海测技术▏SeaBeam 3012深水多波束测深系统标定方法
不同于单波束测深系统，多波束测深系统不仅可以保证较宽的扫幅和较高的测点密度，还可以确保测点船体坐标的归位计算精度，因而多波束测深系统具有全覆盖、高精度、高密度和高效率的特点，因此，多波束测深系统在当今海洋事业中扮演越来越重要的角色。
SeaBeam 3012是德国ELAC公司生产的最新一代深水多波束测深系统，该系统采用先进的波束扫描专利技术，可以完全进行艏摇、纵横摇运动补偿。SeaBeam 3012是唯一能进行实时全姿态运动补偿的全海洋深度多波束测深系统，它在深海海底地形测绘、海底构造研究、海洋资源勘探、天然气水合物探测、地球物理探测等领域具有极高的应用价值。
由于多波束测深系统内部、安装以及外界海洋噪声、天气的影响，使多波束数据不可避免地受到噪声和虚假信号的影响，包括测深系统和传感器整合不完全、换能器安装偏差、海洋噪声污染以及声线弯曲造成的折射误差等，如果这些误差数据不进行校正和剔除，会造成海底探测目标位置和深度信息的改变。因此，为了保证多波束测深的精度，除须具备符合精度要求的多波束系统及其外围设备外，在测量过程中还必须保证各项校正和改正的精度。
一、标定方法
多波束测深系统的安装误差包括换能器安装姿态误差、电罗经安装误差以及GPS定位延迟引起的误差，实际上十分精确的安装是做不到的，而通过准确的校准和修正是可以保障测量精度的，以下为标定方法的介绍。
在系统标定和数据采集之前，必须精确地测量船的参考点( VＲP) 和各个传感器之间的三维位置补偿量。根据笛卡尔坐标系右手法则，各补偿量的定义如下(如图1所示)。
图1 补偿量的定义图例
Y轴: 平行于船的长轴线，船头方向为正；X轴: 垂直Y 轴，右弦为正；Z轴: 垂直于两个水平轴。
X、Y、Z轴构成了右手法则的X、Y、Z坐标系，因此，向上为正。
在船上选择一个参考点(VRP)，然后所有的传感器以该点为参考进行测量，必须注意，应尽量将船的实际重心(一般说来，该点的运动最小)选作参考点，运动传感器的安装位置应该位于此处。参考点(VRP)位置确定后，通过测量获得各传感器的位置信息，见表1。
表1 各传感器的位置信息(m)
传感器 | 坐标X | 坐标Y | 坐标Z |
接收换能器阵 | 0.01 | －4.67 | 6.90 |
发射换能器阵 | 0.00 | 0.00 | 6.90 |
OCTANS | 0.53 | －14.69 | －4.40 |
GPS | 1.36 | －18.60 | －25.05 |
船吃水 | 6．9 | ||
水线相对参考点位置 | 0 | ||
水线相对参考点位置 | 0 |
为了精确地测量海底(深度)，多波束换能器安装的角度偏差必须通过标定程序精确确定。标定程序包括几种不同地形条件下的数据采集和利用标定模块进行数据处理，必须补偿的物理量是横摇、纵摇和艏摇。
如果数据采集系统的时钟和GPS的时钟不同步，则应该确定导航定位系统的延时，这里所谓的延时，是指有效位置信息记录时的时间和信息通过串口输出所需的时间差。安装补偿量的测量固定顺序为：延时(如果需要的话)、横摇、纵摇和艏摇。如果条件允许，应在水深等于规划测区内最深的水深区域进行标定，如果用于标定的数据采集于浅水区域，则在深水测量时，数据处理后可能会产生剩余误差( 系统精度降低) 。
⑴延时误差
延时误差是指有效位置信息记录时的时间和将信息通过串口输出到数据采集系统时的时间间隔。对于DGPS系统而言，根据厂家、型号及GPS接收机的不同，这个延时一般在0.1～1.2s之间变化，如果数据采集系统的时钟和GPS的时钟不同步，这时不能直接利用GPS报告的位置信息，而必须确定GPS延时；如果数据采集系统的时钟和GPS 的时钟同步，则此项工作可以省略。
使用的数据：为了确定延时，测量员要在一个具有明显特征的水下区域布置一条测线，或布置一条垂直于斜坡的测线。
步骤：测量船沿着同一方向采集两次数据，但两次测量的速度必须不一样。其中，一次测量必须在船能保持航向的情况下以最小的速度测量; 另一次则必须以最大的速度测量。应该使用中央波束附近的数据来进行数据处理以便最大限度地减小艏摇补偿效应，数据处理中的目标分辨率是0.1s。
⑵横摇误差
对于多波束系统来说，横摇误差将带来水深测量误差，它将随着离开中央波束的夹角的增大和水深的增大而增大。
使用的数据：为了确定横摇误差，测量员要在一个平坦的水域布置一条测线，采集两次数据，两次测量的方向应该完全相反。利用这种方式采集到的数据，当某一断面上含有两组不同方向的数据时，任何横摇误差都将导致数据呈现“X”(如图2所示)。
图2 横摇误差对水深数据的影响
横摇补偿校正量可以通过以下方法来确定：不断改变两次测量( 不同方向) 的横摇补偿量，然后不断更新显示两次测量的误差曲线，直到两者重叠。这可以通过给操作员提供一个图形界面或利用自动横摇误差补偿程序来实现。
⑶纵摇偏移
纵摇偏移量也会导致定位误差，这种误差是纵摇偏移量和水深的函数(如图3所示)。
图3 纵摇误差对水深数据的影响
使用的数据：利用延时校正的相同测线，采集两次数据，两次测量以相同的速度进行，但方向相反。
步骤：数据处理方法及软件显示和延时校正非常相似，同样，应该只用船的中央波束附近的数据进行处理。在浅水区域，由小的纵摇产生的误差通常要小于定位系统产生的误差，在这种情况下，往往很难得到合理、稳定的纵摇补偿量。
⑷艏摇补偿
艏摇偏移量来自水平面上的角度误差，即船的罗经轴线和换能器阵的Z 轴之间的夹角。艏摇偏移量不会对中央波束带来影响，但会给边沿波束的定位带来误差，定位误差的大小随着深度的增大而增大。
使用的数据：为了确定艏摇补偿量，操作员要在一个具有明显特征目标的水下区域布置两条平行的测线，或布置两条垂直于斜坡的测线，两条测线的间距应该使一条测线的边沿波束和另一条测线的中央波束(大约为两倍水深)重叠，航向可以是同向或反向，两条测线应该布置在目标的两侧。如果数据中存在艏摇偏差，则两次数据反映的目标将会有偏差；如果是利用斜坡做标定，则两次测量形成的等值线也会有偏差。声呐换能器阵的任何方位误差都将对系统的测深定位精度产生有害的影响，对于换能器下方的中央波束而言，这种方位误差的影响可以忽略不计，但越靠边沿的波束误差影响越大(如图4所示)。
图4 方位误差对波束的影响
⑸平缓水域性能试验
这种试验是在平缓海底区域里进行，两条测线相互垂直且间距较密。它用垂直波束的测深数据来计算DTM(数字地形模型)；另外，此试验还用来确定覆盖宽度。测量的每个测深数据都将与DTM模型进行对比，并进行以波束为函数的统计计算：测深点数目、平均深度(误差曲线)、标准差(重复性)、系统精度将通过比较4个方向数据重叠区的深度而确定。
试验前，需要获得试验区域中心水域的声速，如果发现有速度突变，则需要确定试验区域的平均声速剖面。在试验水域，所布置的测线，一侧的覆盖宽度应等于3倍水深，测量按图5所示方向进行( 来回各做一次) 。
图5 多波束系统标定时科考船运动轨迹示意图
⑹精度评判标准
多波束测深系统的测深精度通常用水深与覆盖波束角的关系来表达。随着波束向外延展，外侧波束的测深精度略比内侧波束的测深精度低，因此，对涌浪补偿及声线弯曲校正的要求也较高，表2为该系统的精度评判标准。
表2 SeaBeam 3012系统的精度评判标准
覆盖波束角 | 测深精度(系统工作频率：12kHz) |
不大于45° | 优于水深的0.2% |
大于45°而小于60° | 优于3m+水深的0.3% |
大于60°而小于70° | 优于3m+水深的0.6% |
这些误差包括由于测深及运动传感器(量程及波束角)所引起的误差，不包括声速剖面所带来的误差。
二、海上标定试验
2014年1月07日至1 月12 日，在4～5级海况的试验海区进行SeaBeam 3012多波束测深系统的标定，试验海域测线的详细信息详见表3。
表3 海试测线的详细信息
海试区域测线位置如图6所示。
图6 海试区域测线位置图
在科考船到达海试区域时，启动SeaBeam3012多波束测深系统，并确保姿态传感器、GPS等外部信号均正常接入，整套系统运行正常。在海试中心区域进行CTD观测，获取该水域的声速剖面、对声速进行修正，声速剖面如图7所示。
图7 海试区域中心水域的声速剖面
海试标定内容如下。
横摇(Roll)校准处理结果:
垂直测线CAL1航迹沿着左右舷方向上，框选细条平坦区域(如图8左图黑框区域所示)，在不同区域重复多次操作，最终获得Roll方向上的安装偏差平均值: Roll＝－0.31°(如图8右图黑框区域所示)。
图8 Roll校准处理
纵摇( Pitch) 校准处理结果：
沿着测线CAL1航迹方向上，在中央波束附近，框选细条陡峭区域(如图9左图黑框区域所示)，在不同区域重复多次操作，最终获得Pitch方向上的安装偏差平均值: Pitch＝1.21°(如图9右图黑框区域所示)。
图9 Pitch校准处理
艏摇(Yaw)校准处理结果:
在测线CAL1和测线CAL2重叠区域，沿着航迹方向上，框选细条陡峭区域(如图10左图黑框区域所示)，在不同区域重复多次操作，最终获得Yaw方向上的安装偏差平均值：Yaw＝－1.25°(如图10黑框区域所示)。
图10 Yaw校准处理
通过标定测量处理，获得水下换能器阵安装偏差标定测量结果: Roll＝－0.31°，Pitch＝1.21°，Yaw＝－1.25°。
最终的标定结果表明：水下换能器阵的安装工作效果良好，达到系统安装的技术要求。
整个海试区域的最大水深约为3500m，在海试过程中，通过HydroStar软件实时测量显示的覆盖宽度，得出以下结论:
①在水深3500m左右的海域，覆盖宽度大于17000m，系统的覆盖宽度至少是水深的5倍(如图11中间白线的覆盖宽度所示)。
图11 水深3500m左右的覆盖宽度
②在水深2300m左右的海域，覆盖宽度大于12000m。系统的覆盖宽度至少是水深的5倍(如图12中间白线的覆盖宽度所示)。
图12 水深2300m左右的覆盖宽度
③在水深为1000m左右的海域，覆盖宽度大于5000m。系统的覆盖宽度至少是水深的5倍(如图13中间白线的覆盖宽度所示)。
图13 水深1000m左右的覆盖宽度
④在水深为800m左右的海域，覆盖宽度大于4200m。系统的覆盖宽度至少是水深的5倍(如图14中间白线的覆盖宽度所示)。
图14 水深800m左右的覆盖宽度
⑤在水深为200m左右的海域，覆盖宽度大于1250m。系统的覆盖宽度至少是水深的6倍(如图15中间白线的覆盖宽度)。
图15 水深200m左右的覆盖宽度
整个测区共布设9条测线，面积约6.5海里×7.7海里。使用CARIS对整个测区水深数据进行处理，获得水深曲面图(格网大小为100m)，并对其进行水深值统计，获知水深数据点的数量共为29277个，其中，最浅点的水深为337.37m，最深点的水深达2231.16m，中值水深为1342.12m，如图16所示。
图16 海试区域水深值统计
精度计算:
选取测区内相对平坦的区域(约6.5海里×4.1海里)，在该测区共获得9 018个水深点，其中，最浅点的水深为1031.81m，最深点的水深为1805.66m，中值水深为1389.3m。计算的标准差或均方差(即精度) 分布如下：标准偏差小于5m的数据点占总数的86.7%，小于10m的数据点占总数的13.26%，如图17所示。
图17 相对平坦海试区域的水深标准差
通过对SeaBeam3012测深精度进行统计分析，可知此系统的数据质量可靠。
通过CARIS对4×5测线的水深数据进行处理，最终获得的地形图能客观、合理地呈现出海试区域的水深和地形地貌信息。
三、结束语
“向阳红10”科考船船载SeaBeam 3012多波束水下换能器阵安装偏差标定测量结果表明: 水下换能器阵的安装工作效果良好，达到系统安装的技术要求；通过对SeaBeam3012测深精度进行统计分析，可知该测深系统的水深数据质量可靠; 通过CARIS对4×5测线的水深数据进行处理，最终获得的地形图能客观、合理地呈现海试区域的水深和地形地貌信息。
深入对多波束测深系统的标定校验技术及数据处理研究，对于获取高质量、高精度的数据，保证海上安全，促进海洋调查具有极其重要的意义。
【作者简介】本文作者/张登 朱永灵 张涛 张元元 邬宾杰，均来自自然资源部第二海洋研究所；第一作者张登，男，1989年出生，安徽宿州人，工程师，硕士，2015年毕业于山东科技大学大地测量学与测量工程专业，主要从事海洋测绘及调查技术研究工作；文章来自《测绘与空间地理信息》（2019年第4期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台整理。
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