位、船姿、坐標(biāo)系和投影面間的轉(zhuǎn)換等參數(shù)。波束腳印船體坐標(biāo)的計(jì)算過程可以看作聲線改正的過程，該方法主要考慮了3個(gè)參量，即在垂直基準(zhǔn)面上的入射角、聲速剖面和行進(jìn)時(shí)間[7]。由于海洋是一種非均質(zhì)的介質(zhì)，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(zhì)層界面中，聲線會(huì)發(fā)生折射，因此可以用圖4表示聲波在不同介質(zhì)層中的傳播形式。

聲線追蹤是為獲得波束軌跡的真實(shí)位置，需要根據(jù)其傳播路徑對軌跡進(jìn)行追蹤。聲線曲線修正是由聲線追蹤獲得的波束船舶坐標(biāo)的運(yùn)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(shè)如下：聲速剖面不存在代表誤差，能夠準(zhǔn)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(shù)。假設(shè)換能裝置在船體坐標(biāo)體系中的坐標(biāo)為（x0，0，z0），如圖5所示。

波束腳印船體坐標(biāo)為（x，y，z），函數(shù)如公式（2）所示。

（2）

式中：xi為波束腳印船體坐標(biāo)函數(shù)；gi為聲速在某一層介質(zhì)中的變化梯度；ci為波束在某一層介質(zhì)中的聲速。確定波束腳印船體坐標(biāo)后，結(jié)合船體坐標(biāo)系、當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系和WGS84坐標(biāo)系關(guān)系轉(zhuǎn)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(dá)到的高度；z為計(jì)算深度數(shù)值；hss為靜止?fàn)顟B(tài)下船舶浸在水里的深度；hds為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下船舶浸在水里的深度；ha為船體姿態(tài)對水深的影響。

4 多波束系統(tǒng)測深數(shù)據(jù)檢測

對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行粗差檢查。1）對GPS平面數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，以消除因GPS接收機(jī)接收的信號不準(zhǔn)確造成的虛假數(shù)據(jù)。基于GPS數(shù)字的定位品質(zhì)指數(shù)、有效衛(wèi)星數(shù)目和水平精度擴(kuò)散系數(shù)，綜合考慮外界環(huán)境、多徑、整周跳變和天線移動(dòng)等因素，以此判斷GPS數(shù)字的定位品質(zhì)。2）深度數(shù)據(jù)篩選測試。主要針對數(shù)據(jù)的主客觀方面，發(fā)現(xiàn)并標(biāo)定異常深度，以此提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。按自動(dòng)化水平可將現(xiàn)有的檢測和處理方法劃分為交互式檢測和自動(dòng)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(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)合平面位置和深度，通過多項(xiàng)式曲線函數(shù)z=f（x，y），對其進(jìn)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(tǒng)誤差通常是主要儀器和附屬儀器自身的誤差。在實(shí)際應(yīng)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(tǒng)誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。如果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差很大，就應(yīng)查明其原因，并再次進(jìn)行測量。在測試前，應(yīng)將系統(tǒng)誤差檢查與儀器標(biāo)定、校準(zhǔn)相結(jié)合，以減少因測量導(dǎo)致的損失。將測量結(jié)果中出現(xiàn)的誤差輸入多波束資料處理軟件中，由該軟件進(jìn)行二次加工。

5 水下探測數(shù)據(jù)改正與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)統(tǒng)一

由于多種多波束系統(tǒng)在廣角定向發(fā)射、多陣列信號接收、波束形成與處理等方面的方法與技術(shù)，因此使表達(dá)的數(shù)據(jù)在空間坐標(biāo)上存在一定的差別。為更好地表示航跡與航跡間的空間關(guān)系，須對船舶基準(zhǔn)坐標(biāo)系進(jìn)行統(tǒng)一。為便于對傳感器或船舶進(jìn)行姿態(tài)補(bǔ)償，將船舶參考坐標(biāo)系的原點(diǎn)設(shè)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(biāo)系相吻合，并為右端系統(tǒng)。每類數(shù)據(jù)單元的單位表示都要考慮兩個(gè)要求：保證符合相關(guān)規(guī)定的數(shù)據(jù)位元的精確性和保證表示的數(shù)據(jù)的一致性。數(shù)據(jù)單元的單位標(biāo)準(zhǔn)見表1。

6 成果精度分析

根據(jù)《海洋勘察規(guī)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(shí)際平面距5m內(nèi)）的水深檢測點(diǎn)數(shù)據(jù)為15822335對。ΔZ的中誤差為±0.17，測區(qū)平均水深為30.75m，滿足中誤差≤±0.01Z的要求。其中，合格的點(diǎn)對數(shù)為527178對，不合格點(diǎn)對數(shù)為13對，合格點(diǎn)數(shù)占比為99.9975%，滿足規(guī)范要求。其中主測線與檢測線交叉重合點(diǎn)不符值分布。對測深檢查線與主測深線相交處圖上l.0mm內(nèi)水深點(diǎn)的深度比對互差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如公式（5）所示。

（5）

式中：M為重合點(diǎn)水深不符值中誤差，m；di為重合點(diǎn)i處的深度不符值，m；n為深主測線與聯(lián)絡(luò)測線的重合點(diǎn)數(shù)。交叉重合測點(diǎn)不符值分布見表2。

通過上述研究，根據(jù)多波束系統(tǒng)探測成果與精度分析結(jié)果可知，本次探測的總點(diǎn)數(shù)超過1582萬個(gè)，多波束系統(tǒng)探測的總點(diǎn)數(shù)與反饋的有效點(diǎn)數(shù)差值為13個(gè)，占總點(diǎn)數(shù)的0.01%，即探測中不滿足需要的探測點(diǎn)數(shù)極少。由此可以說明，此次提出的多波束系統(tǒng)應(yīng)用效果極好。

7 結(jié)語

多波束系統(tǒng)是由多個(gè)傳感器組合的高度集成化系統(tǒng)，與單波束探測技術(shù)相比，在深水海域能實(shí)現(xiàn)大范圍、高精度和全覆蓋，成果精度更滿足規(guī)范和市場實(shí)際需求，具有一定的先進(jìn)性和實(shí)用性，在高新科研領(lǐng)域和科研工作的持續(xù)推進(jìn)下取得了顯著成績。

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