论文专区▏高分辨率测深侧扫声纳系统测深精度评估方法

【编者按】高分辨率测深侧扫声纳系统（HRBSSS）是一种用于获取海底微地形地貌的声学探测设备。本文在简要介绍其工作原理、主要误差源、数据处理与偏差校准方法的基础上，针对声纳自身与整个系统两方面确定了各自的测深精度评估方法。最后本文以DTA-6000声学深拖系统上的HRBSSS为例，对其外场实验测深数据精度进行了评估，结果表明HRBSSS声纳的测深精度在250m×2覆盖范围内符合IHO S-44特级标准，受传感器误差和界面影响，浅水条件下系统测深精度在水平距离113m内符合IHO S-44特级标准。本文发表在《海洋测绘》2016年第5期上，现编发给朋友们阅读了解。刘晓东，男，1977年出生，河北青县人，中国科学院声学研究所海洋声学技术中心，研究员，博士，主要从事海洋声学技术研究。

文/刘晓东 王舒文 张东升 王弘毅 曹金亮

一、引言

海洋的重要性日益突出，人类要开发和利用海洋，高精度的海底地形地貌信息至关重要。目前水深探测设备主要有两类，一类是基于波束形成原理的多波束测深声纳，其鲁棒性强，适合于安装于船上，是目前主流水深探测设备；另一类是基于相干原理的测深侧扫声纳，其系统相对简单，适合安装于水下载体，分辨率高，近年来获得较快发展。

水深探测结果实际受多种因素影响，故必须对测深数据质量进行评估。目前已有研究人员针对多波束测深系统的安装校准、参数校正、精度评估等内容做了一些工作^[1-4]，但对于测深侧扫声纳，此方面工作较少。文献[5]根据理论模型推导了测深侧扫声纳信号处理方法的测深误差，并未涉及实际系统应用。文献[6]对比多波束测深系统，分析了测深侧扫声纳系统的多种误差影响及相应的校准方法；文献[7]探讨测深侧扫声纳的关键技术，提及了三种测深数据精度评估方法；但二者实验阶段均侧重于数据处理效果，仅以简单的精度评估作为辅助说明。

因此本文考虑针对安装于水下载体的HRBSSS，确定一套较为全面且具备可操作性的测深精度评估方法。在简要介绍HRBSSS工作原理、主要误差源及数据处理与偏差校准过程的基础上，本文给出包括声纳自身和系统两方面的HRBSSS测深精度评估方法，之后描述实际精度评估实验过程并给出结果。

二、HRBSSS工作原理与主要误差源

中科院声学所研制的第三代HRBSSS^[8-9]工作原理见图1，其声纳阵沿载体长轴安装于载体两侧，每侧由一条发射线阵和八条接收线阵组成。两侧发射阵同时发射信号，经海底散射后的回波信号分别被八条接收阵接收。由采样点时刻计算信号传播时延，基于八通道接收数据的空间关系估计波达方向，之后利用回波入射角、时延、以及声速计算测深点相对于载体的水平距离和深度，再结合载体定位和姿态数据最终得到测深点的经纬深。

图1 HRBSSS工作原理示意图

本文考虑HRBSSS主要应用于深海探测，故未考虑潮汐等因素，其余的HRBSSS主要误差源包括：姿态传感器输出延迟及其与换能器阵相对高度和相对角度偏差、换能器阵幅相误差、表面声速和声速剖面误差、深度传感器与换能器阵相对高度偏差、定位数据误差和输出延迟、定位系统与换能器阵相对位置偏差、以及信号处理方法误差等。其中姿态类误差、幅相误差、声速类误差及定位误差对测深结果影响较大，通常为主要校准对象。

三、HRBSSS数据处理与偏差校准

为降低HRBSSS测深误差，需进行系统偏差校准工作，前期测量和标定工作主要包括：标定换能器幅相误差^[10]，测量定位系统、姿态传感器、深度传感器与换能器阵的相对位置以及换能器阵安装角度；利用示波器和处理程序确定声纳频率参数与预期一致；静态采集定位数据确定定位精度。

此后需在试验海区测量近期表面声速与声速剖面，并完成多组参数校准所需测线^[6,11]，包括：平坦区域轨迹平行的S形测线，相邻测线50%覆盖，用于roll偏差校准；有明显坡度区域两条重合反向测线用于pitch偏差校准；有突出孤立标志物区域两侧平行反向测线用于heading偏差校准；平坦区域十字测线用于幅相误差校准。

图2数据处理与偏差校准流程

测深数据处理及参数校准流程见图2，因多种参数误差互相作用，采用循环校准策略，直到各参数的校准量收敛到某个值，才认为得到校准结果。最后利用校准量修正参数获得最终测深结果。

四、测深数据精度评估方法

考虑到HRBSSS安装于水下载体进行作业，载体环境不同于船体环境，故本文从声纳自身与整个系统两个方面进行测深精度评估。

⒈ 声纳测深精度评估方法

HRBSSS声纳测深精度评估考量声纳自身信噪比、信号处理方法等能否满足探测需求，直观表现为声纳测量并计算回波角度与时延，并将之转换为相对于载体的水平距离与深度的数据质量。

本文选取地形平坦的深海单ping测深数据进行分析以降低外界环境的干扰。评估方法为提取单ping测深数据，从正下方向两侧，依次取每2m范围内所有测深点计算标准差。根据2008年第五版IHO海道测量标准(S-44)^[12]，95%置信度下特级、一级与二级标准测深精度分别为0.75%、1.3%与2.3%，相对测深精度α可用公式(1)近似计算：

α＝（1.96•σ）×100％/D       ⑴

其中，σ为标准差，D为以载体为基准水深。

⒉ 系统测深精度评估方法

HRBSSS系统测深精度评估考量声纳系统在多种传感器协同作用下最终呈现出的经度、纬度与深度的数据质量。

图3系统测深精度评估示意图

进行系统测深精度评估，首先需通过湖上试验完成参数校准所需测线，并按照图2所示流程进行数据处理和参数校准。在此基础上本文选取平坦区域的十字测线进行系统测深精度评估。具体方法为，取两条测线重叠区域，以相同边界、间隔、半径及网格化规则分别对两条测线进行处理，之后将两条测线相同位置的测深结果相减得到测深残差图。以载体正下方相交点（航迹交点）为中心，向外画同心正方环形，相邻环间隔为2m，最里层为边长4m的正方形，见图3。依次计算各环内测深残差标准差，进而计算95%置信度下相对测深精度，得到整个系统从正下方至远端的相对测深精度曲线。

五、实验数据测深精度评估

本文实际对安装于DTA-6000声学深拖系统的HRBSSS进行了测深数据精度评估。

⒈ 声纳测深精度评估

2009年DTA-6000在西太平洋进行作业，水深约5000m，单条测线覆盖宽度需求为250m×2。分析单ping测深数据，精度评估结果见图4。图4(1)为单ping测深结果，可见测深数据能够满足单侧250m覆盖需求。图4(2)所示为每2m范围内测深标准差，在此基础上计算得左、右舷标准差均值均为0.09m。图4(3)给出相对测深精度，可见95%置信度下左、右舷相对测深精度均优于0.75%，即HRBSSS声纳自身在测线250m×2覆盖范围内符合IHO S-44特级标准。

图4 HRBSSS声纳测深精度评估结果

⒉ 系统测深精度评估

2014年在千岛湖开展DTA-6000 HRBSSS系统校准与精度评估试验，为获得较优的定位精度和航行姿态，试验时在母船甲板搭建金属支架将拖体架于水中，由母船推动拖体航行。定位系统安装于支架上方，姿态与深度传感器安装接近于换能器阵且与阵同高，可不考虑相对位置偏差。图5为示意图。

图5  DTA-6000声学深拖系统工作安装示意图

此试验中定位系统误差小于1m，有1pps信号不需考虑定位延迟；姿态传感器测量pitch与roll精度为0.01°，heading精度为0.1°/cos(纬度)；表面声速误差小于1m/s，声速剖面精度为±0.05m/s；深度传感器精度为0.01%。经校准，获得幅相误差校正曲线以及heading偏差-0.7°、pitch偏差3.08°、左舷roll偏差0.27°、右舷roll偏差-0.60°、姿态数据延迟25ms。

图6  400m×400m区域测深结果与残差图

取十字测线400m×400m重叠区域测深数据进行处理，图6给出测深结果与残差图，其中南北、东西测线测深结果与测线拼图对应同一色带图，可见两条测线测深趋势基本一致。由残差图可见，重叠区域中心测深数据吻合度较好，残差值约在±0.4m之内；重叠区域边缘残差幅度略大，大部分位置在±1.4m范围内，极个别处达到-2m。

分析重叠区域测深残差，得到95%置信度下相对测深精度随水平距离变化曲线如图7所示。根据曲线，在水平距离100m内较为平稳，相对测深精度约为0.6%. 超过100m之后曲线随水平距离增加呈上升趋势，相对测深精度降低。水平距离小于113m时测深数据符合IHOS-44特级标准，水平距离小于157m时测深数据符合IHO S-44一级标准。

图7十字线重叠区相对测深精度随水平距离变化曲线

通过对HRBSSS声纳自身与整个系统的测深精度评估可发现，HRBSSS声纳测深能力可达到IHOS-44特级标准，但系统的测深精度有所降低，导致这一现象的主要原因一是传感器误差不可能完全消除；二是湖上试验换能器阵贴近水面受界面影响。

六、小结

本文确定了一套适用于HRBSSS的、包括声纳与系统两方面的测深精度评估方法，并利用实际数据对DTA-6000声学深拖系统上的HRBSSS进行了测深精度评估。评估结果显示，HRBSSS声纳的测深精度在250m×2覆盖范围内符合IHOS-44特级标准；而受传感器误差等影响，系统测深精度等级低于声纳自身精度。两方面的精度评估结果相结合，能够切实针对HRBSSS安装于水下载体这一特点，更为真实而全面地反映HRBSSS测深数据质量。

参考文献：

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[5]Lurton X.Theoretical Modelling of Acoustical Measurement Accuracy for Swath Bathymetric Sonars[J].The International hydrographic review,2003,4(2):17-30.

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[7]杨玉春.测深侧扫声纳关键技术研究[D].北京:中国舰船研究院硕士学位论文,2014.

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[10]Liu Xiaodong, Zhang Fangsheng, Zhang Dongsheng and etc.Improved methods and results of HRBSSS for mapping deep sea bottom[A],Acoustics 2012,2012.

[11]Oceanic Imaging Consultants,Inc. CleanSweep3 User Manual[R].2010.

[12]IHO Standards for Hydrographic Surveys(5th Edition)[S],2008.2.

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