多波束測深系統(tǒng)在水域安防系統(tǒng)中的應用?

陳孟君 諶啟偉

（宜昌測試技術(shù)研究所 宜昌 443003）

1 引言

多波束測深系統(tǒng)作為海底地形地貌測量的主要手段之一，其具有測量覆蓋范圍廣、測量速度快以及測量精度高等優(yōu)點，與單波束測深系統(tǒng)不同的是，多波束測深系統(tǒng)將測深技術(shù)從點、線擴展到面，具有記錄數(shù)字化和成圖自動化等特點，非常適合開展大面積的水底地形測繪，能廣泛應用于各類大型水下工程中，隨著導航定位技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、水聲技術(shù)及電子技術(shù)等的快速發(fā)展，多波束測深技術(shù)正在海底、湖泊、航道等測繪以及港口、防波堤、橋墩等水下設施安全檢測領域中發(fā)揮著越來越重要的作用［1～3］。

隨著我國綜合國力的不斷增強以及在國際上的影響力持續(xù)提升，我國越來越多地承辦各類大型國際性賽事、會議、展覽等，部分活動往往依山傍水，靠近江、河、湖泊、水庫等開放水域或直接在水上舉行，如2010年上海世博會和廣州亞運會、2014年南京青奧會、2016年杭州G20峰會等，這給相關(guān)水域安保工作提出了嚴峻的考驗和挑戰(zhàn)。

本文以Sonic 2024多波束測深系統(tǒng)為基礎，通過介紹其原理、組成和功能特點，并結(jié)合測深和比對技術(shù)介紹了其在南京青奧會水域安全保障系統(tǒng)中的應用。

2 多波束測聲系統(tǒng)概述

2.1 多波束測深原理

多波束測深系統(tǒng)利用發(fā)射換能器基陣向水底發(fā)射寬覆蓋扇區(qū)的聲波，并利用接收換能器陣列接收由海底反射回來的窄帶回波，如圖1所示原理示意圖。發(fā)射基陣和接收換能器基陣互相垂直形成米爾斯交叉陣，通過發(fā)射、接收扇區(qū)指向的正交性形成海底地形的交叉測量點（波束腳?。?，通過對這些交叉測量點進行專業(yè)的處理，一次測量就能給出與垂直航向的垂面內(nèi)數(shù)百個水底測量點的水深值，當多波束測深系統(tǒng)沿指定測線連續(xù)測量并將多條測線測量結(jié)果合理拼接后，便可得到該區(qū)域水底地形的三維特征［4～6］。

圖1 多波束測深原理示意圖

2.2 系統(tǒng)組成

所用的Sonic2024多波束測深系統(tǒng)，它是由美國R2sonic公司研發(fā)的一款高精度多波束測深系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由多波束聲學基本單元（發(fā)射、接收換能器基陣、聲納數(shù)據(jù)集成盒等）、聲納控制軟件、輔助設備等部分組成。輔助設備主要包括ODOM表面聲速探頭、ODOM聲速剖面儀、OCTANS羅經(jīng)運動傳感器、Trimble信標差分GPS系統(tǒng)、實時數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)后處理計算機等，其主要功能是實現(xiàn)瞬時位置測量，作業(yè)船的姿態(tài)和航向以及聲速測量，進行聲信號、導航定位、船姿態(tài)和聲速剖面等觀測數(shù)據(jù)信息的綜合處理，最終完成測量點波束印跡坐標和深度值的計算［7～9］。多波束測深系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 多波束測深系統(tǒng)組成框圖

2.3 功能特點

Sonic2024多波束測深系統(tǒng)可以根據(jù)用戶需要并結(jié)合水域情況，能夠?qū)崟r在線調(diào)整測量開角，調(diào)節(jié)范圍最大可達到160°。系統(tǒng)能夠在200kHz～400kHz范圍內(nèi)在線連續(xù)調(diào)頻，有20多個工作頻率可供選擇；系統(tǒng)具有256個波束，其沿航跡方向波束角為1°，沿垂直航跡方向波束角為0.5°，最大量程可達500m。

輔助設備ODOM表面聲速探頭和聲速剖面儀主要用于測量系統(tǒng)工作水域的表面聲速和剖面聲速，以修正水溫、壓力不均勻引起聲速的變化，以便得到更好的測量效果；Trimble信標差分GPS系統(tǒng)用多波束測量時的導航和定位，其水平方向定位精度可達0.25m；OCTANS羅經(jīng)運動傳感器對測量船瞬時姿態(tài)信息和航向等數(shù)據(jù)進行實時測量，其橫搖（Roll）/縱搖（Pitch）動態(tài)精度為0.01°，航向（Yaw）精度為0.1°，用于對多波束掃測數(shù)據(jù)進行校正補償

該系統(tǒng)具有測量快速、高效、精準的優(yōu)點，特別適合進行大面積海底、湖底等水下地形的測量。

3 水域安防系統(tǒng)中的應用

3.1 項目概況

南京青年奧林匹克運動會吸引了約200多個國家和地區(qū)的數(shù)千名運動員參加比賽。這是繼北京奧運之后，中國舉辦的又一個重大奧運賽事。根據(jù)賽會安排，金牛湖賽區(qū)承擔了南京青奧會的帆船比賽，其水上競技賽場分為A、B兩個賽區(qū)，見圖3，其中A區(qū)為競技賽場水域，位于金牛湖水域西側(cè)，平均水深11.88m，水域面積近2000畝；B區(qū)為運動員訓練區(qū)，位于金牛湖水域東側(cè)，平均水深8.42m，水域面積約1800畝。

圖3 金牛湖賽區(qū)示意圖

為保證金牛湖賽區(qū)水上帆船比賽順利進行，需采取有效可行的水域安防措施以保障比賽水域安全，而排除湖底可疑危險物的潛在威脅是水域安保工作的重點。針對金牛湖賽區(qū)水域?qū)掗?、縱深大的特點，需通過專業(yè)設備對湖底進行全覆蓋探測摸排，對探測到的水底異常目標進行標識、定位，必要時由專業(yè)人員對水下可疑目標進行識別、確認和處置。由此制定了如下安防實施方案：賽前數(shù)周對比賽水域進行首次水底全覆蓋掃測和初步摸排，對水底異常目標進行標識或確認。賽前數(shù)天對比賽水域水底再一次進行全覆蓋掃測，測量結(jié)果與首次測量的進行比對，對新增的水底目標進行重點排查。本文接下來介紹Sonic 2024多波束測深系統(tǒng)在金牛湖賽區(qū)水底安全檢查中的具體應用。

3.2 設備安裝

Sonic2024多波束測深系統(tǒng)的發(fā)射和接收換能器基陣均通過支架安裝在測量作業(yè)船的右舷，各基陣應安裝牢固，不得有抖動現(xiàn)象。表面聲速探頭安裝于換能器導流罩上，GPS天線固定在換能器安裝支架頂部，且上方無金屬物遮擋或屏蔽；羅經(jīng)運動傳感器安裝在測量作業(yè)船的中心軸線上，與換能器的連線垂直于中心軸；為測量各傳感器的位置偏差，以湖面與換能器基陣安裝桿的交點為參考原點建立測量船體坐標系，通常定義X軸正方向為測量船右舷方向，Y軸正方向為船艏前進方向，Z軸正方向為垂直向上，據(jù)此坐標系量取各傳感器的相對位置偏差值，記錄各傳感器相對位置參數(shù)見表1。

表1 傳感器的相對位置參數(shù)

3.3 參數(shù)校準

1）系統(tǒng)參數(shù)校準

Sonic 2024多波束測深系統(tǒng)校準至少布設兩條長度約500m～1000m平行測量校準線，兩條校準線之間的距離約為平均水深的3倍～4倍，利用其中一條測線在平坦水域以5kn～6kn航速往返測量的條帶斷面數(shù)據(jù)修正橫搖（Roll）偏差值；利用水深變化較大的特征地形（凹坑或暗礁）在同一條測線以同速往返測量的中央波束數(shù)據(jù)修正縱搖（Pitch）偏差值；利用特征地形水域兩條不同的測線分別以同速反向各測量一次，測線之間的波束需達到50%以上覆蓋率，并且將測量的重疊區(qū)波束數(shù)據(jù)來修正艏搖（Yaw）偏差值［10～13］。本項目中多波束測深系統(tǒng)換能器的安裝調(diào)試進行了兩次，每次安裝固定后都進行了校準測試，校準參數(shù)見表2，將兩次校準參數(shù)平均后輸入多波束數(shù)據(jù)處理軟件，從而對多波束系統(tǒng)安裝校準參數(shù)進行修正。

表2 系統(tǒng)安裝校準測定參數(shù)

本工程采用的多波束測深系統(tǒng)同步采集秒脈沖數(shù)據(jù)和GPS ZDA數(shù)據(jù)，將其系統(tǒng)時間與GPS時鐘同步，無需延遲（Lat）校準。

2）聲速測量校準

由于水深、溫度和鹽度的變化，水聲信號在水中的傳播速度會不斷變化。金牛湖為內(nèi)陸淡水湖，其平均水深也不大，水深和鹽度的變化對聲速的影響很小，可以忽略，但是夏季溫差變化造成剖面聲速變化的影響是不可以忽略的。因此本次測量工程中，每個工作日均會通過聲速剖面儀對不同的測區(qū)、不同時段的測量區(qū)域進行聲速剖面測量，其中每個工作日上午和下午作業(yè)前分別測量一次。

根據(jù)8月份金牛湖現(xiàn)場聲速剖面儀測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計，上午8時平均氣溫約25℃，測量統(tǒng)計的平均聲速約1496.7m/s，下午氣溫較高，達到35℃～37℃，經(jīng)過一天的暴曬后水溫也較高，下午15時，測量統(tǒng)計的平均聲速約1508.5m/s。

聲速剖面儀測量的深度剖面聲速數(shù)據(jù)輔以表面聲速探頭在多波束換能器附近實時測量的聲速數(shù)據(jù)，可用來修正由于聲速變化引起的測量誤差，從而提高測量精準度。

4 測量數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

4.1 測量數(shù)據(jù)采集及后處理

多波束測深系統(tǒng)通過Sonic控制軟件和第三方數(shù)據(jù)采集軟件進行參數(shù)設置、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測；多波束測量后處理軟件對多波束原始數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、潮位及聲速剖面數(shù)據(jù)修正，通過檢查每條測線的定位及姿態(tài)數(shù)據(jù)，同時剔除相關(guān)的異常點，并對線模式進行逐條編輯，然后對分區(qū)模式進行子區(qū)編輯，最終通過Caris GIS軟件進行數(shù)據(jù)壓縮處理，生成相應的（x、y、z）坐標數(shù)據(jù)，利用校準測量數(shù)據(jù)完成羅經(jīng)運動傳感器Pitch、Roll和Yaw值的校準，數(shù)據(jù)處理過程中剔除相應的測量噪聲［14］，最終形成水深圖和曲面圖，從而形成更直觀的水底三維地形圖。

4.2 測量數(shù)據(jù)濾波及曲面濾波

測量過程中，測量船受自身尾流、其他船只尾流擾動及泥沙的影響，可能會對測量結(jié)果造成一定的干擾，通常會形成大片的水深數(shù)據(jù)異常點。為處理這些可能的異常數(shù)據(jù)，可以通過設置不同的濾波參數(shù)對這些異常數(shù)據(jù)進行處理。

測量數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波后，可生成相應的水深數(shù)據(jù)曲面，對于曲面中可能出現(xiàn)的一些超出濾波范圍的約束點，通過設置適當?shù)恼`差置信度來剔除部分波束跳點，進而提高曲面濾波效果。

測量數(shù)據(jù)在實際處理過程中，可通過選取水下地形起伏較大的一塊區(qū)域作為參考水域，并設置不同參數(shù)的誤差置信度，對比其濾波效果，根據(jù)最優(yōu)的濾波效果匹配出最優(yōu)的濾波參數(shù)，據(jù)此開展參考區(qū)域的曲面濾波，從而拓展到整個湖底的水深曲面。

為確保比賽水域湖底掃測結(jié)果的全覆蓋，在進行掃測數(shù)據(jù)處理時，需對每條測線左右相鄰條帶拼接情況進行逐一查驗，以確保各測量條帶之間的水深符合度良好，拼接圖形在空間上數(shù)據(jù)基本吻合，無突變，空間投影信息及相關(guān)參數(shù)保持不變，保證重疊區(qū)域位置基本無偏差，一致性好，從而達到湖底全覆蓋、無漏測的要求。

4.3 測量結(jié)果分析

1）首次測量結(jié)果分析

賽前某個時段，通過多波束測深系統(tǒng)首次對金牛湖水下地形進行全覆蓋測量，經(jīng)數(shù)據(jù)采集和后處理得出如圖4所示的金牛湖水下三維地貌和圖5所示的完整二維地形圖。

圖4 第一次掃測湖底三維地貌

圖5 首次掃測完整二維圖

從測量結(jié)果中可以看出金牛湖水下地貌特征。

（1）金牛湖堤壩前沿原為人工水庫，水庫建成前有蓄水區(qū)、養(yǎng)殖塘、人工攔水壩、溪流等痕跡，這與走訪常住附近年長者了解的情況基本吻合，水下地形地貌復雜，水深變化較大，最深處深達15m。

（2）從壩前向北450m處，水下出現(xiàn)數(shù)條高度約1m南北走向沙丘。

（3）該水域在人工建成以前，有明顯兩條河流，一條從壩前深水區(qū)流向北側(cè)，一條流向東側(cè)。

掃測中也發(fā)現(xiàn)部分隆起可疑點，分別對其進行定位標記，如圖4（b）圓圈部分所示，然后通過釋放水下機器人進入湖底水域，對可疑點逐個進行近距離光學成像識別，確認了這些可疑點為水下原始土堆形成的小山包，未發(fā)現(xiàn)異常物，逐一排除了潛在威脅。

2）第二次測量結(jié)果分析

臨近比賽前幾天，再次對金牛湖水下地形地貌進行了全覆蓋掃底測量，經(jīng)數(shù)據(jù)采集、處理和分析后，同樣得到了如圖6所示的金牛湖水下三維地貌和圖7所示的完整二維地形圖。

圖6 第二次掃測湖底三維地貌

圖7 第二次掃測結(jié)果

從兩次掃測圖對比中可以初步判斷：第二次測量結(jié)果與第一次測量結(jié)果十分接近，第一次掃測發(fā)現(xiàn)的部分隆起可疑點，在第二次掃測后同樣存在，如圖6（b）圖中圓圈部分所示，未發(fā)現(xiàn)新增的水底異常目標，至此，水下威脅可排除。

4.4 測量結(jié)果比對分析

為對兩次測量結(jié)果進行精確而全面的比對，本項目采用了基于Esri公司的地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS10，能進行地圖制作、空間數(shù)據(jù)分析、管理及信息整合等，通過Raster Calculator工具算法，將首次測量的金牛湖水下地形數(shù)據(jù)與第二次測量的水下地形數(shù)據(jù)進行了比對分析。兩次掃測地形疊加比對如圖8所示。

圖8 兩次掃測地形疊加比對圖

比對分析結(jié)果顯示兩次測量深度誤差在0.3m以內(nèi)的比例為88.4%，兩次深度誤差在0.5m以內(nèi)的比例為98.7%，其余1m以上較大誤差是由于噪音、插值等原因，及測量船抖動過大導致邊緣誤差較大等因素引起，不是實際地形起伏誤差。通過兩次掃測結(jié)果比對分析，兩次掃測測繪出的金牛湖水底地形圖基本一致。對第一次掃測發(fā)現(xiàn)的可疑點進行了水下機器人近距離檢查識別和確認，排除了威脅，第二次掃測時，湖底相同位置的可疑點仍然存在，判斷為正常。與第一次掃測結(jié)果對比，第二次掃測結(jié)果顯示水底無新增可疑目標，可排除水底威脅。

5 結(jié)語

本文以南京青奧會金牛湖賽區(qū)水底安全檢查為例，介紹了多波束測深系統(tǒng)在南京青奧會水域安防系統(tǒng)中的應用。通過現(xiàn)場測量，獲得了較為直觀的湖底三維地形特征，多波束測深技術(shù)利用其成圖清晰、定位準確的優(yōu)點，實現(xiàn)了水下隱蔽工程可視化和定量化，是指導水下地形測量和水下工程設施安全檢測的有效方法。另外，除了開展水底地形測量之外，多波束測深系統(tǒng)也可采用換能器水下安裝朝水面發(fā)射的工作方式，安裝于主航道水下，對過往的船只船底進行安全檢查，既可以檢查船舶底部是否附著或拖帶可疑物，以防止其攜帶危險物進入船閘、重要港口碼頭或非法走私，又可以檢測船舶吃水情況，防止其超吃水航行造成擱淺，影響航運，實現(xiàn)陸上人員肉眼無法完成的安檢任務，多波束測深技術(shù)可望在水域安防及水下安檢領域發(fā)揮重要作用。