EM1002S與GeoSwath多波束聲納系統(tǒng)測深精度比較分析

唐秋華，陳義蘭，路 波，文 武，丁繼勝

(1.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061； 2.國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心，遼寧 大連 116023； 3. 國土資源部 海洋油氣資源與環(huán)境地質(zhì)重點實驗室，山東 青島 266071)

多波束聲納系統(tǒng)是20世紀60年以來發(fā)展起來的新型海底地形地貌勘測設備，多波束聲納系統(tǒng)采取全覆蓋測量的工作方式，能夠獲取工作區(qū)高精度海底水深地形數(shù)據(jù)，在海洋資源調(diào)查、海洋工程建設以及海洋科學研究中發(fā)揮了重要作用。

多波束聲納系統(tǒng)能夠獲取得到高精度水深地形數(shù)據(jù)，不但取決于聲納設備的穩(wěn)定可靠性，還依賴于在設備安裝過程中產(chǎn)生的誤差影響。通常影響水深測量結(jié)果的安裝校準誤差很多，在多波束勘測之前，我們需要進行各種校準改正，使其滿足多波束勘測技術的要求[1-3]。基于在渤海灣開展的多波束海底地形地貌勘測項目，在項目勘測之前，對EM1002S與GeoSwath多波束聲納系統(tǒng)進行了安裝校準，并對兩套多波束聲納系統(tǒng)的測深精度進行了比較分析，結(jié)果顯示測深精度滿足勘測技術要求，為我們調(diào)查工作的順利開展奠定了良好的基礎。

1 實驗概論介紹及多波束聲納系統(tǒng)的安裝校準

本次多波束調(diào)查區(qū)域位于遼東灣、渤海灣和萊州灣三灣交界處，水深為20～30 m，水深變化不大，海底地形比較平坦。我們采用了2套多波束測量設備，2艘調(diào)查船只完成該項工作。采用的多波束調(diào)查設備是挪威Kongsberg Simrad公司生產(chǎn)的EM1002S多波束聲納系統(tǒng)以及英國GeoAcoustics公司(目前已被挪威Kongsberg公司收購)生產(chǎn)的GeoSwath多波束聲納系統(tǒng)。

EM1002S多波束聲納系統(tǒng)是Simrad公司生產(chǎn)的高精度中淺水多波束測深系統(tǒng)，它的工作頻率為95 kHz，最大發(fā)射率大于10 Hz，每次發(fā)射111個波束，波束寬度為2°×2°，深度測量范圍2～1 000 m，采取等距或者等角間隔發(fā)射波束，波束覆蓋扇面150°，覆蓋寬度為7倍水深值。GeoSwath是英國GeoAcoustics公司生產(chǎn)的相干聲納多波束測深系統(tǒng)，它的工作頻率為125 kHz，深度測量范圍1～200 m，覆蓋寬度通常為10倍水深(取決于底質(zhì)情況)；測深精度在6倍水深覆蓋時，滿足±(0.1m+0.2%水深)，6倍以上覆蓋時，符合IHO標準。

多波束勘測之前，根據(jù)相關的規(guī)范[1-3]規(guī)定必須對多波束聲納系統(tǒng)進行安裝校準和測深精度評定工作，才能用于正式的地形地貌勘測工作中。為了滿足勘測技術要求，2012-07-16我們在青島膠州灣進行了EM1002S多波束聲納系統(tǒng)的安裝校準工作，于2012-07-01在大連灣三山島附近海域進行了GeoSwath多波束聲納系統(tǒng)的安裝校準工作；2套多波束安裝校準完畢后，我們于2012-07在渤海西部多波束調(diào)查區(qū)進行了多波束測深精度比較實驗(圖1)。

圖1 EM1002S與GeoSwath多波束安裝校準實驗區(qū)示意圖Fig.1 A sketch map of the experiment area in which the installation and calibration weredone for the multi-beam sonar systems EM1002S and GeoSwath

1.1 EM1002S多波束聲納系統(tǒng)的安裝與校準

多波束聲納系統(tǒng)的安裝應注意以下主要因素：換能器安裝盡可能遠離噪聲源，比如主機艙、螺旋槳推進器等容易產(chǎn)生噪聲干擾的位置；姿態(tài)傳感器安裝位置盡可能靠近多波束換能器，以減小量測換能器姿態(tài)變化而產(chǎn)生的誤差；各傳感器安裝位置確定以后，應精確測量各傳感器之間相互位置關系，提高最終波束水深點空間歸位精度。

圖2 EM1002S多波束聲納系統(tǒng)安裝示意圖Fig.2 A sketch map showing the installation of multi-beam sonar system EM1002S

將本次外業(yè)調(diào)查工作使用的EM1002S多波束測深系統(tǒng)依照以上安裝注意事項，固定安裝在調(diào)查船上(各傳感器分布位置如圖2所示)。Seapath 200三合一姿態(tài)系統(tǒng)天線安裝在船體頂部的獨立支架上；運動傳感器(MRU-5)安裝在工作室相對穩(wěn)定的位置；主機柜、操作工作站、導航計算機安裝在船體中央的物探工作室；換能器陣列固定安裝在?？?8船的底部，通過專用管道將電纜連接到物探工作室主機柜。GPS信號、差分信號和MRU姿態(tài)信號通過數(shù)據(jù)線實時傳輸?shù)綄Ш接嬎銠C，導航工程師將導航信息傳輸給操作工作站、駕駛室導航顯示屏，指揮完成測量任務。EM1002S多波束系統(tǒng)及其配套設備的初始安裝參數(shù)見表1。

表1 EM1002S多波束聲納系統(tǒng)及配套設備初始安裝參數(shù)表Table 1 The initial installation parameters of EM1002S and its ancillary equipment

多波束水深測量系統(tǒng)是由多種輔助測量設備綜合而成的復雜水底地形地貌測量系統(tǒng)，精確的系統(tǒng)測前校準是保證外業(yè)采集數(shù)據(jù)精度的保障。除了以上介紹的DGPS靜態(tài)穩(wěn)定性試驗及電羅經(jīng)靜態(tài)方位校準外，還應該對多波束換能器安裝角度誤差及時間延遲進行精確校準，包括橫搖偏差(Roll Bias)、縱傾偏差(Pitch Bias)、艏向偏差(Yaw Bias)及時間延遲(Time Delay)校準。

根據(jù)多波束校準內(nèi)容對海底地形特征要求[4]，我們在青島膠州灣選擇了不同地形特征的校準海區(qū)(圖1)，對橫搖偏差、縱傾偏差、艏向偏差及時間延遲進行精確校準。Roll偏差校準選擇了一處平坦海區(qū)，其他校準內(nèi)容選擇了地形起伏較大的一處海區(qū)，進行了校準數(shù)據(jù)的采集，根據(jù)多波束常用的校準方法[4]，對各種傳感器安裝偏差進行現(xiàn)場解算，經(jīng)過對試驗數(shù)據(jù)處理分析，得到以下校準結(jié)果：

表2 EM1002S多波束聲納系統(tǒng)安裝偏差校準結(jié)果Table 2 Results of misalignment calibration of EM1002S

最后將結(jié)果校準輸入到多波束數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)中，對多波束采集的水深數(shù)據(jù)進行實時改正，獲取高精度多波束測量數(shù)據(jù)。

1.2 GeoSwath多波束聲納系統(tǒng)的安裝與校準

為了更快更好完成調(diào)查任務，本次調(diào)查任務還采用了GeoSwath多波束聲納系統(tǒng)。將GeoSwath 換能器安裝在調(diào)查船龍骨中心位置，參考方向指向船艏，換能器中心距離安裝井口4.26 m(如圖3所示)。換能器通過電纜經(jīng)安裝井連接至主機，換能器下方使用鋼板與前后船底焊接，保證聲波發(fā)射角度不受船體干擾的同時，避免了海底障礙物對換能器的刮碰，保證了設備的安全性和穩(wěn)定性。GeoSwath主機、顯示器等設備安裝在駕駛室內(nèi)，保證了測量工作人員能夠?qū)崟r監(jiān)控多波束測量儀器的狀態(tài)參數(shù)，并可與調(diào)查船駕駛員隨時交流，及時調(diào)整船只航行狀態(tài)、處置突發(fā)情況等。

圖3 GeoSwath多波束聲納系統(tǒng)安裝位置關系示意圖(m)Fig.3 A sketch map showing the installation of multi-beam sonar system GeoSwath(m)

GeoSwath多波束聲納系統(tǒng)同EM1002S多波束聲納系統(tǒng)一樣，在海底地形勘測前必須進行橫搖偏差、縱傾偏差、艏向偏差及時間延遲等4個校準參數(shù)的精確測定。其中，時間延遲是指當用機器時間來標記水深和位置值時，GeoSwath與導航定位設備或任何其它附加測量系統(tǒng)之間的電子延遲；艏向偏差是指GeoSwath換能器和艏向設備之間的偏移量，即電羅經(jīng)指向和換能器指向之間的差值；橫搖偏差是指在換能器橫截面上，運動傳感器豎向軸線和換能器豎向軸線之間的角度；縱傾偏差是指在換能器縱向剖面上，運動傳感器橫截面和換能器水平向截面之間的角度。

橫搖偏差的測試需要平坦海底海域或平直斜坡海域；縱傾偏差、艏向偏差和定位時間延遲的測試需要存在標志地物的平坦海底海域或平直斜坡海域。根據(jù)歷史測深資料，選擇了位于大連灣三山島附近的兩個區(qū)域做校準區(qū)域：一為平坦海底區(qū)域，水深約為42 m；另一為地形坡度變化均勻的區(qū)域，水深15～40 m(如圖1所示)。

GeoSwath多波束聲納系統(tǒng)的海上校準測量開始前，首先進行聲速剖面測量，并精確測量換能器吃水深度、DGPS定位天線和運動傳感器位置偏移量后輸入GeoSwath 聲納系統(tǒng)，各待校準參數(shù)均預置為0。

在GeoSwath多波束測量設備與各附屬組成單元的時間延遲中，Trimble R5 DGPS提供了PPS信號與GeoSwath主機進行時間同步，因此定位時間延遲為0.000 s；DMS-05運動傳感器數(shù)據(jù)時間延遲采用生產(chǎn)廠商推薦值0.009 s；SG Brown電羅經(jīng)輸出數(shù)據(jù)值變化速率較緩慢，時間延遲對其影響較小，可忽略不計，故設為0.000 s。

測量系統(tǒng)工作穩(wěn)定后進行校準測量，施測航速約7 n mile/h，施測時航向保持穩(wěn)定。平坦海底區(qū)域沿東西方向平行施測三條校準測線，取條幅覆蓋寬度100 m，相鄰測線方向相反，間隔100 m，重疊率100%。平直斜坡區(qū)域沿垂直等深線方向平行施測三條校準測線，取條幅覆蓋寬度50 m，相鄰測線方向相反，測線間隔50 m，條幅重疊率100%。

現(xiàn)場校準測量完成后，利用GeoSwath數(shù)據(jù)處理軟件計算Roll、Pitch和Yaw等3個校準參數(shù)。GeoSwath數(shù)據(jù)處理軟件利用左、右船舷重疊條幅數(shù)據(jù)和GeoSwath數(shù)據(jù)處理軟件中的校準功能對左、右舷安裝偏差分別進行校準計算。將初步得到的各項校準參數(shù)輸入GeoSwath 數(shù)據(jù)處理軟件，對3條校準測線的原始測量數(shù)據(jù)進行再處理，通過比對相鄰測線條幅重疊區(qū)的格網(wǎng)化水深數(shù)據(jù)和水深等值線，進行校準參數(shù)的微調(diào)。將新的校準參數(shù)輸入GeoSwath Plus軟件，重復原始數(shù)據(jù)處理和結(jié)果比對的步驟，直到處理結(jié)果中相鄰測線條幅重疊區(qū)的格網(wǎng)化水深數(shù)據(jù)和水深等值線比對良好、計算得到的校準數(shù)據(jù)無重大變化為止。最終確定最適宜的GeoSwath多波束聲納系統(tǒng)的校準參數(shù)值(表3)：

表3 GeoSwath多波束聲納系統(tǒng)安裝偏差校準結(jié)果Table 3 Results of misalignment calibration of GeoSwath

2 實驗結(jié)果與分析

由于整個項目調(diào)查工作量大，為了按時完成年度測量任務，我們利用EM1002S和GeoSwath兩套多波束聲納系統(tǒng)完成測量任務。為了分析不同多波束聲納系統(tǒng)之間的測深系統(tǒng)誤差，對每套多波束聲納系統(tǒng)正式勘測前，均進行同一區(qū)域的水深測量對比工作，對水深測量比對數(shù)據(jù)進行了處理和分析，得到兩套多波束聲納系統(tǒng)之間的測深精度對比結(jié)果。

2.1 測深精度比對測量實施

兩套多波束測深精度的比對選擇在調(diào)查區(qū)東北部海域(圖1)，該海域地形平坦，測區(qū)水深約24 m(平均海平面以下)。比測線的布設采取井字形測線，設計每條比測線長1 000 m，與相鄰測線間隔100 m，測量采用WGS-84坐標系、UTM投影。在EM1002S和GeoSwath兩套多波束聲納系統(tǒng)正式勘測前，先按照設計的測線進行水深測量(如圖4，表4所示)，并在附近平臺同步驗潮，保證測深數(shù)據(jù)歸算到同一基準面上，使測量數(shù)據(jù)具有可比性。

圖4 不同多波束聲納系統(tǒng)之間測深精度比對測線布設示意圖Fig.4 The layout of survey lines for comparing the sounding accuracies between different multi-beam sonar systems

測線起始坐標/m東西(X)南北(Y)結(jié)束坐標/m東西(X)南北(Y)A683657.464315524.09683668.954315030.82B683756.144315526.39683767.634315033.121683464.704315322.19683958.094315333.682683467.004315223.54683960.394315235.02

2.2 測深精度比對數(shù)據(jù)處理

不同的多波束采集的數(shù)據(jù)因為格式的不同，采用不同的多波束數(shù)據(jù)處理軟件處理。EM1002S多波束測量數(shù)據(jù)用加拿大Caris 公司的 Caris Hips軟件進行處理，GeoSwath多波束測量數(shù)據(jù)應用GeoSwath Plus軟件進行處理。

盡管不同的測量數(shù)據(jù)采用不同的數(shù)據(jù)處理軟件，但是多波束數(shù)據(jù)處理過程基本一致，主要包括定位數(shù)據(jù)處理和水深數(shù)據(jù)處理兩大步驟。水深數(shù)據(jù)處理主要包含各項參數(shù)改正，如橫搖、縱傾、船艏向和時間延遲改正，聲速改正，吃水改正、潮位改正等；人機交互方式進行數(shù)據(jù)清理濾波等。利用軟件的這些功能對測量數(shù)據(jù)進行精細處理，最后輸出處理后的結(jié)果數(shù)據(jù)，水深比測結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)一歸算到當?shù)仄骄Ｆ矫妗?/p>

2.3 測深精度比較分析

1)各套多波束系統(tǒng)內(nèi)符合精度

在進行多波束比對測量的過程中，各平行測線間有重疊測量，采用重疊部分的水深對多波束系統(tǒng)自身進行內(nèi)符合精度評估，按照項目設計書和多波束勘查技術規(guī)范要求[1-3]，準確度評估公式為

(1)

式中，σ為中誤差，單位為m；hi為不同測線條幅重復測點水深測量值的差值，單位為m；n為重復測點組數(shù)，兩個重復點為一組。

首先將測線交叉區(qū)及附近700 m內(nèi)的多波束測量數(shù)據(jù)按2 m間距進行網(wǎng)格化(圖4)，然后對重疊區(qū)域的水深數(shù)據(jù)按照式(1)進行統(tǒng)計分析。EM1002S多波束系統(tǒng)共選出重復點16071組，計算得到水深測量中誤差σ=0.11 m；GeoSwath多波束系統(tǒng)共選出重復點10948組，計算得到水深測量中誤差σ=0.18 m；兩套多波束聲納系統(tǒng)水深測量內(nèi)符合精度見表5。

根據(jù)水深測量規(guī)范[1-3]和施工設計要求，當水深<30 m時，多波束水深測量中誤差應<0.3 m，該比對區(qū)的水深約為24 m，故比對區(qū)水深測量中誤差應<0.3 m。由表5可知，EM1002S水深測量中誤差為0.11 m，GeoSwath水深測量中誤差為0.18 m，均滿足測量中誤差應<0.3 m的規(guī)范和施工設計技術要求，可以參加多波束聲納系統(tǒng)間的比對。

表5 多波束聲納系統(tǒng)水深測量內(nèi)符合精度Table 5 The inner precisions of bathymetric survey by using EM1002S and GeoSwath

2)不同多波束系統(tǒng)之間測深精度比較

參加比對的EM1002S和GeoSwath兩套多波束聲納系統(tǒng)，由于其工作原理及技術指標不一樣，導致測點密度差異較大，為了能有效比較各多波束聲納系統(tǒng)的測深精度，用不同多波束聲納系統(tǒng)所測得水深建立各自的網(wǎng)格大小為2 m×2 m 的海底DTM(圖4)，然后將兩地形模型相減，得到同一網(wǎng)格位置的水深差作為重合點深度不符值，計算對比精度，表6和圖5為兩套多波束系統(tǒng)間的水深測量比對結(jié)果。

圖5 兩套多波束聲納系統(tǒng)2 m×2 m網(wǎng)格化數(shù)據(jù)Fig.5 The 2 m×2 m grid data resulted from multi-beam sonar systems EM1002S and GeoSwath

差 值0～0.2 m0.2～0.3 m0.3～0.6 m>0.6 m合 計點 數(shù)57 5033 1616060 670百分比94.78%5.21%0.01%0100%

圖6 EM1002S和GeoSwath測深精度比較誤差分布圖Fig.6 Error distributions of the sounding accuracies of EM1002S and GeoSwath

2套系統(tǒng)間的重合點為60 670點，水深約為24 m。根據(jù)規(guī)范和施工設計要求，水深<30 m時，兩系統(tǒng)間重合點深度不符值限差為0.6 m，超限點數(shù)不得超過參加總比對點數(shù)的10%，故兩套多波束系統(tǒng)間的深度不符值限差不應超過0.6 m。通過計算，得到兩套多波束聲納系統(tǒng)間比對中誤差為0.08 m，誤差統(tǒng)計見表6，誤差分布圖見圖5所示。

從誤差表6和圖6中可以看出，兩套系統(tǒng)之間的最大誤差為-0.38 m，誤差主要為0～0.2 m，無超限數(shù)據(jù)，2套多波束聲納系統(tǒng)測量精度滿足施工設計技術要求，可以同時用于調(diào)查項目的海底地形勘測工作。

3 小 結(jié)

多波束勘測之前，為了保證多波束成果質(zhì)量, 需要對多波束聲納系統(tǒng)進行設備安裝校準和精度評估工作。通過對EM1002S和GeoSwath兩套多波束聲納系統(tǒng)的比對試驗得出，EM1002S水深測量中誤差為0.11 m，GeoSwath水深測量中誤差為0.18 m，均滿足測量中誤差應<0.3 m的規(guī)范和施工設計技術要求；兩套系統(tǒng)之間的最大誤差為-0.38 m，誤差主要分布為0～0.2 m，比對中誤差為0.08 m，無超限數(shù)據(jù)，兩套多波束聲納系統(tǒng)測量精度滿足勘測技術要求，可以同時用于調(diào)查項目的海底地形勘測工作。

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