论文专区▏多波束测量船速控制方法研究
【编者按: 新版国际海道测量标准明确规定特等和1a等测量时必须实现全覆盖测量。为此，提出基于全覆盖测量的船速控制方法。研究表明：满足全覆盖的船速与多波束换能器的扇区宽度、纵向波束宽度和声速有关。另外，考虑到海底地形的精确获取是未来海道测量的主要方向，提出了基于海底地形分辨率的船速控制方法。在此基础上，兼顾测线间距选取，进一步提出基于海底地形分辨率的测船船速与测线间距综合优化选取方法。方法兼顾了全覆盖和海底地形分辨率的需求，体现了逐步优化设计的思想，符合测量实际，仿真实验也验证了该方法的有效性。本文发表在《海洋测绘》2015年第5期上，现编发给朋友们阅读了解。金绍华，1978出生，男，辽宁大连人，讲师，博士，主要从事多波束数据处理及应用研究。】
金绍华 成芳 赵晋霞 邹永刚
一、引言
多波束测深时，必须保证全覆盖测量[1]。全覆盖包括横向全覆盖和纵向全覆盖[2]。纵向全覆盖主要取决于测船船速。而目前，对船速控制方面的研究较少，通常只给出概略性的描述和建议[3-5]。考虑到新版海道测量标准要求[6-7]以及海底地形精确获取的迫切需求[8]，本文提出满足上述需求的船速控制方法，并通过实验验证方法的可行性和有效性，为作业人员制定测量实施方案提供参考。
二、基于全覆盖测量的测船船速控制方法
全覆盖测量时，横向全覆盖通过测线间距的合理设计实现[9-10]。相对困难的是沿测线连续两Ping间的衔接，即纵向全覆盖，其主要取决于船速。为此，首先建立满足纵向全覆盖的船速控制模型。
如图１，浅水测量时，在测船沿测线航行过程中，相邻两Ping的最小时间间隔t须保证收到最边缘波束的回波，即：
式中，Ｈ为水深；ｃ为声速；θ为波束最大扇面开角。
显然，若保证纵向全覆盖，须满足测船在t时间内航行距离不大于波束脚印纵向宽度。顾及波束脚印纵向宽度lx＝Ｈθx(θｘ为纵向波束宽度，单位为弧度)，得到满足全覆盖的船速控制模型为:
从上述模型看出，满足纵向全覆盖的船速与水深无关，只与换能器扇区宽度、纵向波束宽度及声速有关。以SeaBat8101多波束测深仪为例，取c为1500m/s，θ为150°，θｘ为1.5°。则满足纵向全覆盖的测船船速为10kn。
三、基于海底地形分辨率的船速控制方法
实施测量时，采样点密度越大，海底地形分辨率越高[11]。对海底地形的描绘越精细，越能完善地显示海底地形。因此，海底地形描绘的精细程度取决于采样点个数，而决定采样点个数的一个重要因素就是测船船速，其直接影响海底地形的纵向分辨率。那么，对海底地形分辨率的要求即转化为对测船船速的要求，海底地形分辨率的要求不同，船速也将不同。
⒈ 船速对海底地形分辨率的影响分析
为进一步研究船速控制方法，本文首先采用仿真计算方法，详细分析船速对测量结果影响。
仿真方法为：针对某一海底地形(本文采用Matlab语言构建复杂变化海底)，将先验海底格网化(内插得到2m×2m格网点)，利用SeaBat8101多波束测深仪[12]进行单条测线不同船速的仿真采样(忽略各种测深效应对测深的影响)，统计同一列格网纵向采样点数，并绘制同一列格网内纵向采样点随船速的变化曲线图(见图2)。实验中，船速由6kn增至16kn，波束采样率为10Hz。
从图２可以看出，同一列格网内不同船速施测得到的纵向采样点个数存在较大差异，纵向采样点个数随船速的增加而逐渐减少。上述的仿真结果，充分表明了船速是影响海底地形纵向分辨率的重要因素，采样点个数的减少，将大大降低海底地形分辨率，从而影响海底地形的表征能力。
⒉ 基于海底地形分辨率的船速控制方法
通过前文分析认为：基于海底地形分辨率的船速控制方法基本原则是将先验海底地形格网化，通过控制每个格网的分辨率，使格网分辨率与测船船速相匹配，最终满足海底地形分辨率的要求。
由于海底地形分辨率，还取决于海底地形的区域变化特征，因此，本文提出如下船速控制方法的基本原理：根据测区的实际水深分布情况合理选择多波束系统后，将先验水深信息进行格网化，模拟水深测量沿等深线仿真采样，通过分析格网内获得的纵向采样点数与船速的对应关系，选择满足预定地形分辨率要求的测船船速，最后综合考虑全覆盖测量的船速要求，最终确定测船船速。
此方法体现了逐步优化的设计理念，在充分了解先验海底地形信息的基础上，提出较为合理的初测方案，再根据初测得到的最新信息，进一步对测船船速进行优化，最终确保得到满足预定海底地形分辨率的水深数据，并且保持较高的测量效率。
⒊ 测船船速与测线间距综合优化选取方法
船速越快，地形纵向分辨率越低，地貌表达越不精细。此时，若要保证格网的分辨率，应提高格网的横向分辨率，这就要求缩小测线间距；反之，若增大测线间距，必须降低船速才能保证格网分辨率。总之，若综合考虑格网分辨率，使其采样点数满足预定地形分辨率要求，必须有效平衡测船船速与测线间距的关系。为此，本文从测量效率的角度，在保证格网分辨率的基础上，进一步提出测船船速与测线间距综合优化选取方法，即首先将先验水深图格网化，沿等深线方向仿真采样，然后绘制不同船速对应的采样点均值变化趋势图，并计算不同船速对应的测线间距，同时计算不同船速时的测量工天数，最终确定最优船速(即满足最短工天数对应的船速)。
⒋ 算例分析
本实验拟采用以上综合优化选取方法，详细仿真分析不同船速和测线间距对测量效率的影响。具体分析方法是：首先对两种仿真海底地形(平坦海底和复杂海底)按不同船速进行采样，统计平行于测线方向的每一列格网内的纵向采样点个数。然后根据预定的格网分辨率要求，进一步确定不同船速对应的测线布设间距。最后根据测量总里程和测船船速计算测量所用工时。那么，测量耗时最短时所对应的船速和测线间距即为兼顾海底地形分辨率和测量效率的最优船速和最优测线间距。
以下实验中，平坦海底的设计水深为20m，复杂海底的平均水深为20m，测区范围为30km×20km，分别将两海底格网化，内插为1m×1m的格网，假定每个格网内获得3个采样点即可保证预定的地形分辨率要求。那么，不同船速对应的测量工时见表１。
从表１中的分析可以看出，并非船速越快，测量效率越高。对于平坦海底，由于边缘波束脚印过大，导致某些列格网中的采样点数为0，使得各列间的采样点均值不连续。实验发现，20m水深的平坦海底，在第26列格网出现采样点均值为0的情况，不符合格网分辨率要求。当船速小于12kn时，在第25列之前(包括第25列)格网内采样点均值均大于等于3，则测线间距均取25m。当船速达到14kn时，第6列格网采样点均值出现小于3的情况，则测线间距为5m，测线间距的减少使测量总里程大大增大，从而大大降低了测量效率。综上，对于此海底，若要保证各格网内均获得3个采样点，船速应选取12kn，此时结合纵向全覆盖的测量要求，船速最终确定为10kn。
对于复杂海底，若要保证格网分辨率，船速的增加必然导致测线间距的减小，从而增大了测量总里程。例如，当船速为8kn时，测量总工时为204h；而当船速提高1倍(16kn)时，由于测线间距的减小，导致测量总里程变大，因此，测量总工时反而增加了44h。此时，船速的增加反而带来了测量效率的降低。对于此海底来说，为使得船速与测线间距达到最好的平衡，船速应确定为12kn，此时测量效率最高，均用时185h。此时结合纵向全覆盖的测量要求，船速最终确定为10kn。
四、结束语
本文首先基于全覆盖测量这一目前海道测量的基本要求，提出了基于纵向全覆盖测量的船速控制方法，并以SeaBat8101多波束测深仪为例，计算了满足其纵向全覆盖测量的最大船速为10kn。另外，针对如何合理确定测船船速使其可同时兼顾海底地形分辨率以及测量效率这一问题，本文提出了全新的测船船速控制方法，并且进一步兼顾测线间距选取，提出基于海底地形分辨率的测船船速与测线间距综合优化选取方法。方法采用了系统的、优化的理念，整体研究结果：该方法是合理可行的，为高质高效地完成水深测量任务提供了有力的技术支持，对提高海道测量整体测量成果具有重要意义。
参考文献：
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[12]SeaBat8101 Multibeam Echosounder SystemOPERAT-OR’SMANUAL Version 2.02[EB/OL].http://WWW.reson.com,reson,2003.
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