多波束系統在淺水區深水測量中的應用

多波束勘探系統是現代海上基礎研究設備中的一項高科技產品。它采用多組陣和廣角度發射與接收,形成條幅高密度水深數據,是聲學技術、計算機技術、導航定位技術和數字化傳感器技術等多種技術的高度集成。多波束系統的最終數據成果是水底地形、地物的精確三維坐標(X,Y,Z)。由于多波束測深系統獲取的數據密度極大,按照一定比例尺繪出的圖件可以使水底達到可視化效果,可極大提高對水底目標的認知程度,已成為海洋調查、全覆蓋水深測量、水下工程施工和水底結構檢查不可缺少的技術裝備。就其工作原理而言,目前主流的多波束測深系統分為兩類:電子多波束測深系統和相干多波束測深系統。這2種類型的多波束測深系統在性能、技術指標以及數據可靠性等方面具有較大差異。1比較差異1.1反射散射信號的效率Sonic2024電子多波束測深系統由發射換能器和接收換能器組成,發射換能器呈扇形發射聲能信號,在水中傳播并被海底或其他物體反射,反射信號同時被接收換能器內數百個獨立的聲學基元接收,通過在特定角度下測量反射(散射)信號往返時間的方法,得到不同角度的水深數據GeoSwathPlus相干多波束測深系統是由2個換能器陣組成,呈V型結構,每個換能器包括1個發射單元(或陣列)和4個接收單元,發射單元(或陣列)產生極窄的扇形聲學波束短脈沖,接收元件測量特定時間下聲納脈沖的返回角度。利用電子技術給出垂面上的相位變化,通過相位信息確定反射(散射)聲波的接收角度和返回脈沖的走時,用不同接收換能器信號間的時間差(相位差)計算信號角度,得到斜距或角度測量結果二者原理上的主要區別在于,電子多波束測深系統是在特定角度測量反射(散射)信號的往返時間;而相干多波束測深系統是在特定時間測量反射(散射)回波信號的角度。1.2不同的技術兩種多波束測深系統參數見表1。1.3邊緣密度增加電子多波束測深系統換能器下方的數據密集,兩側數據較中間稀疏,隨水深增加,腳印間隔加大,外緣數據密度減小;相干多波束測深系統則相反,換能器下方的數據稀疏,兩側數據密集,邊緣依然有很高的數據密度。在采集的數據量上差異懸殊,Sonic2024電子多波束每Ping生成256個水深點,GeoSwathPlus相干多波束每Ping生成約6800個水深點(水深20.0m)1.4song2004多波束校準線系統校準目的是獲得多波束換能器相對于羅經和運動傳感器的角度偏差。兩種多波束系統校準均應選擇在既有平坦區又有特征區的海區進行,但校準線布設形式以及參數解算方式不同。GeoSwathPlus多波束系統校準至少布設3條平行校準線,間距為覆蓋寬度的1/2~2/3。測量船以相同航速順序測量3條校準線。在相鄰校準線平坦區域,利用重疊區測量數據分別計算左側(Port)右側(Starboard)換能器的橫搖(Roll)偏差值,在特征區域利用重疊區測量數據分別計算左側(Port)右側(Starboard)換能器的縱搖(Pitch)偏差值和艏搖(Yaw)偏差值。Sonic2024多波束系統校準至少布設2條平行校準線,其中1條需往返測量,測線間距為覆蓋寬度的1/2~2/3,利用平坦海區同線同速反向的條帶斷面數據計算橫搖(Roll)偏差值;利用特征區域同線同速反向的中央波束數據計算縱搖(Pitch)偏差值;利用特征區域異線同速反向的重疊區波束數據測定艏搖(Yaw)偏差值。1.5數據采集及監控GeoSwathPlus相干多波束測深系統采用GS+軟件進行數據采集、監控及數據處理。數據處理時,對每條測線逐ping進行Amplitude(振幅濾波)、Limits(范圍濾波)、AcrossTrack(橫向濾波)和AlongTrack(縱向濾波)4種可視化濾波處理,處理過程中可隨時調整濾波參數,處理完成后生成SwathsFiles文件和Grid格網文件,經數據壓縮最終生成(X,Y,Z)坐標數據。Sonic2024多波束測深系統需使用SonicControl軟件和第三方數據采集軟件(如PDS2000、Qinsy)進行數據采集及數據質量監控;使用CarisHips后處理軟件對多波束原始數據進行數據轉換、潮位及聲速剖面改正,檢查每條測線的定位及姿態數據,剔除異常點,逐條進行線模式編輯,分區進行子區編輯,最終使用CarisGIS軟件進行數據壓縮,生成(X,Y,Z)坐標數據。2實測數據處理在某工程項目中,開展了上述兩款多波束設備的試驗對比工作。對比區域選擇在既有平坦區域又有水深變化較為劇烈的航道邊坡位置,水深變化在10.0~20.0m之間,在試驗區布設2條200m長的測線,由兩款多波束系統分別進行測量,對測量的水深數據在數據密度、三維水深效果、數據一致性等方面進行了對比。2.1測量數據處理分別使用GS+軟件、CarisHips后處理軟件進行數據處理,導出各自的水深數據文件,使用Sufer9軟件生成三維水深效果圖,根據不同水深的色差變化可清晰分辨相鄰條帶搭接是否良好、邊緣波束離散特征是否明顯、中央波束是否存在跳起以及特征地形的銳化程度等測量數據質量情況。通過效果對比看出,GeoSwathPlus相干多波束測深系統中央波束數據稀疏,存在數據跳動隆起現象;由于GS+軟件只能對單條測線進行濾波處理,不能平滑處理相鄰測線重疊區數據,造成數據隆起現象;由于不能及時調整縱向濾波(AlongTrack)參數,造成水深變化較大的特征地形出現鈍化現象。比較而言,Sonic2024多波束測深系統所測數據具有波束屬性,更加可信,數據處理時很容易剔除噪聲點,保留地形特征點,處理的水深數據更加精細。2.2深水重合點不同深度差值比使用MakeEC成圖軟件,將兩種多波束系統測量的同區塊水深數據進行數據疊加比對,分別對比統計了對比區域、特征區域、平坦區域水深重合點不同深度差值點數及所占比例,見圖1、圖2。從圖中可知,2種多波束系統在10.0~20.0m平坦海區所測水深差值在-0.2~0.2m之間的水深點占比在90%以上,呈正態分布,從而說明兩套多波束系統在淺水區水深測量精度上具有較好的一致性。3測量系統設計由于電子多波束系統與相干多波束系統工作原理不同,使得其在測量數據量、數據密度、校準方式、掃測寬度、數據處理方式等多方面存在較大差異,均有各自的技術特點。在實際工作中應結合工程水域地形特征,選擇適合的多波束測量設備。GeoSwathPlus相干多波束是由聲吶技術發展而來,換能器下方的數據比較稀疏,兩側數據較為密集,加強了外緣水平分辨率,在數據密度、水平分辨率和覆蓋寬度上更有優勢,因此可適當加大測線間距,提高外業工作效率。測量軟件實現了數據采集與處理一體化,具有較直觀的數據質量監控功能,后處理操作簡便。但由于在波束發射接收上不存在實際定向波束,離散的波束并非通過物理方式形成,所測的水深點不具備波束屬性,從而無法判斷水深異常點是否為噪聲點或是特征地形點。針對以上特點,該系統更適合于水下地形變化平緩的海區、湖泊、內河等全覆蓋水深測量工程。除輸出水深數據外,還可同時輸出側掃影像圖,側掃圖像每行最多2048個像素,可結合其側掃聲吶功能亦可用于水下障礙物探測等項目。Sonic2024多波束測深系統波束數為256個,所測數據具有波束屬性,可以獲得更加可信的水深數據。換能器探頭下方數據密集,兩側數據隨水深增加,腳印間隔加大,外緣數據密度減小,分辨率下降,容易出現腳印效應,因此應結合水深情況和工程需要合理設計掃測寬度