型多波束测深仪.docx
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型多波束测深仪
FANSWEEP20型多波束测深仪
获取最佳质量数据方法
上海达华测绘公司高炎
[摘要]目前国内外对多波束的应用、开发技术层出不穷。
多波束的种类和各个品牌的技术特点也各有不同。
相关的技术人员对其技术通性应有一定的了解。
对于FS-20型多波束介绍的相关信息比较少。
本文以一种应用的角度介绍了FS-20型多波束。
从原理引申开来，结合笔者的实践，详细介绍了FS-20的各个参数的性质和设置方法，以及对测量结果的影响程度。
以实际工程例子做出具体的说明
[关键字]FANSWEEP-20、多波束、数据质量
一、引言
伴随现代科技的发展，如今的水运工程技术有了长足的进步，出现了许多前所未有的高新技术测量手段。
由于在疏浚工程中，人们对海底地形地貌测量的要求日益提高，传统的单波束测量技术由于其测量效率，可靠性上的局限，已无法完全满足当代疏浚工程中的各种新需求。
正是在这种背景下，我公司与2000年6月引进了德国FANSWEEP20型多波束测深系统，使我公司测量技术发生巨大的变革，即将测深技术从原先的从点到线扩展到由线到面，并进一步发展到立体测深和自动成图。
由于多波束技术采用了广角度和多信道定向接收技术，获得水下高密度条幅式海底地形数据，从而彻底刷新传统测深技术的基本概念。
经过近一年多来的工作，我们从测深原理系统构成、射线几何学、误差来源与分析、校正技术等方面进行不断的消化，吸收和实践。
从而掌握和形成适用水运工程测量特点的新的水下地形测量技术框架。
下面将获取FS20型多波束系统最佳质量数据的操作和测量方法介绍一下。
图一
二、系统构成和工作原理概述
完整的多波束系统由多波束的多阵列发射/接受换能器，用于信号控制处理的电子柜，运动传感器，定位系统（如DGPS、或RTKDGPS）；声速剖面仪和其它必要的外围设备组成。
如图一所示。
所以换能器的工作过程可以简单的分为：
信号发射和信号接收如图二所示
图二
多波束系统在工作过程中，同时发射的波束对海底形成一个覆盖式条带，此条带宽度由波束的发射开角决定，而波束发射角由发射模式控制参数决定。
船姿传感器的船姿信号和波束数据被一起传送给信号处理器，信号处理器根据这些信息计算出脉冲发射信号和波束数据，然后这些数据被送到多通道变换器，形成多个波束发射信号，这些信号在经多通道前置放大器进行功率放大，分别形成多个声波发射脉冲信号，同时多通道前置放大器控制着收、发转换开关电路，这些声波发射信号分别被送到换能器阵列中相应的换能器单元，并发射出去。
接收信号的电子过程与发射信号的电子过程是相反的，就是利用压电陶瓷的压电效应把声能转换为电能。
只是这个信号还要经过复杂的信号处理才能生成反映海底地形、地貌的数据。
多通道的前置放大器将从换能器接收来得多路回波信号进行放大，此放大过程受时间增益（TVG）信号的控制。
放大后的模拟信号输送给数据采集电路，在这里，模拟信号被转变为数字信号。
信号经多通道信号处理器处理后形成地形、地貌数据，输出到外部设备。
信号接受过程中，与单波束测深仪显著不同的是信号处理电路中的波束形成、控制电路。
声波在传播过程中若不是垂直射入，受声速影响，传播路径会发生变化，即声波的折射现象，若不改正，由此计算出来的水深是不正确的。
波束形成、控制电路作用就在于对波束的传播路径进行改正。
此电路可以从存储电路读取存在其中的一些参数（如各海水层声速数据），利用此数据将未经改正的数据进行改正。
通过信号流程的分析，为寻找误差源，分析误差以及进一步消化吸收新的技术提供了切入点。
三、获取最佳质量数据的几个关键技术
1、建立船体坐标系。
船体坐标系统主要用来表示测量船上的多波束换能器、所有的传感器（电罗经、三维运动补偿器）以及GPS天线与测量船的相对位置关系。
从而确定水（海）底测点的空间关系，实现波束的空间位置转化。
其基本方法是1、坐标系的原点可以任意选择，但是通常为了归算方便，我们选在船的中心位置。
船体坐标系的建立方法。
如图三所示，它是一个右手坐标系，也叫垂直参考坐标系，它的ｘ轴指向船艏，ｙ轴指向船左舷，ｚ轴垂直向上。
其中每一个轴上的旋转方向为正的旋转方向。
在这个坐标系下我们可以由测量数据求得每一个水深点相对于船体中心的坐标位置。
图三
X0
Y=rsinθ
（1）
Z-rcosθ
式中：
r为几何斜距；
θ为波束角；
由于船体坐标系是相对于海底运动的，为了进一步把水深数据转换到大地坐标系里，我们还需要建立一个过渡坐标系。
我们称之为当地坐标系。
当地坐标系也是一个右手坐标系，其原点与船体坐标系重合，ｚ轴向上。
ｙ轴指北，ｘ轴指东。
这样我们就可以把船体坐标系里的坐标通过三个方向的坐标旋转R，p，a，即纵摇角，横摇角，航向角，变换到这个规则的当地坐标里。
Xll0
Yll=R（a，p，R）rsinθ
（2）
Zll-rcosθ
式中：
a为船体坐标系当地坐标系的夹角称为航向角；
p为船体坐标系的纵摇角；
R为船体坐标系的横摇角。
由于船体中心的三维大地坐标是可以由GPS得到的。
下面只需要将当地坐标系利用大地测量学的极坐标，或坐标平移就可以获得出图时所要的大地坐标系了。
这时我们通常可以选择WGS--84系统。
另外由于确定高程的方法不同，垂直控制系统可选择不同类型。
比如，长江口地区选择吴淞基准面作为测深的垂直基础。
在实际测量活动时建立船体坐标的关键工作是把安装在船体各个地方的传感器的数据都归算到坐标原点上。
如果没有精确的把这些传感器的位置或角度归算到船体坐标系中，实际上就在三个方向，a，p，R的坐标旋转角上附加了一定的角度（如电罗经的安装角不准确，运动补偿器的初始值不准）或者是产生一定的坐标平移量，ΔX，ΔY，ΔZ（如GPS与换能器的相对位置不准，GPS与测深仪有延迟）。
各个传感器本身有一定的系统偏差，在工作的时候不可避免的存在一些随机误差。
它们是横摇、纵摇、艏摇误差和动吃水、声速、定位误差
图四
2、船舶姿态的测定与控制
多波束测深系统在实测过程中是一个无规则的动态过程。
在风、浪、涌、流的影响下发生了横摇（R）、纵摇（P）、和船舶航向的变化。
这就是船舶姿态的三个基本参数。
在多波束系统施测中，测定三个参数是基本要求。
船体坐标是在R、P为零的情况下定义的。
在施测中横摇、纵摇不仅影响定位数据，产生波束的位置误差，而且造成深度误差，尤其是浅水航道或浅水域的测量需要准确、可靠的数据时应校正P和R对定位和测深的影响。
另外航向误差在多波束测深系统中起着十分重要的角色。
它直接涉及到测点测深的归算问题。
为此，在多波束测深系统中配置了高精度的运动传感器和电罗经，其目的就是消除或减弱P和R以及航向角的误差造成的影响。
但是运动传感器的补偿校正作用是有限的。
纵摇校正在15度范围内其准确度为0.5%；横摇校正在7度范围内准确度为0.25%。
所以在测量中，要强调海况，严格控制海况条件达到运动传感器的限制范围。
3、调查测区的声速剖面
经常实时的声速剖面测量是保证多波束水底地形测量准确度符合要求范围的重要手段。
与单波束不同，多波束测量依赖于海水介质对声波的传播、反射、散射，测量各波束的不同到达角，（Arrival angle），把接收到的数据按角度，按旅行时经过的声速剖面折算成深度和侧向水平距离。
因此海水介质的声速剖面特征和结构变化对水深测量质量的关系十分密切。
根据目前的调查资料，声速剖面的结构可分为三种类型。
1、等速均匀结构，如黄浦江水域的声速。
2、随深度增加声速线性增加，如长江口水域的声速。
3、两种不等的声速均匀相互叠加的跃层结构，如长江口水域的声速。
长江口深水航道治理工程的区域是受到长江淡水、海洋高盐度海水的交替影响；而且还受气温、季节、含砂量等因素的作用；海水介质具有明显的温盐特征，所以导致了声速结构的时空变化。
在使用多波束测深系统时首先要了解测区的声速变化情况，掌握一般的声速变化特征与规律。
四、参数设置的原则
通过参数设置不仅可以消除系统内部的固有误差而且可以使系统发挥到最好的工作状态。
充分发挥多波束测深的优势。
要设定合理的参数就一定要综合的考虑系统内部和外部的各项影响因素。
就FS20型多波束而言，常用参数设置有12项，如最大/最小水深参数、脉冲电压参数、发射波束控制、宽深比设定、脚印控制、波束数控制、时间增益控制、门限设置、影响显示设置、探测模式设置、吃水设置、声速设置等。
另外还有不常用的校正设置如换能器安装角设置、换能器的固有误差校正设置等。
这些参数的内部都有密切的联系，必须合理、科学的设定它们才能达到预期的使用目的。
在长期的工作中我们总结了一些参数设置的原则，现将一些主要的设定原则介绍如下：
1、最大最小水深参数
多波束测深系统的最大最小水深是测量人员设定的。
大多数人认为水深测量范围是一个无所谓的参数，它就象是单波束系统里的纵向屏幕比例尺。
其实情况完全不是这样，它的设置在某些情况下对测量精度的影响非常大。
在正常情况下，这一设定值都是给出一个足够宽的水深变化范围用以测量。
这时FS20的内部电子跟踪器件会自动对所获取的水深数据进行过滤改正，可以获取正确的水深值和地形描的绘情形。
但是水下环境较差时，比如水质较混或有较多气泡。
这时仪器的声学自动改正功能的跟踪算法就不一定很管用了。
此时很容易出现杂波或毛刺，使测量数据一片混乱。
所以我们就必须给出一个变化范围较小的测量水深范围，以适应测况的需要。
这样的处理对减少假水深的帮助非常明显。
2、脉冲电压参数
脉冲电压的强弱直接影响着换能器信号的发射和接收强度。
在深水测量区域高的脉冲电压可以提高反射信号的信噪比（S/N）。
但是在浅水区域测量，高的脉冲电压所提供得声能会造成过度使用前置放大器，这样会严重影响下一个声学信号的发射接收过程。
通常作业时我们会使用“自动”脉冲控制开关。
这时脉冲电压的大小就会由仪器的内部规则系统自动的设定，从而保持一个固定不变的理想接收强度。
这样这个控制电路就是由接收信号的强度来控制而不是一个简单的我们给定的电压值来控制了。
但是一般情况下我们不去使用“自动”开关，因为脉冲电压自动的频繁变化会使旁扫影象图形发生扭曲，这对测量没有好处。
我们是以损失旁扫影响为代价来换取我们的“方便”。
所以只是在特定环境下才使用“自动”选项，比如水的深度和水底反射变化非常厉害，我们没法给出一个确定的电压值的时候。
一般情况下可以按下面的数值设定：
深度
电压值
0~20M
20V
20~100M
45V
3、发射波束的控制
FS20提供了4个发射波束，分别位于换能器的两边各两个，每边都有一个里波束和一个外波束。
有时也把里波束称为宽波束，外波束称为窄波束。
在正常情况下换能器的4个发射波束都是打开的。
但是在噪声特别大的时候，比如水中的泥沙和气泡较多的情况下，可以关闭两侧的外波束。
这样虽然接受数据减少了但是可以有效的减少那些假水深的干扰。
在全局的意义上来考虑这样的选择还是提高了工作效率。
4、宽深比设置
FS20在宽深比为600%时是可以严格符合IHOSP44标准的。
超过这一宽深比范围后所采集的数据是存在的，但是精度会低一些。
一般来说是宽深比越大边缘波束的精度越低。
其精度低到什么程度就不可以使用，这要看测量数据的标准偏差大小和测量的精度要求。
通常我们把大于宽深比600%时的数据只用来大致的查看水下地形情况，比如用于扫寻沉船就非常不错。
5、脚印的控制
一个测量条带是由许许多多小的波束拼接起来的，这些小的波束就称为脚印。
前面已经讨论过声速变化对边缘波束的影响，所以脚印的控制也是很重要的。
脚印的控制有两种方式，一种是“等角度”一种是“等距离”。
“等角度”是指每一个脚印的波束开角是一样的，但落在实际水底时由于地形的起伏所以脚印的宽窄是不一样的。
“等距离”是指落在水底的地面上每一个脚印的大小是一样的。
在均匀介质中声线的旅行路径是一条直线。
由于对应各波束声线的入射角不同，因此各声线在介质中的路径构成一个向下发散、向上收敛于换能器中心的辐射状扇区。
在等角度发射的模式下外围相邻波束的水平间距将随波束入射角的增大而明显增大，从而使边缘波束的分辨率降低。
所以在考虑这种影响的前提下我们要使用等距离的发射模式。
测量时可以根据实际地形与声速的变化情况和采集数据的要求来设置是“等角度”还是“等距离”。
6、波束的数量控制
波束的数量取决于测量工作的要求，要考虑到波束数量能明显的表现地形同时又不被过多的数据占用过多的存储数据空间为佳。
在大多数情况下当使用宽深比为600%时的标准情况下应使用300~600个波束。
当然在深水测量区作业时为保证横向分辨率可以选到600个波束，而在浅水区只用300个波束就可以达到规定要求了。
只有在特殊情况下比如测区水深很深而且又要求有很高的横向分辨率，才会使用1440个波束。
图五
7、时间增益控制
在信号接受过程中，前置放大是受时间增益信号控制的。
在一次声波脉冲发射时，由于回波信号的强弱，除了与海底地形的起伏变化和海底组成有关还与海水中的传播路径的远近有关。
在多波束测量过程中，边缘波束所传播的距离是大于中间波束所传播的距离的，因此，即使是平坦的海域，回波信号的强弱也是随着距离的增大而迅速减小的。
一般来说，回波信号的强度大致按距离的负四次方规律衰减的。
如图六所示：
图六
为了使回波信号只反映地形的起伏，而不受距离衰减变化的影响，系统就必须有时间增益控制（TVG）。
它使得接收机的放大量不是保持不变，而是随着回波信号的衰减而增强。
即按照与距离的四次方的规律增大放大倍数。
这样就补偿了波束在水中传播时的衰减。
时间增益的控制有2个指标“开始增益”和“结束增益”一般来说结束增益是不用改变的。
调节的是开始增益，在特殊情况下，如海底反射信号非常弱，可以把开始增益增加到10~15dB。
在噪声非常大的水域中如，水质浑浊或有小气泡的水域，开始增益应该调整到0才能获得好质量的数据。
8、关于吃水的设置
前面分析过由于运动补偿器的随机误差，与系统误差的综合作用下会产生动吃水误差。
一般讲动吃水的传感器可精确到厘米级。
但是如果仪器存在较大的系统误差就要进行合理的设置。
首先是船型大小与传感器内部的函数是否匹配，必须使传感器的补偿时间曲线与所用船型相匹配。
其次由于测船的油耗、水耗造成的荷载变化必须根据情况测量船的吃水深度，在吃水设置功能里合理设置。
9、关于声速的设定
实际的海水在声学性质上不可能是均匀的，所以声波在穿越不同介质层的时候必然会发生折射，导致声线弯曲。
它们的空间曲线位置反演遵循SNELL定律：
sina/a=sinb/b（3）
通常我们只考虑声速剖面是二维的，即声速剖面是只在垂线方向的一个平面内变化。
这样我们只要在垂线方向上最大限度的分层得出精确的声速剖面，以二维的平面几何就可以描述它。
但是，声速在同一层上的不同水平位置也有不同。
所以对每一个波束来讲弯曲不止发生在垂直方向，也存在于水平方向
上。
见图五、图七。
可以看出，声速的误差会同时导致水深和平面位置的误差。
图七
所以在测量中一定要选择合适得声速剖面，归算声线的弯曲。
这要求测量者要熟悉测区范围的声速变化情况。
拿出合理的声速改正方案。
就长江口地区的多波束测量而言，不但要划定区域，划定时间，还要掌握潮水的变化特点才能获得高质量的数据。
五、工程实例
工程名称：
陈家嘴航道疏浚工程
测量范围：
设计航道浦东侧测出设计边线外90m，浦西侧测出90m。
设计航道线为：
A（3465257.13,362680.69）,B（3466039.75,362490.54）,C（3466730.35,362606.21）三点连成的折线。
测图比例：
临时航道1：
2000；1：
1000
坐标系统：
上海城建坐标系统
深度基准面：
吴淞零点
技术设计:
1．平面控制:
测量定位采用DGPS信标接收机，接收上海海事局中国沿海RNB\DGPS大戟山定位系统的差分数据，与多波束同步定位。
数据采集采用HYDROMAP专用软件。
WGS-84-上海城市坐标系统的转换参数为：
△X=-42.979△Y=68.989△Z=52.691
2．高程控制：
根据业主提供的高程控制点，按照四等水准测量要求，引测至高化码头近水平台，建立验潮站。
水深测量时采用人工实时验潮，每五分钟观测记录一次数据，读至0.01m。
业主提供的高程控制点如下：
点号
高程（m）
说明
点号
高程（m）
说明
1-123A
4.252
高程起算点
S1
5.978
1-134
3.962
检测水准点
S2
7.217
9-105A
5.345
固定水准点
S3
7.147
S0
4．385
同济路自行车道边
S4
5.575
三岔港码头北部220m处江堤上（埋石）
S5
4.913
草高路上道钉
3．水深测量：
3.1计划测量线布设：
根据项目部通知要求，设计采用6倍宽深比，每条测线覆盖范围有一定的重叠。
平行设计航道设计5条计划测量线。
3.2测量方法：
在测量船安装DGPS信标接收机，接收上海海事局中国沿海RNB\DGPS大戟山台站的差分数据，多波束ON-LINE测量软件同步自动采集平面位置和水深数据。
水深数据自动存储至计算机内，测量结束后将实时验潮数据输入计算机内进行改正出图。
每次测量工作开始和结束后均应进行声速校准，以保证数据的可靠、准确。
根据实际需要，我们设置6倍宽深比，600个波束进行扫测。
测量水深设为0—20米；由于测量时航道底部淤泥较多对声波的吸收较大所以我们把脉冲电压设为40V，所得到的反射信号水平较好。
测量脚印设为等距离，以适应水下地形的复杂变化。
TVG时间增益调整到0—70。
远近阀值（门限）设为100dB—20dB，吃水设置按当时测得的吃水深度137cm设定。
声速在测区内现场测定，然后设置。
现场测量时还要根据变化修改参数，直到测量结束。
4、数据后处理：
外业测量结束后，应对测量资料进行整理，及时提交测量成果，包括记录手簿、验潮记录、水准联测记录、数据磁带、潮位曲线和草图，经过质量部门的严格审查后，进入计算机编辑出图。
成果包括1：
2000和1：
1000的分色水深图，等深线图，三维彩色立体图，假想光源影响图等。
六、结束
多波束测深系统是由多个传感器组成的综合测量系统。
因此，多波束测量系统误差具有多源性。
其测量成果的质量不仅取决于测量系统的自身传感器的性能，而且还取决于其它辅助测量设备的准确程度。
另一方面我们要不断加强对多波束测深系统的认识如，工作原理，船体坐标的建立，误差分析与控制，参数设置等。
我们要通过实践不断的积累使用多波束的经验，每到一个测区进行测量前一定要具体问题具体分析，不可盲目套用固定模式，要通过合理的参数设置，以最大限度的获得高质量的测量数据，得到适合不同要求的高质量水下地形图。
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