淺析多波束測(cè)深系統(tǒng)安裝誤差校正研究

古保春

摘 要：本文基于筆者多年從事海洋測(cè)繪的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以廣州港出海航道竣工驗(yàn)收測(cè)量為例，介紹了SONIC 2024嵌入式寬帶超高分辨率多波束測(cè)深系統(tǒng)，整個(gè)測(cè)深系統(tǒng)中的DGPS、水聲換能器、光纖陀螺（羅經(jīng)）設(shè)備儀器安裝時(shí)，所產(chǎn)生的GPS時(shí)間延遲、橫搖、縱搖、艏搖系統(tǒng)誤差進(jìn)行分析，采用一定的校正方法來(lái)減少誤差，以提高水深測(cè)量的精度，測(cè)定出系統(tǒng)安裝時(shí)偏差數(shù)值，提供內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)加以改正，并針對(duì)實(shí)際工作得出結(jié)論和提出有關(guān)的建議。全文是筆者長(zhǎng)期工作實(shí)踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行有著重要的參考價(jià)值和借鑒意義。

關(guān)鍵詞：多波束測(cè)深系統(tǒng) 安裝誤差 航道測(cè)量 校正

1.SONIC 2024多波束測(cè)深系統(tǒng)簡(jiǎn)介

SON IC 2 024嵌入式寬帶超高分辨率多波束測(cè)深儀代表了當(dāng)前世界最先進(jìn)的水下聲學(xué)技術(shù)。SONIC2024/2022是世界上第一臺(tái)真正的寬帶高分辨率淺水多波束測(cè)深儀，測(cè)深范圍2到500米。主要特點(diǎn)：

（1）高分辨率：0.5°超窄波束角，聚焦算法，實(shí)現(xiàn)超高分辨率。

（2）寬覆蓋寬度：160°超寬覆蓋能力，超高工作效率，節(jié)省時(shí)間，降低測(cè)繪成本。

（3）采用嵌入式處理器，工作時(shí)寬帶可變頻200～400kHz間頻率實(shí)時(shí)在線可選。

（4）覆蓋寬度0°～160°之間，覆蓋寬度實(shí)時(shí)在線可調(diào)。

（5）條帶扇區(qū)實(shí)時(shí)在線旋轉(zhuǎn)（SSR）功能，可實(shí)現(xiàn)水底以及垂直面的高質(zhì)量測(cè)量。

（6）結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)龐大主機(jī)，可以當(dāng)作隨身行李攜帶，方便簡(jiǎn)潔。2024多波束系統(tǒng)組成：Qinsy數(shù)據(jù)采集主機(jī)、2024處理單元（SIM盒）、水下?lián)Q能器聲納發(fā)射和接收單元（2024探頭）、OCTANS光纖羅經(jīng)、Trimble GPS（SPS351）、剖面聲速儀（HY1200）、顯示器（220VAC）。

2.多波束測(cè)深系統(tǒng)設(shè)備安裝

2. 1項(xiàng)目概況

測(cè)區(qū)位于南海珠江口，航道南北走向，人工疏浚航道，東側(cè)為香港、深圳、東莞市，西側(cè)屬珠海、中山、番禺三市，是大型船舶進(jìn)出廣州港及附近各市港口的深水航道。測(cè)量范圍如下圖1所示。

為了更好的完成《廣州港出海航道》水域維護(hù)測(cè)量工作，因此對(duì)測(cè)量的各方面工作都提出了更高的要求，測(cè)量水深的精確度也要求更高。

2.2安裝誤差來(lái)源

整個(gè)測(cè)深系統(tǒng)安裝時(shí)，測(cè)深誤差主要產(chǎn)生于GPS定位延時(shí)，換能器橫搖、縱搖、艏搖偏差等，為了消除這些系統(tǒng)誤差，安裝一次就要校正一次，以保證測(cè)量結(jié)果的客觀性。

2.3DGPS位置

DGPS天線安裝應(yīng)確保接收面向上（天空），且上方無(wú)金屬物遮擋，屏蔽。安裝時(shí)遠(yuǎn)離如船上旗桿，電視天線，信息系統(tǒng)AIS、雷達(dá)，空調(diào)機(jī)等電子設(shè)備或其電器，安裝位置不恰當(dāng)都會(huì)引起的GPS接收故障。

2.4水聲換能器位置

對(duì)換能器影響最大是來(lái)自各種噪音與振動(dòng)。因?yàn)樵胍襞c振動(dòng)將降低采集數(shù)據(jù)質(zhì)量和測(cè)深精度。因此安裝位置非常重要，換能器安裝位置應(yīng)該遠(yuǎn)離來(lái)自各種噪音發(fā)生體，如測(cè)量船發(fā)動(dòng)機(jī)、螺旋槳、尾流等。船體噪音引起振動(dòng)、聲納桿固定不好、聲納桿材料不好、聲納桿太小、聲納桿底端離最后一個(gè)支撐點(diǎn)太遠(yuǎn)、甲板和艙壁撓曲都會(huì)影響。

安裝時(shí)并要求減震安裝穩(wěn)固，使其工作時(shí)無(wú)抖動(dòng)出現(xiàn)；同時(shí)做好換能器的防腐，防漏電工作；并要求考慮測(cè)量時(shí)，探頭不應(yīng)安裝在易被漁網(wǎng)、障礙物和船只碰撞的地方，建議最好安裝在船底。安裝好后，應(yīng)檢查測(cè)船的前后左右及換能器的吃水值，在調(diào)好船的平衡后，須由二人分別測(cè)量換能器的吃水，相互差值不應(yīng)大于0.1米，取平均值作為最后結(jié)果；并測(cè)定船從靜止到最大航速間不同速度時(shí)的下沉量（即動(dòng)態(tài)吃水）?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量作業(yè)人員和船舶上有關(guān)人員多溝通，保證測(cè)量前把船舶調(diào)試到平穩(wěn)狀態(tài)以減少人為誤差。

2.5光陀螺儀纖（羅經(jīng)）位置

光纖陀螺儀主要是反映出船舶在航行測(cè)量中的瞬時(shí)姿態(tài)信息，航向，縱橫向傾角和船舶回轉(zhuǎn)角等。從實(shí)際工作中總結(jié)出，羅經(jīng)要求安裝在船的中軸線（船首尾線）上，與探頭的連線垂直于中軸線，其讀數(shù)零點(diǎn)應(yīng)指向船首。才能準(zhǔn)確反映測(cè)船或多波束換能器姿態(tài)的位置姿態(tài)（運(yùn)動(dòng)），其方向線平行于船的首尾線，并靠近船的旋轉(zhuǎn)中心（或船的重心）上，并與水聲換能器在同一橫軸上。

2.6儀器歸心改正

當(dāng)所有儀器安裝完畢后，因?yàn)椴皇窃谕黄矫嫔?，?yīng)建立船體坐標(biāo)系，把各種偏移進(jìn)行改正。作業(yè)前應(yīng)測(cè)出定位天線、SONIC 2024探頭（換能器）與光纖陀螺羅經(jīng)的相對(duì)關(guān)系，以在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的船配置文件里用。在實(shí)驗(yàn)操作中，為解決此問(wèn)題，在多波束安裝時(shí)，利用鋼尺精確量取天線到換能器的各種偏心距離，以換能器為參考點(diǎn)（RP），左手坐標(biāo)系，船首為+Y，把各種偏心距離輸入到調(diào)查船配置文件（VCF）中，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)時(shí)處理時(shí)自動(dòng)進(jìn)行歸心改正，如圖2所示。

3.系統(tǒng)校正作業(yè)實(shí)施

3. 1校正位置選擇

按照相關(guān)的工程測(cè)量規(guī)范要求，根據(jù)廣州港出海航道的海況、水深、天氣、潮汐、和測(cè)量作業(yè)的特點(diǎn)等多方因素考慮，標(biāo)定地址選擇（馬友石礁石，經(jīng)緯度：22°1635.7169"N，113°4814.8306"E）如圖1，馬友石礁石標(biāo)定地址選擇主要考慮因素有：

（1）周?chē)?6米多水深，馬友石（礁石）突出水深7.4米，地形特癥符合相關(guān)測(cè)量規(guī)范標(biāo)定要求。

（2）馬友石礁石位于《廣州港出海航道》測(cè)區(qū)而且位于出海航道中間段，所以在同一測(cè)區(qū)能減少海水密度、溫度、聲束等的影響。

（3）實(shí)際工作中經(jīng)驗(yàn)，維護(hù)中航道海底有很多的浮泥，測(cè)量時(shí)發(fā)射出的聲波回波時(shí)會(huì)有很多的假信號(hào)，影響標(biāo)定的精度，而馬友石（礁石）附近是自然水深，反射回波清晰精度較高。

3.2標(biāo)正測(cè)線的布設(shè)

本次測(cè)量測(cè)深線布設(shè)根據(jù)測(cè)區(qū)水深減去探頭吃水的3倍距離進(jìn)行的，即10～40米間距；測(cè)量實(shí)施是通過(guò)定位導(dǎo)航系統(tǒng)引導(dǎo)測(cè)量船沿著計(jì)劃測(cè)深線航行并同時(shí)實(shí)施定位、測(cè)深及數(shù)據(jù)采集。標(biāo)正測(cè)線兩邊都適當(dāng)延長(zhǎng)，讓光陀螺儀纖與測(cè)量船舶充分平穩(wěn)下來(lái)。

3. 3GPS（定位）時(shí)間延遲校正（Latency）

通常由定位系統(tǒng)產(chǎn)生，作為整個(gè)系統(tǒng)的一部分這個(gè)校正是必要的。校正需要沿航線航行兩條航跡線，以相同的方向并且海底有明顯可見(jiàn)的特征。兩次航行的速度差異越大，時(shí)間誤差確定的就越好。誤差通過(guò)比較兩個(gè)剖面、找到最小誤差而確定。

校正方法：在斜坡或特癥物地形上布置一條測(cè)線，在該測(cè)線上以同樣方向航行兩次，一次的船速是另一次的兩倍的測(cè)線數(shù)據(jù)作校準(zhǔn)。

3.4橫搖校正（Roll）

橫搖通常由換能器橫向安裝偏差引起。確定橫搖偏差使用相同的航跡線，平坦的海底。橫搖偏差在兩個(gè)剖面之間、交叉于航跡線的方向顯現(xiàn)了一個(gè)角度。

校正方法：在一塊比較平坦海底布置一條測(cè)線，在該測(cè)線上以相反的方向，相同速度航行兩次，重合測(cè)線數(shù)據(jù)作校準(zhǔn)。

3.5縱搖校正（Pitch）

縱搖偏差，沿船艏方向的縱向安裝偏差產(chǎn)生的測(cè)量誤差。

校正方法：在一塊明顯特征海底布置一條測(cè)線，在該測(cè)線上以相反的方向，相同速度航行兩次，重合測(cè)線數(shù)據(jù)作校準(zhǔn)，Pitch校正的分辨率應(yīng)達(dá)到0.1。

3.6艏搖校正（Yaw）

艏搖安裝偏差是與船中心線不平行產(chǎn)生的一個(gè)水平方向上的微小的偏角。Yaw誤差引起邊緣波束水深點(diǎn)的位置誤差。要航行兩個(gè)航跡線，其間隔要保障邊緣波束有足夠的重疊。比較重疊部分的兩個(gè)剖面，確定偏差值。

校正方法：在突出平坦海底如水深落差較大航道邊坡、海底礁石等，布置兩條測(cè)線，測(cè)線之間的波束有50% 的覆蓋率，在該測(cè)線上以相反或者相同的方向，相同速度航行兩次，重合測(cè)線數(shù)據(jù)作校準(zhǔn)。

3.7多波束測(cè)深系統(tǒng)校正結(jié)果

校準(zhǔn)位置（馬友石），測(cè)量船（海巡1760船）校準(zhǔn)結(jié)果：定位時(shí)延（Latency）=0.00s、橫搖偏差（Roll Offset）=1.05°、縱搖偏差（Pich Offset）=0.100°、船向偏差（Gyro Offset）=0.21°。

按照規(guī)范進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定測(cè)試，單波束測(cè)量成果與標(biāo)定成果互相比對(duì)，標(biāo)定結(jié)果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定，多波束與單波束重合點(diǎn)水深最大互差為0.2米，符合精度要求。將偏移數(shù)據(jù)應(yīng)用到內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理中，以提高對(duì)《廣州港出海航道》水域維護(hù)測(cè)量掃海測(cè)量的精度。

4.結(jié)論與建議

在實(shí)際工作中，為了保證測(cè)量到的高精確的數(shù)據(jù)，和減少各方面帶來(lái)的影響，總結(jié)得出：

（1）對(duì)測(cè)量環(huán)境要求較高，安裝時(shí)必須要求減震安裝穩(wěn)固。

（2）施測(cè)時(shí)間，每天的潮水都分高、底、平潮時(shí)段因此就會(huì)產(chǎn)生潮差，為了減少潮差的影響，一般選擇在（高或底）平潮時(shí)段進(jìn)行。

（3）測(cè)區(qū)海況：比較思想的海況是海風(fēng)小<4級(jí)，浪高<2米，能見(jiàn)度大于5公里。

（4）對(duì)人員要求：測(cè)量人員必須經(jīng)過(guò)相關(guān)多波束測(cè)深培訓(xùn)并通過(guò)測(cè)試合格，和從事多波束測(cè)量工作1年以上的經(jīng)驗(yàn)，至少做過(guò)相關(guān)多波束測(cè)量項(xiàng)目2個(gè)以上。船舶人員：由于測(cè)量時(shí)間在（高或底）平潮時(shí)段進(jìn)行，時(shí)間很短，所以對(duì)駕駛測(cè)量船舶人員，要求反應(yīng)快、駕駛測(cè)量船舶一年以上。

（5）海上風(fēng)浪變化莫測(cè)，要求測(cè)量人員必須得有強(qiáng)大的抗風(fēng)浪能力，除了以上的要求外，為計(jì)劃能夠順利進(jìn)行，做好船舶人員和測(cè)量人員各方面溝通協(xié)調(diào)工作也很重要。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉經(jīng)南，趙建虎.多波束測(cè)深系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].海洋測(cè)繪，2002，（5）：3～6.

[2]國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.海道測(cè)量規(guī)范[S].北京，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

[3]Reson Inc SONIC 2024操作手冊(cè)[Z].1998.

[4]李家彪.多波束勘測(cè)原理技術(shù)與方法[M].北京：海軍出版社，1999.

[5]周慶沖.水深測(cè)量若干誤差的改正方法[J].航測(cè)技術(shù)，2001.

[6]王閏成.多波束測(cè)深系統(tǒng)安裝校準(zhǔn)[J].海洋技術(shù).