多波束姿態(tài)校準(zhǔn)誤差對測深數(shù)據(jù)影響分析

1、 多波束姿態(tài)校準(zhǔn)誤差對測深數(shù)據(jù)影響分析 摘 要：在日常水運(yùn)工程測量過程中，多波束測量逐漸普及，多波束測深的數(shù)據(jù)處理尤其重要。而在多波束測量三維定位數(shù)據(jù)處理中儀器安裝姿態(tài)校準(zhǔn)非常重要，roll、pitch、yaw數(shù)值的校準(zhǔn)偏差會(huì)直接影響到測量數(shù)據(jù)的歸位精度。隨著多波束測深儀器的逐漸更新，測量深距比值在逐漸增大，測量效率也越來越高，對船型姿態(tài)的要求也需更加精密。結(jié)合多波束測量的數(shù)據(jù)在內(nèi)業(yè)中的歸算原理，對船舶儀器安裝姿態(tài)的校準(zhǔn)誤差與測深數(shù)據(jù)歸位影響進(jìn)行具體分析，用表格形式展現(xiàn)儀器安裝姿態(tài)校準(zhǔn)偏差帶來的三維誤差，以方便在多波束測量數(shù)據(jù)處理中，對以上三者的精度進(jìn)行相應(yīng)的把控。關(guān)鍵詞：多波束測深系統(tǒng)；姿態(tài)

2、校準(zhǔn)；三維定位多波束測深系統(tǒng)在水運(yùn)工程測量中應(yīng)用越來越廣泛，而國內(nèi)外的研究更多的體現(xiàn)在提高其計(jì)算效率、優(yōu)化多波束測深的測量精度，而關(guān)于在實(shí)際測量中應(yīng)該把多波束姿態(tài)校準(zhǔn)誤差控制在多少范圍內(nèi)沒有具體的分析，本文根據(jù)多波束測量的數(shù)據(jù)的歸算原理，分析儀器安裝姿態(tài)校準(zhǔn)誤差帶來的影響，以方便在數(shù)據(jù)處理中對其進(jìn)行把控。1 多波束測深原理多波束測深系統(tǒng)，是能夠一次獲取與測量船航向垂直方向上的幾百個(gè)海底點(diǎn)的水深和水平位置的數(shù)據(jù)，它能夠快速精確的測出沿著航向一定寬度、角度內(nèi)的水下目標(biāo)的大小、形態(tài)和高度的變化，從而可靠地繪制出海底地貌的詳細(xì)特征。多波束測深系統(tǒng)具有測量范圍大、測量效率高、測量精度高的優(yōu)點(diǎn)。多波束測量

3、的數(shù)據(jù)歸算原理如下。多波束系統(tǒng)采用發(fā)射接收指向性正交的兩組換能器陣獲取一系列垂直航向分布的窄波束。系統(tǒng)聲信號的發(fā)射和接受由方向垂直的發(fā)射陣和接收陣組成。發(fā)射陣平行于測量船龍骨方向排列，并呈兩側(cè)對稱向正下方發(fā)射船縱向角度比較小、船橫向角度比較大的扇形脈沖聲波，現(xiàn)在常用多波束測深系統(tǒng)船橫向角度可以達(dá)到160甚至更大，縱向開角一般控制在2以內(nèi)。接收陣沿船正橫方向排列，在波束控制方向上接收方式與發(fā)射方式相反，以縱向比較大的角度、橫向比較小角度接收來自海底照射扇區(qū)的回波。本文中我們假設(shè)多波束的分辨率足夠大，即波束開角接近為線性的理性狀態(tài)。圖1 多波束工作原理示意圖2 測深數(shù)據(jù)三維坐標(biāo)歸算2.1 坐標(biāo)歸算

4、原理多波束測深儀海底面積采樣率高，測深儀的波束角比較窄，但是波束角隨著水深的增大，會(huì)降低測深精度，減小波束角則很容易丟失海底回波。因此我們假設(shè)多波束的分辨率足夠高，回波信號足夠好，下面將進(jìn)行測深點(diǎn)的坐標(biāo)歸算進(jìn)行分析：圖2 多波束坐標(biāo)歸算示意圖多波束測量中各波束測深點(diǎn)的空間位置，在一定的聲速曲線條件下計(jì)算公式為：d=1/2stcosal=1/2stsina式中s為聲速剖面，a為波束的入射角，t為波束從發(fā)射到接收聲波信號之間的時(shí)間間隔，d表示波束探測到的水深值，l表示波束距離換能器中心的水平距離。2.2 儀器安裝姿態(tài)校準(zhǔn)影響原理假設(shè)測量船在測量過程中，船舶因?yàn)榍斑M(jìn)動(dòng)力導(dǎo)致測深儀換能器與水平方向夾角

5、為c，則：d=1/2stcosacosc，同時(shí)產(chǎn)生了平行于船艏方向的位置偏差lc=1/2stsinasinc。xc=1/2stsinacosbsincyc=1/2stsinasinbsinc假設(shè)o點(diǎn)的坐標(biāo)為（x0,y0,z0），船艏向?yàn)閎，則測到的地形點(diǎn)的坐標(biāo)為：x=x0+1/2stsinasinb+1/2stsinacosbsincy=y0+1/2stsinacosb+1/2stsinasinbsincz=z0+1/2stcosacosc在實(shí)際測量中，波束的入射角a、船艏向b、測深儀換能器與水平方向夾角c分別對應(yīng)了姿態(tài)中的roll、pitch、yaw。三個(gè)數(shù)值的校準(zhǔn)偏差直接影響到測量數(shù)據(jù)的歸

6、位精度。在聲速剖面準(zhǔn)確、定位點(diǎn)精確、時(shí)延為0的理想條件下，多波束測量水深點(diǎn)的平面位置歸算受roll、pitch、yaw影響，水深值受roll、yaw兩個(gè)條件影響，并且平面位置、水深值存在的偏差都與聲速剖面大小、波束發(fā)射到接收的時(shí)間成正比。聲速剖面大小、波束發(fā)射到接收的時(shí)間、歸算中心點(diǎn)坐標(biāo)都不在本文的研究范圍以內(nèi)，現(xiàn)在假設(shè)這三點(diǎn)在理想狀態(tài)下，進(jìn)行下文姿態(tài)校準(zhǔn)偏差影響具體分析。假設(shè)roll、pitch、yaw的校準(zhǔn)偏差分別為a、b、c，坐標(biāo)偏差分別為x、y、z。x=（1/2stsin（a+a）sin（b+b）+1/2stsin（a+a）cos（b+b）sin（c+c）-（1/2stsinasinb

7、+1/2stsinacosbsinc）y=（1/2stsin（a+a）cos（b+b）+1/2stsin（a+a）sin（b+b）sin（c+c）-（1/2stsinacosb+1/2stsinasinbsinc）z=（1/2stcos（a+a）cos（c+c）-（1/2stcosacosc）2.3 儀器安裝姿態(tài)校準(zhǔn)影響具體分析現(xiàn)在我們假設(shè)波束入射角為70（接近多波束的邊緣波束），船艏方向?yàn)?5，測深儀換能器與水平方向夾角為5（接近常規(guī)船舶7節(jié)船速姿態(tài)），1/2st=50米（非特征地形區(qū)域水深約為17.1米），對多波束安裝姿態(tài)伴隨roll、pitch、yaw值誤差的影響列表分析。假設(shè)roll值

8、誤差a為變量，其他元素為定值。表1 以a為變量的數(shù)據(jù)分析編碼a（）x（m）y（m）z（m）平面偏差（m）高程偏差（m）13.000.640.64-2.470.912.4722.800.600.60-2.310.852.3132.600.560.56-2.140.792.1442.400.520.52-1.970.741.9752.200.480.48-1.810.681.8162.000.440.44-1.640.621.6471.800.400.40-1.480.571.4881.600.350.35-1.310.491.3191.400.310.31-1.150.441.15101.200

9、.270.27-0.980.380.98111.000.220.22-0.820.310.82120.800.180.18-0.660.250.66130.600.140.14-0.490.200.49140.400.090.09-0.330.130.33150.200.050.05-0.160.070.16160.000.000.000.000.000.0017-0.20-0.05-0.050.160.070.1618-0.40-0.09-0.090.330.130.3319-0.60-0.14-0.140.490.200.4920-0.80-0.19-0.190.650.270.6521-

10、1.00-0.23-0.230.810.330.8122-1.20-0.28-0.280.980.400.9823-1.40-0.33-0.331.140.471.1424-1.60-0.38-0.381.300.541.3025-1.80-0.43-0.431.460.611.4626-2.00-0.48-0.481.620.681.6227-2.20-0.53-0.531.780.751.7828-2.40-0.58-0.581.950.821.9529-2.60-0.63-0.632.110.892.1130-2.80-0.69-0.692.270.982.2731-3.00-0.74-

11、0.742.431.052.43通過上表可以看出，roll值校準(zhǔn)偏差對多波束的邊緣波束水深值影響非常大，在a為0.2時(shí)高程偏差已經(jīng)達(dá)到0.16米；對平面位置歸算的影響也非常明顯，在a為3時(shí)的平面誤差超過1米。假設(shè)pitch值誤差b為變量，其他元素為定值。表2 以b為變量的數(shù)據(jù)分析編碼b（）x（m）y（m）z（m）平面偏差（m）高程偏差（m）13.001.54-1.640.002.250.0022.801.44-1.520.002.090.0032.601.34-1.410.001.950.0042.401.24-1.300.001.800.0052.201.14-1.190.001.650.0

12、062.001.04-1.080.001.500.0071.800.93-0.970.001.340.0081.600.83-0.860.001.200.0091.400.73-0.750.001.050.00101.200.63-0.640.000.900.00111.000.52-0.530.000.740.00120.800.42-0.430.000.600.00130.600.32-0.320.000.450.00140.400.21-0.210.000.300.00150.200.11-0.110.000.160.00160.000.000.000.000.000.0017-0.20

13、-0.110.110.000.160.0018-0.40-0.210.210.000.300.0019-0.60-0.320.320.000.450.0020-0.80-0.430.420.000.600.0021-1.00-0.530.520.000.740.0022-1.20-0.640.630.000.900.0023-1.40-0.750.730.001.050.0024-1.60-0.860.830.001.200.0025-1.80-0.970.930.001.340.0026-2.00-1.081.040.001.500.0027-2.20-1.191.140.001.650.0

14、028-2.40-1.301.240.001.800.0029-2.60-1.411.340.001.950.0030-2.80-1.521.440.002.090.0031-3.00-1.641.540.002.250.00通過上表可以看出，pitch值校準(zhǔn)偏差對多波束的邊緣波束垂直水深定位無影響，但是對平面位置歸算的影響非常明顯，在b為1.4時(shí)的平面誤差已經(jīng)超過1米。假設(shè)yaw值誤差c為變量，其他元素為定值。表3 以c為變量的數(shù)據(jù)分析編碼c（）x（m）y（m）z（m）平面偏差（m）高程偏差（m）13.001.731.73-0.102.450.1022.801.611.61-0.092.28

15、0.0932.601.501.50-0.092.120.0942.401.381.38-0.081.950.0852.201.271.27-0.071.800.0762.001.151.15-0.061.630.0671.801.041.04-0.061.470.0681.600.920.92-0.051.300.0591.400.810.81-0.041.150.04101.200.690.69-0.030.980.03111.000.580.58-0.030.820.03120.800.460.46-0.020.650.02130.600.350.35-0.020.490.02140.40

16、0.230.23-0.010.330.01150.200.120.12-0.010.170.01160.000.000.000.000.000.0017-0.20-0.12-0.120.010.170.0118-0.40-0.23-0.230.010.330.0119-0.60-0.35-0.350.010.490.0120-0.80-0.46-0.460.020.650.0221-1.00-0.58-0.580.020.820.0222-1.20-0.69-0.690.030.980.0323-1.40-0.81-0.810.031.150.0324-1.60-0.93-0.930.031.

17、320.0325-1.80-1.04-1.040.041.470.0426-2.00-1.16-1.160.041.640.0427-2.20-1.27-1.270.041.800.0428-2.40-1.39-1.390.051.970.0529-2.60-1.50-1.500.052.120.0530-2.80-1.62-1.620.052.290.0531-3.00-1.74-1.740.052.460.05通過上表可以看出，yaw值校準(zhǔn)偏差對多波束的邊緣波束水深值影響相對較小，但是對平面位置歸算的影響非常大，在c為1.4時(shí)的平面誤差已經(jīng)超過1米。3 結(jié)論通過上述各表可以得出結(jié)論，對于多波束測量三維定位，儀器安裝姿態(tài)校準(zhǔn)非常重要，roll、pitc