使用FANSWEEP20型多波束測深儀最佳數(shù)據(jù)質(zhì)量的獲取方法

1、FANSWEEP 20 型多波束測深儀獲取最正確質(zhì)量數(shù)據(jù)方法上海達(dá)華測繪公司高炎摘要目前國內(nèi)外對多波束的應(yīng)用、開發(fā)技術(shù)層出不窮。多波束的種類和各個品牌的技 術(shù)特點也各有不同。相關(guān)的技術(shù)人員對其技術(shù)通性應(yīng)有一定的了解。對于FS-20型多波束介紹的相關(guān)信息比擬少。本文以一種應(yīng)用的角度介紹了FS-20型多波束。從原理引申開來，結(jié)合筆者的實踐，詳細(xì)介紹了FS-20的各個參數(shù)的性質(zhì)和設(shè)置方法，以及對測量結(jié)果的影響程度。以實際工程例子做出具體的說明關(guān)鍵字FANSWEEP-20多波束、數(shù)據(jù)質(zhì)量一、引言伴隨現(xiàn)代科技的開展，如今的水運工程技術(shù)有了長足的進(jìn)步，出現(xiàn)了許多 前所未有的高新技術(shù)測量手段。由于在疏浚工程

2、中，人們對海底地形地貌測量 的要求日益提高，傳統(tǒng)的單波束測量技術(shù)由于其測量效率，可靠性上的局限， 已無法完全滿足當(dāng)代疏浚工程中的各種新需求。正是在這種背景下，我公司與 2000年6月引進(jìn)了德國FAN SWEEP 2型多波束測深系統(tǒng)，使我公司測量技術(shù) 發(fā)生巨大的變革，即將測深技術(shù)從原先的從點到線擴展到由線到面，并進(jìn)一步 開展到立體測深和自動成圖。由于多波束技術(shù)采用了廣角度和多信道定向接收技術(shù)，獲得水下高密度條 幅式海底地形數(shù)據(jù)，從而徹底刷新傳統(tǒng)測深技術(shù)的根本概念。經(jīng)過近一年多來 的工作，我們從測深原理系統(tǒng)構(gòu)成、射線幾何學(xué)、誤差來源與分析、校正技術(shù) 等方面進(jìn)行不斷的消化，吸收和實踐。從而掌握和形成

3、適用水運工程測量特點 的新的水下地形測量技術(shù)框架。下面將獲取FS 20型多波束系統(tǒng)最正確質(zhì)量數(shù)據(jù)的操作和測量方法介紹一下。打印機電子柜7圖一很言圖儀：鑑帶機回聲瞬儀：二、系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理概述完整的多波束系統(tǒng)由多波束的多陣列發(fā)射 /接受換能器，用于信號控制處理 的電子柜，運動傳感器，定位系統(tǒng)如 DGPS或RTK DGP;聲速剖面儀和其 它必要的外圍設(shè)備組成。如圖一所示。所以換能器的工作過程可以簡單的分為：信號發(fā)射和信號接收如圖二所示圖二多波束系統(tǒng)在工作過程中，同時發(fā)射的波束對海底形成一個覆蓋式條帶， 此條帶寬度由波束的發(fā)射開角決定，而波束發(fā)射角由發(fā)射模式控制參數(shù)決定。 船姿傳感器的船姿信號和波

4、束數(shù)據(jù)被一起傳送給信號處理器，信號處理器根據(jù) 這些信息計算出脈沖發(fā)射信號和波束數(shù)據(jù)，然后這些數(shù)據(jù)被送到多通道變換 器，形成多個波束發(fā)射信號，這些信號在經(jīng)多通道前置放大器進(jìn)行功率放大， 分別形成多個聲波發(fā)射脈沖信號，同時多通道前置放大器控制著收、發(fā)轉(zhuǎn)換開 關(guān)電路，這些聲波發(fā)射信號分別被送到換能器陣列中相應(yīng)的換能器單元，并發(fā) 射出去。接收信號的電子過程與發(fā)射信號的電子過程是相反的，就是利用壓電陶瓷 的壓電效應(yīng)把聲能轉(zhuǎn)換為電能。只是這個信號還要經(jīng)過復(fù)雜的信號處理才能生 成反映海底地形、地貌的數(shù)據(jù)。多通道的前置放大器將從換能器接收來得多路回波信號進(jìn)行放大，此放大 過程受時間增益TVG信號的控制。放大后

5、的模擬信號輸送給數(shù)據(jù)采集電 路，在這里，模擬信號被轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號。信號經(jīng)多通道信號處理器處理后形 成地形、地貌數(shù)據(jù)，輸出到外部設(shè)備。信號接受過程中，與單波束測深儀顯著不同的是信號處理電路中的波束形 成、控制電路。聲波在傳播過程中假設(shè)不是垂直射入，受聲速影響，傳播路徑會 發(fā)生變化，即聲波的折射現(xiàn)象，假設(shè)不改正，由此計算出來的水深是不正確的。 波束形成、控制電路作用就在于對波束的傳播路徑進(jìn)行改正。此電路可以從存 儲電路讀取存在其中的一些參數(shù)如各海水層聲速數(shù)據(jù)，利用此數(shù)據(jù)將未經(jīng) 改正的數(shù)據(jù)進(jìn)行改正。通過信號流程的分析，為尋找誤差源，分析誤差以及進(jìn)一步消化吸收新的技術(shù)提供了切入點三、獲取最正確質(zhì)量數(shù)據(jù)

6、的幾個關(guān)鍵技術(shù)1建立船體坐標(biāo)系。船體坐標(biāo)系統(tǒng)主要用來表示測量船上的多波束換能器、所有的傳感器電 羅經(jīng)、三維運動補償器以及 GPS天線與測量船的相對位置關(guān)系。從而確定水 海底測點的空間關(guān)系，實現(xiàn)波束的空間位置轉(zhuǎn)化。其根本方法是1、坐標(biāo)系的原點可以任意選擇，但是通常為了歸算方便，我們選在船的中心位置。船 體坐標(biāo)系的建立方法。如圖三所示，它是一個右手坐標(biāo)系，也叫垂直參考坐標(biāo) 系，它的x軸指向船艏，y軸指向船左舷，z軸垂直向上。其中每一個軸上的 旋轉(zhuǎn)方向為正的旋轉(zhuǎn)方向。在這個坐標(biāo)系下我們可以由測量數(shù)據(jù)求得每一個水 深點相對于船體中心的坐標(biāo)位置。橫距(1)圖三廠0二Y=rsin 9< rcos 9

7、丿式中：r為幾何斜距;9為波束角;由于船體坐標(biāo)系是相對于海底運動的，為了進(jìn)一步把水深數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到大地 坐標(biāo)系里，我們還需要建立一個過渡坐標(biāo)系。我們稱之為當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系。當(dāng)?shù)刈?標(biāo)系也是一個右手坐標(biāo)系，其原點與船體坐標(biāo)系重合，z軸向上。y軸指北， x軸指東。這樣我們就可以把船體坐標(biāo)系里的坐標(biāo)通過三個方向的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)R, p，a，即縱搖角，橫搖角，航向角，變換到這個規(guī)那么的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)里r 、Xll0Yll=R (a，p，R)rsin 9Zll .J rcos 9式中：a為船體坐標(biāo)系當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系的夾角稱為航向角;p為船體坐標(biāo)系的縱搖角；R 為船體坐標(biāo)系的橫搖角。由于船體中心的三維大地坐標(biāo)是可以由 GPS得到的。

8、下面只需要將當(dāng)?shù)刈?標(biāo)系利用大地測量學(xué)的極坐標(biāo)，或坐標(biāo)平移就可以獲得出圖時所要的大地坐標(biāo) 系了。這時我們通?？梢赃x擇 WGS-84系統(tǒng)。另外由于確定高程的方法不同， 垂直控制系統(tǒng)可選擇不同類型。比方，長江口地區(qū)選擇吳淞基準(zhǔn)面作為測深的 垂直根底。在實際測量活動時建立船體坐標(biāo)的關(guān)鍵工作是把安裝在船體各個地方的傳 感器的數(shù)據(jù)都?xì)w算到坐標(biāo)原點上。如果沒有精確的把這些傳感器的位置或角度 歸算到船體坐標(biāo)系中，實際上就在三個方向，a，p, R的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)角上附加了一定的角度如電羅經(jīng)的安裝角不準(zhǔn)確，運動補償器的初始值不準(zhǔn)或者是產(chǎn) 生一定的坐標(biāo)平移量， X， 丫， Z 如GPS與換能器的相對位置不準(zhǔn)， GPS與

9、測深儀有延遲。各個傳感器本身有一定的系統(tǒng)偏差，在工作的時候不可防止的存在一些隨 機誤差。它們是橫搖、縱搖、艏搖誤差和動吃水、聲速、定位誤差船行方向圖四2、船舶姿態(tài)的測定與控制多波束測深系統(tǒng)在實測過程中是一個無規(guī)那么的動態(tài)過程。在風(fēng)、浪、涌、 流的影響下發(fā)生了橫搖R、縱搖P、和船舶航向的變化。這就是船舶姿 態(tài)的三個根本參數(shù)。在多波束系統(tǒng)施測中，測定三個參數(shù)是根本要求。船體坐標(biāo)是在R、P為零的情況下定義的。在施測中橫搖、縱搖不僅影響定 位數(shù)據(jù)，產(chǎn)生波束的位置誤差，而且造成深度誤差，尤其是淺水航道或淺水域 的測量需要準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)時應(yīng)校正 P和R對定位和測深的影響。另外航向 誤差在多波束測深系統(tǒng)中

10、起著十分重要的角色。它直接涉及到測點測深的歸算 問題。為此，在多波束測深系統(tǒng)中配置了高精度的運動傳感器和電羅經(jīng)，其目 的就是消除或減弱P和R以及航向角的誤差造成的影響。但是運動傳感器的補 償校正作用是有限的?？v搖校正在 15 度范圍內(nèi)其準(zhǔn)確度為 0.5%；橫搖校正在 7 度范圍內(nèi)準(zhǔn)確度為 0.25%。所以在測量中，要強調(diào)海況，嚴(yán)格控制海況條件達(dá) 到運動傳感器的限制范圍。3、調(diào)查測區(qū)的聲速剖面 經(jīng)常實時的聲速剖面測量是保證多波束水底地形測量準(zhǔn)確度符合要求范圍 的重要手段。與單波束不同，多波束測量依賴于海水介質(zhì)對聲波的傳播、反射、散射， 測量各波束的不同到達(dá)角，( Arrival angle )，

11、把接收到的數(shù)據(jù)按角度，按 旅行時經(jīng)過的聲速剖面折算成深度和側(cè)向水平距離。因此海水介質(zhì)的聲速剖面 特征和結(jié)構(gòu)變化對水深測量質(zhì)量的關(guān)系十分密切。根據(jù)目前的調(diào)查資料，聲速 剖面的結(jié)構(gòu)可分為三種類型。1、等速均勻結(jié)構(gòu)，如黃浦江水域的聲速。2、隨深度增加聲速線性增加，如長江口水域的聲速。3、兩種不等的聲速均勻相互疊加的躍層結(jié)構(gòu)，如長江口水域的聲速。長江口深水航道治理工程的區(qū)域是受到長江淡水、海洋高鹽度海水的交替影 響；而且還受氣溫、季節(jié)、含砂量等因素的作用；海水介質(zhì)具有明顯的溫鹽特 征，所以導(dǎo)致了聲速結(jié)構(gòu)的時空變化。在使用多波束測深系統(tǒng)時首先要了解測 區(qū)的聲速變化情況，掌握一般的聲速變化特征與規(guī)律。四、

12、參數(shù)設(shè)置的原那么 通過參數(shù)設(shè)置不僅可以消除系統(tǒng)內(nèi)部的固有誤差而且可以使系統(tǒng)發(fā)揮到最 好的工作狀態(tài)。充分發(fā)揮多波束測深的優(yōu)勢。要設(shè)定合理的參數(shù)就一定要綜合 的考慮系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各項影響因素。就 FS 20 型多波束而言，常用參數(shù)設(shè)置有 12 項，如最大 / 最小水深參數(shù)、脈 沖電壓參數(shù)、發(fā)射波束控制、寬深比設(shè)定、腳印控制、波束數(shù)控制、時間增益 控制、門限設(shè)置、影響顯示設(shè)置、探測模式設(shè)置、吃水設(shè)置、聲速設(shè)置等。另 外還有不常用的校正設(shè)置如換能器安裝角設(shè)置、換能器的固有誤差校正設(shè)置 等。這些參數(shù)的內(nèi)部都有密切的聯(lián)系，必須合理、科學(xué)的設(shè)定它們才能到達(dá)預(yù) 期的使用目的。在長期的工作中我們總結(jié)了一些參數(shù)

13、設(shè)置的原那么，現(xiàn)將一些主 要的設(shè)定原那么介紹如下：1、最大最小水深參數(shù) 多波束測深系統(tǒng)的最大最小水深是測量人員設(shè)定的。大多數(shù)人認(rèn)為水深測 量范圍是一個無所謂的參數(shù)，它就象是單波束系統(tǒng)里的縱向屏幕比例尺。其實 情況完全不是這樣，它的設(shè)置在某些情況下對測量精度的影響非常大。在正常 情況下，這一設(shè)定值都是給出一個足夠?qū)挼乃钭兓秶靡詼y量。這時 FS 20 的內(nèi)部電子跟蹤器件會自動對所獲取的水深數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾改正，可以獲取正確 的水深值和地形描的繪情形。但是水下環(huán)境較差時，比方水質(zhì)較混或有較多氣泡。這時儀器的聲學(xué)自動 改正功能的跟蹤算法就不一定很管用了。此時很容易出現(xiàn)雜波或毛刺，使測量 數(shù)據(jù)一片混亂

14、。所以我們就必須給出一個變化范圍較小的測量水深范圍，以適 應(yīng)測況的需要。這樣的處理對減少假水深的幫助非常明顯。2、脈沖電壓參數(shù) 脈沖電壓的強弱直接影響著換能器信號的發(fā)射和接收強度。在深水測量區(qū)域高的脈沖電壓可以提高反射信號的信噪比(S/N)。但是在淺水區(qū)域測量，高 的脈沖電壓所提供得聲能會造成過度使用前置放大器，這樣會嚴(yán)重影響下一個 聲學(xué)信號的發(fā)射接收過程。通常作業(yè)時我們會使用“自動脈沖控制開關(guān)。這時脈沖電壓的大小就會 由儀器的內(nèi)部規(guī)那么系統(tǒng)自動的設(shè)定，從而保持一個固定不變的理想接收強度。 這樣這個控制電路就是由接收信號的強度來控制而不是一個簡單的我們給定的 電壓值來控制了。但是一般情況下我們

15、不去使用“自動開關(guān)，因為脈沖電壓 自動的頻繁變化會使旁掃影象圖形發(fā)生扭曲，這對測量沒有好處。我們是以損 失旁掃影響為代價來換取我們的“方便。所以只是在特定環(huán)境下才使用“自 動選項，比方水的深度和水底反射變化非常厲害，我們沒法給出一個確定的 電壓值的時候。一般情況下可以按下面的數(shù)值設(shè)定：深度電壓值020M20V20100M45V3、發(fā)射波束的控制FS 20提供了 4個發(fā)射波束，分別位于換能器的兩邊各兩個，每邊都有一個 里波束和一個外波束。有時也把里波束稱為寬波束，外波束稱為窄波束。在正 常情況下?lián)Q能器的4個發(fā)射波束都是翻開的。但是在噪聲特別大的時候，比方 水中的泥沙和氣泡較多的情況下，可以關(guān)閉兩

16、側(cè)的外波束。這樣雖然接受數(shù)據(jù) 減少了但是可以有效的減少那些假水深的干擾。在全局的意義上來考慮這樣的 選擇還是提高了工作效率。4、寬深比設(shè)置FS 20在寬深比為600%時是可以嚴(yán)格符合IHO SP 44標(biāo)準(zhǔn)的。超過這一寬 深比范圍后所采集的數(shù)據(jù)是存在的，但是精度會低一些。一般來說是寬深比越 大邊緣波束的精度越低。其精度低到什么程度就不可以使用，這要看測量數(shù)據(jù) 的標(biāo)準(zhǔn)偏差大小和測量的精度要求。通常我們把大于寬深比600%時的數(shù)據(jù)只用來大致的查看水下地形情況，比方用于掃尋沉船就非常不錯。5、腳印的控制一個測量條帶是由許許多多小的波束拼接起來的，這些小的波束就稱為腳 印。前面已經(jīng)討論過聲速變化對邊緣波

17、束的影響，所以腳印的控制也是很重要 的。腳印的控制有兩種方式，一種是“等角度 一種是“等距離?！暗冉?度是指每一個腳印的波束開角是一樣的，但落在實際水底時由于地形的起伏 所以腳印的寬窄是不一樣的?！暗染嚯x是指落在水底的地面上每一個腳印的 大小是一樣的。在均勻介質(zhì)中聲線的旅行路徑是一條直線。由于對應(yīng)各波束聲 線的入射角不同，因此各聲線在介質(zhì)中的路徑構(gòu)成一個向下發(fā)散、向上收斂于 換能器中心的輻射狀扇區(qū)。在等角度發(fā)射的模式下外圍相鄰波束的水平間距將 隨波束入射角的增大而明顯增大，從而使邊緣波束的分辨率降低。所以在考慮 這種影響的前提下我們要使用等距離的發(fā)射模式。測量時可以根據(jù)實際地形與聲速的變化情況

18、和采集數(shù)據(jù)的要求來設(shè)置是“等角度還是“等距離。6、波束的數(shù)量控制波束的數(shù)量取決于測量工作的要求，要考慮到波束數(shù)量能明顯的表現(xiàn)地形 同時又不被過多的數(shù)據(jù)占用過多的存儲數(shù)據(jù)空間為佳。在大多數(shù)情況下當(dāng)使用寬深比為 600%時的標(biāo)準(zhǔn)情況下應(yīng)使用300600個波 束。當(dāng)然在深水測量區(qū)作業(yè)時為保證橫向分辨率可以選到600個波束，而在淺水區(qū)只用300個波束就可以到達(dá)規(guī)定要求了。只有在特殊情況下比方測區(qū)水深 很深而且又要求有很高的橫向分辨率，才會使用1440個波束。圖五7、時間增益控制在信號接受過程中，前置放大是受時間增益信號控制的。在一次聲波脈沖 發(fā)射時，由于回波信號的強弱，除了與海底地形的起伏變化和海底組

19、成有關(guān)還 與海水中的傳播路徑的遠(yuǎn)近有關(guān)。在多波束測量過程中，邊緣波束所傳播的距 離是大于中間波束所傳播的距離的，因此，即使是平坦的海域，回波信號的強 弱也是隨著距離的增大而迅速減小的。一般來說，回波信號的強度大致按距離 的負(fù)四次方規(guī)律衰減的。如圖六所示：圖六為了使回波信號只反映地形的起伏，而不受距離衰減變化的影響，系統(tǒng)就 必須有時間增益控制TVG。它使得接收機的放大量不是保持不變，而是隨 著回波信號的衰減而增強。即按照與距離的四次方的規(guī)律增大放大倍數(shù)。這樣 就補償了波束在水中傳播時的衰減。時間增益的控制有 2個指標(biāo)“開始增益和“結(jié)束增益一般來說結(jié)束增 益是不用改變的。調(diào)節(jié)的是開始增益，在特殊情

20、況下，如海底反射信號非常 弱，可以把開始增益增加到1015dB。在噪聲非常大的水域中如，水質(zhì)渾濁或有小氣泡的水域，開始增益應(yīng)該調(diào)整到 0才能獲得好質(zhì)量的數(shù)據(jù)。8關(guān)于吃水的設(shè)置前面分析過由于運動補償器的隨機誤差，與系統(tǒng)誤差的綜合作用下會產(chǎn)生 動吃水誤差。一般講動吃水的傳感器可精確到厘米級。但是如果儀器存在較大 的系統(tǒng)誤差就要進(jìn)行合理的設(shè)置。首先是船型大小與傳感器內(nèi)部的函數(shù)是否匹 配，必須使傳感器的補償時間曲線與所用船型相匹配。其次由于測船的油耗、 水耗造成的荷載變化必須根據(jù)情況測量船的吃水深度，在吃水設(shè)置功能里合理 設(shè)置。9、關(guān)于聲速的設(shè)定實際的海水在聲學(xué)性質(zhì)上不可能是均勻的，所以聲波在穿越不同

21、介質(zhì)層的 時候必然會發(fā)生折射，導(dǎo)致聲線彎曲。它們的空間曲線位置反演遵循SNELL定律：sin a/a=s inb/b 3通常我們只考慮聲速剖面是二維的，即聲速剖面是只在垂線方向的一個平 面內(nèi)變化。這樣我們只要在垂線方向上最大限度的分層得出精確的聲速剖面， 以二維的平面幾何就可以描述它。但是，聲速在同一層上的不同水平位置也有 不同。所以對每一個波束來講彎曲不止發(fā)生在垂直方向，也存在于水平方向 上。見圖五、圖七?？梢钥闯?，聲速的誤差會同時導(dǎo)致水深和平面位置的誤差。圖七所以在測量中一定要選擇適宜得聲速剖面，歸算聲線的彎曲。這要求測量 者要熟悉測區(qū)范圍的聲速變化情況。拿出合理的聲速改正方案。就長江口地

22、區(qū) 的多波束測量而言，不但要劃定區(qū)域，劃定時間，還要掌握潮水的變化特點才 能獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。五、工程實例 工程名稱：陳家嘴航道疏浚工程 測量范圍：設(shè)計航道浦東側(cè)測出設(shè)計邊線外90m,浦西側(cè)測出90m。設(shè)計航道線為：A( 3465257.13,362680.69 ,B(3466039.75,362490.54) ,C(3466730.35,362606.21) 三點連成的折線。測圖比例：臨時航道1： 2000； 1： 1000坐標(biāo)系統(tǒng)：上海城建坐標(biāo)系統(tǒng) 深度基準(zhǔn)面：吳淞零點 技術(shù)設(shè)計：1 .平面控制：測量定位采用 DGPS信標(biāo)接收機，接收上海海事局中國沿海 RNB'DGPS 大戟山定位

23、系統(tǒng)的差分?jǐn)?shù)據(jù)，與多波束同步定位。數(shù)據(jù)采集采用HYDROMAP專用軟件。WGS-84-上海城市坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換參數(shù)為： X=-42.979 Y=68.989 Z=52.6912.高程控制：根據(jù)業(yè)主提供的高程控制點，按照四等水準(zhǔn)測量要求，引測至高化碼頭近 水平臺，建立驗潮站。水深測量時采用人工實時驗潮，每五分鐘觀測記錄一次數(shù)據(jù)，讀至 0.01m。業(yè)主提供的高程控制點如下：點號高程(m)說明點號高程(m)說明1-123A4.252高程起算點S15.9781-1343.962檢測水準(zhǔn)點S27.2179-105A5.345r固定水準(zhǔn)點1S37.147S04. 385同濟路自行 車道邊S45.575三岔港碼頭 北部220m 處江堤上(埋石)S54.913草咼路上道 釘3.水深測量：3.1方案測量線布設(shè)：根據(jù)工程部通知要求，設(shè)計采用 6倍寬深比，每條測線覆蓋范圍有一定的 重疊。平行設(shè)計航道設(shè)計5條方案測量線。3.2