一種應(yīng)用單波束測深校準(zhǔn)多波束測深系統(tǒng)Pitch值的方法

江曉昊，金建平

（浙江海測科技有限公司，浙江 杭州 310052）

1 問題的提出

多波束測深系統(tǒng)是當(dāng)代海洋測量中的一項高新技術(shù)產(chǎn)品，它采取多組陣和廣角發(fā)射接收，能一次性給出與航向垂直的垂面內(nèi)幾十甚至上百個海底水深值，形成條幅式高密度測深數(shù)據(jù)，是計算機技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)和數(shù)字化傳感器技術(shù)等多種高新技術(shù)的高度集成，是一種全新的高精度全覆蓋式測深系統(tǒng)[1-3]。多波束測深系統(tǒng)具有較窄的波束、先進的檢測技術(shù)和精密的聲線改正方法，確保測點船體坐標(biāo)的歸位計算精度，因而多波束測深具有全覆蓋、高密度和高效率的特點[4]。

隨著公司近幾年多波束測深系統(tǒng)測量項目的實施，獲得了較多多波束測深數(shù)據(jù)，在多波束測深數(shù)據(jù)后處理中也發(fā)現(xiàn)一些問題，其中較為顯著的是在平坦海域處多波束測深系統(tǒng)的Pitch（縱搖）值難以校準(zhǔn)，而Pitch值不精確會引起海底高程整體偏高或偏低的現(xiàn)象（本文所述的多波束測深系統(tǒng)為多波束換能器與姿態(tài)傳感器分離）。本文的目的即描述通過多波束測深項目實施和總結(jié)，得出一種可用于多波束測深系統(tǒng)Pitch值校準(zhǔn)有效方法。

2 平坦海域Pitch校準(zhǔn)分析

多波束測深系統(tǒng)硬件一般由多波束聲納換能器、姿態(tài)傳感器、GPS接收機及計算機集成組成[5]。在不同測船作業(yè)時，各儀器安裝相對位置、角度不相同，歸位計算參數(shù)也不相同，各儀器三維相對位置可以精確測量，而三維相對角度難以測量，在多波束測深系統(tǒng)中，多波束聲納換能器與姿態(tài)傳感器三維相對角度的精確度最為重要。要獲得精確的多波束聲納換能器與姿態(tài)傳感器三維相對角度，一般通過測量數(shù)據(jù)后處理獲取，即通過采集的多波束測深數(shù)據(jù)計算出Pitch（縱搖）、Roll（橫搖）、Yaw（艏搖）值。

2.1 Pitch常規(guī)校準(zhǔn)方法

Roll值的校準(zhǔn)方法為應(yīng)用在平坦海域同一條計劃線上往返同速測量數(shù)據(jù)做校準(zhǔn)（見圖1）， Yaw值的校準(zhǔn)方法為應(yīng)用在目標(biāo)物兩側(cè)計劃線同向同速測量數(shù)據(jù)做校準(zhǔn)（見圖2），而Pitch值的校準(zhǔn)方法要應(yīng)用在有明顯坡度變化海域同一條計劃線上往返同速的測量數(shù)據(jù)做校準(zhǔn)（見圖3）[6]。

圖1 Roll值的校準(zhǔn)方法應(yīng)用圖

圖2 Yaw值的校準(zhǔn)方法應(yīng)用圖

圖3 Pitch值的校準(zhǔn)方法應(yīng)用圖

2.2 平坦海域Pitch值難于校準(zhǔn)及其影響

對于項目附近沒有明顯坡度變化海域，通過在同一條計劃線上往返同速測量數(shù)據(jù)來校準(zhǔn)Pitch值，校準(zhǔn)效果往往不夠準(zhǔn)確。以多波束測深系統(tǒng)中央波束為例，假設(shè)測量時儀器安裝Pitch實際值為α（見圖4），在校準(zhǔn)時，假設(shè)校準(zhǔn)值為β（β≠α），通過中央波束的水深改正值ΔH（公式1），往返測量的數(shù)據(jù)改正值一致，不能很好地反映校準(zhǔn)是否正確。

圖4 多波束測深中央波束指向示意圖

式中：ΔH為水深改正值（m）；β為換能器測船縱軸方向傾斜角度（°）；H測為測量水深（m）。

選取某項目中平坦海域的測量數(shù)據(jù)進行校準(zhǔn)，本文選用的校準(zhǔn)軟件為CARIS HIPS & SIPS 7.1。在軟件中改變Pitch值，試驗水深變化情況。當(dāng)Pitch值選為1時，往返測水深見圖5，當(dāng)Pitch值選為10時，往返測水深見圖6。從圖5 ～ 6中可以得出，往返測水深變化一致，但Pitch值選為10時比為1時水深變淺。

圖5 Pitch值為1時往返測水深圖

圖6 Pitch值為10時往返測水深圖

從以上對比分析可以得出，在平坦海域進行的同一條計劃線往返測校準(zhǔn)方法不能準(zhǔn)確地校準(zhǔn)Pitch值，會導(dǎo)致項目海域地形高程不準(zhǔn)確，從而使在航道、水域地形、吹填方量及疏浚工程等測量結(jié)果與實際有偏差。

3 單波束測深整體校準(zhǔn)

從公式（1）和圖5 ～ 6可以得出，Pitch值的設(shè)置會對項目海域地形高程產(chǎn)生整體性的系統(tǒng)差。針對其有著高程整體系統(tǒng)差的特性，可以采用單波束測深數(shù)據(jù)整體校準(zhǔn)多波束測深Pitch值。以下闡述采用單波束測深數(shù)據(jù)校準(zhǔn)多波束測深Pitch值的方法及優(yōu)勢。

3.1 單波束測深特性

先了解單波束換能器波束角，根據(jù)無錫市海鷹加科海洋技術(shù)有限責(zé)任公司的HY1602型號雙頻單波束測深儀技術(shù)參數(shù)：換能器208 kHz，波束角≤8°；24 kHz，波束角≤22°。換能器波束角指的是發(fā)射能量衰減小于- 3 dB的發(fā)射帶夾角，圖7是一個換能器的能量發(fā)射指向性直角坐標(biāo)圖。從圖7可以得出，換能器標(biāo)稱波束角度外還是有能量發(fā)射出去，只是能量比較少。

圖7 換能器波束角圖

由于單頻換能器的物理特性，雖然208 kHz的換能器波束開角一般在8°左右，但實際發(fā)射過程中，還存在很多旁瓣，也就是說在8°這個范圍的能量最強，其他范圍依然有能量較小的波束（見圖8）。

圖 8 換能器能量分布圖

單頻測深儀的水底跟蹤，一般要同時滿足2個條件：①第一個接收到的信號；②第一個較強能量的信號。從圖8可以得出，換能器正下方所要測的水底，至換能器的距離最短，而且能量最強，能同時滿足這2個條件，因此，測得的水深正是換能器正下方的水深[8]。在實際測量中，單波束換能器的安裝也不可能完全垂直，但只要安裝單波束換能器桿與垂直線小于4°時，測得的水深依然是換能器正下方的水深（接入多波束測深系統(tǒng)的姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)同時接入單波束測深處理軟件以改正測量船搖晃造成的影響）。

3.2 平坦海域單波束整體校正多波束測深方法

在多波束測深的同時也進行單波束水深測量（單波束頻率選擇與多波束測深系統(tǒng)聲納換能器相近），把姿態(tài)傳感器接入單波束測深系統(tǒng)以改正測量船搖晃造成的影響，單波束測深換能器桿盡量安裝垂直（小于4°）以保證測得的水深是換能器正下方的水深。并用單波束測量垂直于多波束測深計劃線的檢查線，檢查線比例不少于5%，以檢查多波束邊沿波束的差值情況。

在校準(zhǔn)多波束聲納換能器與姿態(tài)傳感器三維相對角度時，剔除多波束測量聲線粗差，先校準(zhǔn)好Roll和Yaw值，設(shè)置Pitch為0，輸出處理后多波束地形數(shù)據(jù)，與單波束測深處理后的地形數(shù)據(jù)在相同位置（小于圖上1 mm）[7]進行分析比較并剔除差值異常值，并求取兩者差值的平均值。通過公式2計算出α（Pitch值）。但計算α可為正、負，把α正（負）的值填入Pitch改正欄，并把之前校準(zhǔn)好的Roll和Yaw值填入，可以發(fā)現(xiàn)只有1個值符合Yaw值的校準(zhǔn)，如果填入相反的值，則之前校準(zhǔn)好Yaw值此時錯誤。

3.3 采用單波束測深整體校正優(yōu)勢

當(dāng)前多波束測深系統(tǒng)的安裝方法，以測船現(xiàn)場焊接為主，給測量外業(yè)工作帶來極大的不便，尤其在陌生測區(qū)租用陌生的測量船，正常情況下1 d就能完成掃測的項目，準(zhǔn)備工作就需要2 ～ 3 d，效率極低。且Pitch、Roll及Yaw值校準(zhǔn)地點對海底地形要求較高，往往校準(zhǔn)地點離項目海域較遠，造成工作效率低下。工作中往往希望多波束測深系統(tǒng)的安裝越方便，Pitch、Roll及Yaw值校準(zhǔn)地點離項目海域越近越好。采用單波束測深整體校正的方法可以有效地解決上述不便。另外，采用單波束測深整體校正方法，也使得測區(qū)多了一份測量成果，對多波束測深系統(tǒng)而言多了一次有效的校核，增加多波束測深數(shù)據(jù)的可信度。

4 結(jié) 語

在當(dāng)今社會海洋經(jīng)濟高速發(fā)展的前提下，很多海洋、水利工程的建設(shè)都迫切需要分辨率高、精度高的水下全覆蓋三維地形圖，多波束測深系統(tǒng)的應(yīng)用首當(dāng)其沖。本文闡述了采用單波束測深校準(zhǔn)多波束測深系統(tǒng)Pitch值方法，更好地解決在平坦海域難以校準(zhǔn)多波束測深系統(tǒng)Pitch值的問題，該方法操作簡單，且可以減少多波束測深系統(tǒng)安裝的準(zhǔn)備工作，提高多波束測深系統(tǒng)在平坦海域工作效率，并增加獲得的海底地形數(shù)據(jù)可信度。