水聲納雙頻寬條帶系統(tǒng)在河道水下地形測量中的應(yīng)用

鄭 魏 劉東潤 沈起鵬 蔣顯湘 蔡建平

（湖南省水文水資源勘測局 長沙市 410007）

1 水下測量技術(shù)概述

水下地形測量主要包括定位和測深兩大部分。目前的水上定位手段有光學(xué)儀器定位、無線電定位、水聲定位、衛(wèi)星定位和組合定位。水上定位同時測量水的深度是確定水下地形的重要內(nèi)容。

（1）測深主要靠回聲測深儀進(jìn)行。利用水聲換能器垂直向下發(fā)射聲波并接收水底回波，根據(jù)回波時間和聲速來確定被測點的水深，通過水深的變化就可以了解水下地形的情況。

（2）側(cè)掃聲納可探測船一側(cè)(或兩側(cè))一定面積海域內(nèi)的水下障礙物和水底地貌，可以取得類似于航攝效果的水底表面聲學(xué)圖像。

（3）測深系統(tǒng)，它能一次給出與航線垂直的平面內(nèi)幾十個甚至百余個水底被測點的水深值，形成一定寬度的全覆蓋的水深條帶，可以比較可靠地反映出水下地形的細(xì)微起伏，比單一測線的水深測量確定水下地形更真實。

（4）機載激光測深系統(tǒng)，激光光束的高分辨率能獲得水底傳真圖像，從而可以詳細(xì)調(diào)查水底地貌和底質(zhì)。

（5）合成孔徑雷達(dá)（SAR）等設(shè)備對海面遙感攝影，通過對照片處理確定水深。

水聲納雙頻寬條帶系統(tǒng)（AquaticSonar）帶狀掃描的寬度比多波束更寬，工作效率及測量精度更高，在測量線路的靈活性、系統(tǒng)兼容性、電子模擬輸出形式多樣化、淺水處理效果等方面都比后者有更進(jìn)一步的提高，三維顯示效果更是其它測量方法無法達(dá)到的，是當(dāng)今世界最先進(jìn)的測量技術(shù)之一。

2 水聲納雙頻寬條帶系統(tǒng)構(gòu)成

水聲納雙頻寬條帶系統(tǒng)（AquaticSonar）是芬蘭KAT公司生產(chǎn)的一種水下地形勘測儀器，系統(tǒng)由以下部分組成：傳感器塊（兩只側(cè)向傳感裝置和一只勘測中心線的向下的傳感器），1個用于連接傳感器端和控制端的ConnectionBox連接盒，1個實現(xiàn)控制功能并和MacbookPro筆記本電腦連接的Control Box控制盒，1個補償波浪影響的涌浪補償器，1套GPS羅經(jīng)以及RTK-GPS，保碰自動回縮托架和一臺MacbookPro筆記本電腦 （包括勘測和后處理的所有軟件）。連接如圖1。

圖1 水聲納儀器的連接示意圖

其中GPS羅經(jīng)用來測定和記錄測船艏向，涌浪傳感器用來測定測船垂向、縱傾和橫搖的三種運動姿態(tài)以矯正實時測量的數(shù)據(jù)。

3 水聲納雙頻寬條帶系統(tǒng)的工作原理

水聲納雙頻寬條帶系統(tǒng)是一種獨特的回聲勘測儀，使用測量相位差的干涉技術(shù)來確定距目標(biāo)點的距離。這項技術(shù)的原理是：系統(tǒng)向兩側(cè)發(fā)送一寬帶脈沖，返回的脈沖會與之有一個相位差。接收到返回脈沖后系統(tǒng)會在不同接收器之間探測出一個相位差。

目標(biāo)點與傳感單元之間的夾角可以根據(jù)相位差數(shù)據(jù)由數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)得出。系統(tǒng)包括左、右兩側(cè)的發(fā)送器和3個接收器。另外還有1個傳感器用于收集船底的水深數(shù)據(jù)。如圖2所示，兩側(cè)的第一個傳感器為發(fā)送器，其他的都為接收器。底部的接收器只計算單點水深，另外3個接收器分別接收反射回來的聲納，并計算出相對的相位差，以此來推算出河底地形。

圖2 水聲納雙頻寬條帶系統(tǒng)工作原理示意圖

水聲納的聲納傳感器安裝在一個可以活動的支架上。支架通過一個馬達(dá)能靈活地調(diào)整聲納傳感器的入水深度。聲納傳感器由兩邊兩個獨立的聲納處理裝置組成，其夾角可以根據(jù)水深和河底地形通過馬達(dá)和支桿靈活地調(diào)整，夾角由一個聲納傳感器中的角度傳感器精確地測量并將值實時地顯示在勘測軟件上。

水底的輪廓是以+/-20cm（在距傳感器25m的范圍內(nèi)時）的最小數(shù)學(xué)精度產(chǎn)生出來的。但最終的測量精度取決于相關(guān)輔助儀器的精度。

4 水聲納雙頻寬條帶系統(tǒng)的工作效率

水聲納雙頻寬條帶系統(tǒng)以極快的速度和緊湊的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有效的和精確的河底模擬數(shù)據(jù)。該測量系統(tǒng)產(chǎn)生非常高的數(shù)據(jù)密度，從而可以增加從勘測艇向外的側(cè)向勘測寬度。這些特點使得它可以在如近岸的淺水區(qū)域也能提供較寬的勘測范圍和更加可靠的數(shù)據(jù)。通常多波束在每帶寬范圍內(nèi)提供100～150個數(shù)據(jù)點，與其波束數(shù)相同。而水聲納雙頻寬條帶系統(tǒng)產(chǎn)生比其多得多的數(shù)據(jù)點。例如，當(dāng)勘測的帶寬為60m時，水聲納雙頻寬條帶系統(tǒng)每一個脈沖可以產(chǎn)生1300個原始數(shù)據(jù)點。

如圖3所示，多波束為每隔一定時間和角度發(fā)射許多單束聲納波，而水聲納雙頻寬條帶系統(tǒng)則是在一個大概120°的范圍內(nèi)連續(xù)發(fā)射寬角度的聲納波，所以其覆蓋的范圍更廣，數(shù)據(jù)更精確，效率也更高。

圖3 水聲納雙頻寬條帶系統(tǒng)與其他儀器原理對比

5 水聲納雙頻寬條帶系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢

相干聲納測量水深的原理和多波束的工作原理完全不同。與多波束測深系統(tǒng)相比，水聲納雙頻寬條帶系統(tǒng)在覆蓋寬度、數(shù)據(jù)密度、分辨率、精度、便攜性及成本價格等均比多波束系統(tǒng)有優(yōu)勢。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）采集的數(shù)據(jù)密度大，分辨率高。相干聲納是按一定的時間間隔測量一系列回波的反射角度，根據(jù)角度算出該點的水深，即角度是時間的函數(shù)：θ=f（t），t=t1，t2，t3，…tn。相干聲納采集數(shù)據(jù)的密度取決于聲能透射帶的大小及采樣間隔的長短。由于其換能器的開角為300°，發(fā)射的是連續(xù)的、在垂直方向無指向性的聲波，采樣時間間隔可以很小，最小可達(dá)5us，即相當(dāng)于海底水平方向上的采樣間距為7.5 cm。每次發(fā)射在其頻帶內(nèi)可以采集多達(dá)6000個數(shù)據(jù)（一側(cè)），這樣密集的數(shù)據(jù)使系統(tǒng)的分辯率優(yōu)于以往任何一種測深設(shè)備，足以反映海底的細(xì)節(jié)。

多波束是利用波束形成，根據(jù)一系列已知角度測量聲波的來回時間差，算出每個角度對應(yīng)的斜距，從而計算出該點的水深，即時間是角度的函數(shù)：t=f（θ），θ=θ1，θ2，θ3，…θn。

波束的數(shù)據(jù)密度取決于波束個數(shù)及其“腳印”的大小。由于受換能器開角及波束個數(shù)的限制，一般而言，多波束每次發(fā)射只能測量（60～120）個數(shù)據(jù)點，而且數(shù)據(jù)的密度從換能器下方到邊緣時越來越小。

（2）能獲得真實的側(cè)掃圖像，真正做到條帶測深和側(cè)掃聲納二合一。相干聲納的振幅記錄是由無指向性的聲板按時間系列連續(xù)接收反射信號，這些信號是真正的側(cè)掃信號，其換能器和一般的側(cè)掃聲納的換能器是一樣的，因此，系統(tǒng)既有條帶測深功能，又有高分辨率側(cè)掃功能。

多波束由于其波束的指向性，多波束記錄的每個信號只是反映了該波束水底發(fā)射信號的平均強度值，因而無法獲得真正的側(cè)掃數(shù)據(jù)。

（3）覆蓋寬度大。目前較普遍應(yīng)用的多波束技術(shù)，由于其換能器的開角是固定不變的，其覆蓋寬度和水深成一個固定的比例關(guān)系，水深越大，覆蓋寬度越大；反之，則越小。理論上，多波束覆蓋寬度可達(dá)水深的（6～7）倍，而實際上其有效覆蓋寬度只能達(dá)到水深的（2～4）倍。因此，在淺水水域，多波束難于發(fā)揮其優(yōu)勢。只有在工作水深大于200m時，多波束才能發(fā)揮其優(yōu)勢。

由于相干聲納的發(fā)射和接收聲板是無指向性的，其接收開角很大（300°）。其聲能的覆蓋寬度和水深沒有關(guān)系，只要聲波到達(dá)區(qū)域的發(fā)射信號強度足夠用于相位測量，則該區(qū)屬于有效覆蓋范圍。一般而言，在工作水深小于200m時，其覆蓋寬度可達(dá)水深的（10～15）倍，在淺水水域，它可以探測到海岸線。因此，在港口、航道、近海、河道、湖泊等淺水水域的測量中，最能發(fā)揮相干聲納的優(yōu)勢。

（4）精度優(yōu)于多波束。多波束的深度誤差由其波束寬度和姿態(tài)測量精度決定。由于聲波在水中的傳播受水介質(zhì)理化特性的影響，在船正下方左右各45°開角的范內(nèi)，測深精度較高，超出此范圍，精度將受到不同程度的影響。此外，每個波束在水底的“腳印”（footprint）有一定的寬度，在“腳印”之內(nèi)，由于每個波束只采集一個該波束水底反射回波信號，無論是取平均值或最大值，均不能準(zhǔn)確反映波束內(nèi)的真實情況，因而測深點在“腳印”內(nèi)部的定位會產(chǎn)生一定的誤差。這種誤差隨著水深的增加而增大，越靠近邊緣“腳印”越大，誤差也越大。

相干聲納的深度測量精度由換能器姿態(tài)及航向測量系統(tǒng)的精度決定。由于目前姿態(tài)測量的精度已很高（TSS精度已優(yōu)于0.05°），相干聲納換能器自身角度測量精度也好于0.05°，也即綜合精度為0.1°。因此，相干聲納的測量精度優(yōu)于國際海道測量組織（IHO）規(guī)定水深的1%。

其精度和距離的關(guān)系由下式確定：

其中，δD為深度誤差，S為指定點離換能器下方的水平距離，δθ為角度測量的精度。由此公式可以方便地計算出不同精度要求時的最大測量距離。

（5）覆蓋寬度對測量船的橫搖不敏感。由于相干聲納換能器的無指向性，測量船的橫搖對覆蓋寬度不會產(chǎn)生大的影響。而多波束由于其固定的、有指向性的波束，當(dāng)測量船發(fā)生橫搖時，其波束對水底的透射會發(fā)生位移，即“腳印”發(fā)生位移。如有12°的橫搖，若多波束標(biāo)稱覆蓋寬度為水深的7倍，而在這種情況下，其覆蓋寬度實際上只有達(dá)到水深的3.7倍。由于橫搖對多波束覆蓋寬度的影響，導(dǎo)致該系統(tǒng)需要附加的設(shè)備來消除這種影響，這就降低了系統(tǒng)的可靠性并會產(chǎn)生誤差。

（6）無旁瓣效應(yīng)影響。由于相干聲納換能器的無指向性，水底的位置是靠測量相位而確定的，換能器聲板的主瓣很寬，因而不會產(chǎn)生旁瓣效應(yīng)。

多波束的主瓣很窄，在區(qū)分海底目標(biāo)時，很難抑制旁瓣效應(yīng)的影響。這些來自旁瓣的反射信號會導(dǎo)致錯誤的產(chǎn)生。尤其在水底地形較復(fù)雜、或有水底管道時，這種影響更大。

（7）可以對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查和再處理。相干聲納記錄的是未作任何處理的原始相位及振幅，可以對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查和再處理，便于在發(fā)現(xiàn)圖中的異常后對其進(jìn)行解釋。

多波束以X，Y，Z的方式記錄測量數(shù)據(jù)，無法對信號進(jìn)行再處理。

（8）系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，換能器堅固可靠，便于安裝。相干聲納有兩個換能器，成V字型布置，電子器件均在水上的主機中，換能器不含任何電子元器件，因而堅實可靠、簡單輕便、使用壽命長、制造成本低，可靈活地安裝在任何船只上。

由于多波束的換能器需要多達(dá)150個聲板和信號通道（視型號不同而不同），并含有大量電子部件，制作工藝十分復(fù)雜，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性下降、體積大、笨重，需要固定安裝在船底，換能器一旦出現(xiàn)問題，其維修工作十分艱巨。

6 水聲納雙頻寬條帶系統(tǒng)河道水下測量應(yīng)用

（1）系統(tǒng)使用RTK高程得到的成果數(shù)據(jù)與使用水位改正得到的成果數(shù)據(jù)進(jìn)行殘差對比分析。

水聲納雙頻寬條帶系統(tǒng)可以使用RTK數(shù)據(jù)或者水位改正數(shù)據(jù)形成最終結(jié)果。考慮到GPS數(shù)據(jù)有時不一定達(dá)到固定解，且測船在風(fēng)浪中有較大的姿態(tài)變化，超出涌浪補償器的補償范圍，數(shù)據(jù)難以到達(dá)到較高的精度。

對長沙水文站河道測量成果用RTK及水位改正進(jìn)行分別處理，然后將測量成果采用10m×10m水下網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，并分別對這兩個后處理成果進(jìn)行取樣分析求得一個理論值，然后對兩次測量的處理成果進(jìn)行殘差分析，得到的殘差分布見表1。

表1 長沙水文站河道測量殘差分布

對于長沙水文站河道地形測量，利用后處理軟件功能，輸出結(jié)果提供基于RTK高程和水位改正高程的兩種結(jié)果比較殘差，測量水位結(jié)果殘差絕對值中81%小于0.2m，18%絕對值大于0.2m且小于0.4m，另有1%的絕對值大于0.4m；而測量RTK高程結(jié)果殘差絕對值中只有75%的值小于0.2m，13%的值大于0.2m且小于0.4m，12%的絕對值大于0.4m。

通過分析，可以推測在自然條件較好的情況下，船身搖擺不劇烈，水面平靜的時候，兩種結(jié)果差異不大。但在自然條件較為惡劣的情況下應(yīng)采用水位改正來得到高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。

（2）水聲納雙頻寬條帶系統(tǒng)得到的成果數(shù)據(jù)與單點測深儀配合RTKGPS得到的成果數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

為了驗證水聲納雙頻寬條帶系統(tǒng)的可靠性，決定采用該系統(tǒng)與測深儀配合RTKGPS比較斷面來驗證其可靠性。

在長沙水文站河道內(nèi)，均勻選取10個斷面，對兩組數(shù)據(jù)在相同水位下進(jìn)行斷面面積比較。計算方法為：（水聲納斷面面積-單點測深儀配合GPS斷面面積）÷水聲納斷面面積×100%，計算結(jié)果如表2。

表2 斷面面積比較

由于單點測深儀測量的數(shù)據(jù)并非連續(xù)的，因此單點測深儀去衡量連續(xù)采集數(shù)據(jù)的水聲納雙頻寬條帶系統(tǒng)的精度并不科學(xué)，但從數(shù)據(jù)可惜可以看出水聲納寬條帶系統(tǒng)與單點測深儀的數(shù)據(jù)差別并不大，我們可以認(rèn)為水聲納雙頻寬條帶系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)是可靠的。圖4為水聲納雙頻寬條帶系統(tǒng)軟件后處理成果圖。

圖4 水聲納雙頻寬條帶系統(tǒng)軟件后處理成果圖

7 結(jié) 論

（1）AquaticSonar水聲納雙頻寬條帶系統(tǒng)精度高，效率高，系統(tǒng)覆蓋面廣，后處理快速、方便。

（2）成果數(shù)據(jù)位ASCII文件，數(shù)據(jù)通用性教高，能方便應(yīng)用于其他成圖軟件。

（3）該儀器能最大能輸出0.1m×0.1m的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，對于大比例尺、精度要求很高的地形測量以及尋找水下丟失物均有明顯的優(yōu)勢。

（4）使用水位改正得到的成果數(shù)據(jù)要優(yōu)于使用GPS高程數(shù)據(jù)的成果數(shù)據(jù)。

（5）與單點測深儀測量比較，該儀器性能是可靠和穩(wěn)定的。