單波束測深數(shù)據(jù)延時研究

陳星榮　平先才　梁向棋　呂嬌　舒曉明

摘 要：在使用單波束測深儀進行水深測量時，由于定位系統(tǒng)與測深系統(tǒng)屬于兩個獨立的系統(tǒng)，產(chǎn)生的系統(tǒng)性延時效應(yīng)，成為水深測量中的一種誤差。本文對單波束測深系統(tǒng)性延時進行了分析，利用后處理軟件對系統(tǒng)性延時進行延時補償，以解決單波束測深系統(tǒng)性延時的問題，并在長江太平口水道進行了相關(guān)試驗，說明本文所述的內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：單波束測深；系統(tǒng)性延時；延時補償

中圖分類號：[TN98] 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）7-0052-02

由于GNSS接收機測量計算過程中的時延、測深設(shè)備及測量軟件在定位數(shù)據(jù)和水深數(shù)據(jù)的傳輸采集率的不同步，導致水深測量的真實位置（理論值）與測量位置不一致，產(chǎn)生了偏移，這種偏移為延時效應(yīng)。水深測量中最基本的內(nèi)容就是定位與測深，由于定位和測深分屬兩個不同的系統(tǒng)（通常定位系統(tǒng)具有光學、電磁波特性，而測深系統(tǒng)具有聲學特性，并且前者工作在水面之上，后者工作在水面之下），始終存在著不同程度的延時效應(yīng)。

延時效應(yīng)對水下地形測定的影響隨定位及測深手段不同而不同。過去，自動化程度低，人工干預(yù)嚴重，使得延時效應(yīng)大多呈現(xiàn)為偶然性，常規(guī)為定位誤差這一概念?，F(xiàn)在，隨著高新技術(shù)測量手段的應(yīng)用，自動化程度大為提高，延時效應(yīng)常呈現(xiàn)為系統(tǒng)性。本文首先對延時效應(yīng)進行分析，進而給出對系統(tǒng)性延時效應(yīng)的改正方法。

1單波束測深系統(tǒng)性延時原理

1.1測深系統(tǒng)性延時組成

①測深儀數(shù)據(jù)延時；②GNSS定位延遲；③采集軟件系統(tǒng)處理時間；④換能器安裝偏差。

1.2延時原理

測深儀聲吶探頭將測到的水深數(shù)據(jù)傳輸給測深主機，測深主機通過內(nèi)部虛擬串口將水深數(shù)據(jù)結(jié)合物理串口由GNSS采集到的定位數(shù)據(jù)，輸入到采集軟件中，完成原始測深數(shù)據(jù)的采集。但是，測深儀的數(shù)據(jù)以及GNSS定位數(shù)據(jù)輸入到采集軟件中的時間并不是一致的，而是存在時間差，這個時間差就是測深系統(tǒng)的延時。延時會導致水深真實位置的偏移，水深與定位數(shù)據(jù)的不正確匹配，反應(yīng)到后處理中，會出現(xiàn)平滑的等深線出現(xiàn)明顯的小鋸齒，如果延時很大，鋸齒的現(xiàn)象會更加明顯。

測深儀的數(shù)據(jù)延時主要是量程延時，測深儀會在一個Ping完成整個量程的搜索之后才會將數(shù)據(jù)傳輸出入并進入下一Ping的搜索。所以在某個時刻點采集到的水深數(shù)據(jù)，實際存在了聲波在該量程中傳播的時間加上數(shù)據(jù)處理的時間延遲。以100m的量程為例，這個固定的時延時0.16S。這個值就是測深儀在測深系統(tǒng)中的延時。GNSS同樣也存在著時延，某個時刻點，GNSS將解算好的定位數(shù)據(jù)傳入到采集軟件中，也存在一個滯后的時間。這種情況下，GNSS延時減掉測深儀的延時，依然存在著較大的差值，這個差值就是測深系統(tǒng)的整體延時，從而極大影響了水深數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

換能器安裝中的角度偏差也會造成測深數(shù)據(jù)的誤差。當換能器安裝時朝著船頭方向傾斜時，會造成水深數(shù)據(jù)比船位置的提前，這種影響尤其是在水底地形坡度較大的測區(qū)非常明顯，以波束角8度的換能器為例，在安裝偏差5度，水底坡度為40度的水底，每1米真實水深其測量誤差經(jīng)計算為0.11米，偏差越大，坡度越大，其誤差就越大。但是，換能器安裝的偏差很難測量，只能把它歸于測深系統(tǒng)的誤差進行系統(tǒng)的校正。

2單波束測深系統(tǒng)延時解決方案

為解決測深過程系統(tǒng)性延時導致的數(shù)據(jù)延時的問題，本次試驗提出了三種解決方案：

（1）采集過程的優(yōu)化：延時現(xiàn)象在水下地形起伏變化較大的地方更加突出，所以在實際測量過程中，在具有這種特征的水域中測量時，降低船速，能夠明顯的緩解測深儀數(shù)據(jù)延時和GNSS定位延遲。

（2）系統(tǒng)固定時延輸入：根據(jù)實際測量過程中設(shè)置的采集量程，設(shè)置固定的延時值，該值需要隨著測深量程的改變而改變。該方法主要針對換能器安裝偏差。

（3）數(shù)據(jù)后處理消除延時：采集到具有延時的數(shù)據(jù)，可以通過后處理軟件對原始數(shù)據(jù)進行延時補償。

上述三種方法均可以解決測深過程系統(tǒng)性延時的問題，但在具體的測深過程中方案1并不能解決定位系統(tǒng)與測深系統(tǒng)的系統(tǒng)性延遲；方案2僅能解決已知固定的延時，需要在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理階段再利用方案3解決。因此，本次試驗利用后處理軟件對原始數(shù)據(jù)進行延時補償，以解決數(shù)據(jù)延時的問題。試驗地點在長江太平口水道，這里用南方自由行的Processlag.exe軟件為例進行介紹，數(shù)據(jù)采用的是太平口的一段用南方自由行軟件采集到的具有嚴重延時的數(shù)據(jù)。

3試驗案例

該軟件可以將自由行采集到的原始數(shù)據(jù)，通過輸入滯后校正系數(shù)，即系統(tǒng)延時值，進行滯后處理，生成新的經(jīng)過延時補償?shù)脑紨?shù)據(jù)。

針對太平口.org文件，進行1，1.5，2這三個值的延時改正，分別生成改正后的原始文件，并通過南方自由行的后處理模塊取樣，生成DAT文件，最后在surfer8中成圖生成等深線，以下是對這些等深線曲線圖的分析。

圖2紅色方塊中，在一條等深線上出現(xiàn)劇烈震蕩的小鋸齒的現(xiàn)象，就是延時問題的實際反映。除了紅色標記區(qū)域，其他區(qū)域也有非常明顯的延時特征出現(xiàn)。

利用Processlag軟件進行1s的延時校正后，得到太平口1.org 延時補償數(shù)據(jù)文件，將兩張圖疊加到一起進行對比如圖3。

黑線代表2S延時改正后的數(shù)據(jù)，鋸齒特征明顯緩解了很多，但局部區(qū)域還具有，甚至在某些地方出現(xiàn)了相對原始數(shù)據(jù)來說的“反鋸齒”特征。

用1.5S延時補償數(shù)據(jù)再次進行對比如圖7。

局部放大對比如圖8。

很明顯，黑線幾乎沒有了小鋸齒的延時特征了，說明太平口的這段延時數(shù)據(jù)存在了1.5S左右的一個系統(tǒng)延時。

本次試驗利用南方自由行的Processlag.exe軟件對南方自由行軟件采集的長江太平口的延時數(shù)據(jù)進行延時補償。試驗證明，利用后處理軟件解決單波束測深數(shù)據(jù)延時的問題是確實可行。

4結(jié)束語

目前在水深測量中已經(jīng)普遍使用DGPS系統(tǒng)進行定位，而測深系統(tǒng)與定位系統(tǒng)必然存在系統(tǒng)性延時，系統(tǒng)性延時效應(yīng)的存在使得水深測量的可靠性下降。如果延時過大，會導致水深數(shù)據(jù)的錯位和失真，在成等深線圖時，出現(xiàn)嚴重的鋸齒現(xiàn)象，甚至水深的大幅度扭曲。本文提出了利用工具軟件，將原始數(shù)據(jù)進行固定的時延補償，這個時延值需要利用帶入法，根據(jù)等深線的特征對比，實驗出最佳的改正值，這種通過后處理補償原始數(shù)據(jù)的方法，用該方法試驗結(jié)果證明消除系統(tǒng)性延時的影響得到實現(xiàn)。

參考文獻：

[1]劉雁春，陳永奇.海道測量定位與測深的延時效應(yīng)[J].海洋測繪，1999（01）.

[2]徐曉晗，劉雁春.海洋測深中時移和偏移效應(yīng)綜合分析與改正[J].海洋測繪，2002（02）.

[3]金紹華，劉雁春，黃謨濤，暴景陽.海洋測量延時效應(yīng)的研究[J].海洋測繪，2004（01）.

[4]吳衛(wèi)平.GPS水深測量系統(tǒng)及其平面定位精度分析[J].水運工程，2008（10）.