海洋技术▏HY1621多波束测深仪的性能分析
一、引言
自从1956年多波束测深概念的第一次提出以来，随着水声、电子、计算机、信号处理技术的进步，多波束测深仪技术得到了长足的发展。近年来，多波束测深声纳在海洋调查，河道测量以及环境监测等国防建设和国民经济建设中得到了广泛的应用。
国外多波束的测深技术成熟且先进，其多波束测深仪不仅具有小型化和功能多样化的特征，而且还能进行地貌和海底底质分析。如美国Teledyne Reson公司的T50-P，工作频率190 kHz -420 kHz线性可调，其单探头换能器扫测开角高达165°，具有 512个波束，等角和等距测量，波束脚印最小1°×0.54°，还具有实时横摇稳定等指标功能。
国内多波束测深技术的研究始于中国科学院声学研究所和天津海洋测绘研究所联合研制的861小型多波束测深声纳样机，它有25个波束，可测200m，沿着航迹方向开角为3°，垂直航迹方向开角为2.4°到5°，覆盖宽度120°，工作航速小于5kn。随后由哈尔滨工程大学、天津海洋测绘研究所和721厂等单位联合研制完成的H/HCS-017型条带测深仪工程样机，其工作频率为45kHz，工作深度为10m～1000m，有48个3°×3°的数字化测深波束，测量覆盖宽度最大为水深的4倍，工作航速不大于12kn。
近年来，国内多波束测深技术得到了极大的发展。目前，市场上的国产多波束厂家有北京星天科技、云南保利天同、北京海卓同创、中海达海洋、无锡海鹰等。国产多波束的性能指标和国外主流多波束类似，见表1。
表1 国内厂家多波束的主要技术指标
二、HY1621系统组成及相应功能
HY1621多波束测深仪基于典型多波束测深系统的换能器基阵结构，由于回波信号自中央波束开始主要为反射波，逐渐向两侧过渡到主要为散射波，因此在多波束测深系统的回波信号检测方法中，除了使用振幅检测法外，还使用了相位检测法，从而大幅度提高了信号检测精度。
⒈HY1621硬件组成
HY1621多波束的硬件主要由下端的发射换能器阵、发射驱动电路、接收换能器阵、接收放大电路、嵌入式采集控制与处理模块、电源模块组成，其中，发射驱动电路模块负责根据发射控制信号分别产生固定频率脉宽相位可变的十路发射信号分别驱动十路发射换能器，以实现波束控制指向发射功能；接收放大电路模块负责接收前端接收换能器阵的信号，并进行前置放大和时变放大（TVG）；嵌入式采集控制与处理模块实现AD采样、滤波解调、降采样等操作；处理模块完成波束形成、底检测等任务并通过RS485串口同步接收表面声速仪、GPS、姿态仪等传感器数据，最终将系统状态、声图及处理结果等数据通过千兆以太网送给上端显控平台。
⒉HY1621软件组成及系统功能
软件系统主要包括上端的显控软件以及第三方（Hypack、Caris）的采集软件、后处理及成图软件。其中上端显控软件负责用户的交互界面，实现系统控制、参数设置、数据结果显示及状态监控和数据记录等功能，用于显示及控制多波束测深仪工作。第三方后处理软件负责实时数据采集显示及后处理成图等功能。
上端显控软件与下位机的通讯采用千兆以太网。基本功能如下。
①配置系统参数包括水下分机表面声速、发射功率、脉宽、接收初始增益、TVG曲线；自动工作模式下无需设置相关参数；
②配置下位机串口，下位机GPS及运动传感器串口波特率，设置横摇稳定开关；
③显示配置，如配置显示界面及信号颜色；
④检测系统状态和下位机温度；
⑤传输多波束测深数据及每个波束的声图数据，根据系统选项显示测深值及整个测深声图数据；
⑥保存及回放对应的测深值及声图数据；
⑦传递其它实际需要须传递或显示的参数。
三、HY1621性能分析
多波束测深系统是由多种传感器组成的复杂的海底地形测量系统，因而多波束测深成果受到更多因素的影响和制约，所以多波束测深仪的数据精度和可靠性成为设备优劣的重要指标。HY1621是海鹰加科公司推出的一款具有完全自主知识产权的高精度高分辨率多波束测深仪，可广泛应用于航道疏浚、地质调查、沿海地形调查、河道测绘、沉船打捞等领域。换能器工作频率为210kHz，测量斜距可达500m，最小波束角1.5°，波束分布可选择等角或等距，多波束的甲板单元部分只有2.95kg，水下换能器为13.9kg与T50-P的换能器重量几乎一致，所以HY1621多波束更轻便，作业更方便快捷，见图1。在性能指标方面，HY1621 多波束测深仪的整体性能接近国际同类产品的先进水平，如表2所示。
图1 HY1621和T50-P多波束
表2 HY1621与国外主流多波束性能指标
⒈测深稳定性分析
优良的原始数据是获取高质量数据处理成果的重要前提，单纯依靠内业数据处理很难提高测量数据的精度。HY1621在研发过程中进行了多次静态和动态测试，测试地点分别在新安江水库、长江口和三峡库区。静态测试采用24小时不间断运行的方式，其间并未出现运行中断情况。动态测试过程中水深范围包括（0～50m）、（50m～100m）、（100m～200m），水深测试环境从水况较好的水库到极具挑战的长江口水域，整个测试过程中，多波束运行稳定、连续，极少出现水深判底错误的情况，水池实测最小水深为0.5m，三峡库区实测最大水深为198m，受制于自然水深条件，更大的水深测量能力，无法实测验证。多波束条带的扫宽能力，根据数据统计为实测水深的4倍多。HY1621和T50-P多波束都具有历史水深显示功能，可在线显示250 ping的历史数据，方便查看海底地形信息，见图2，水底上下的两条蓝色线为过滤门限线，中间的绿色线为水底线。
图2 HY1621的测深性能示意图
⒉边缘波束稳定性分析
在多波束测深仪的研制过程中，边缘波束信号检测的错误以及姿态补偿的不到位，导致边缘波束的发散和数据跳变，这一现象我们称之为边缘波束稳定性问题。多波束在同一地方可以有多ping的数据集，船速越慢，水深越浅，获取的ping数越多，从而在同一地方通过观察剖面ping数据集来查看边缘波束的稳定情况。水深越深，地形越陡峭，边缘波束抖动情况反应的越明显，所以测试选取在地形有较大变化且水深较深的地方，让船缓慢匀速行驶，这样才能获取准确的数据资料。我们分别在水深（0～50m）、（50m～100m）、（100m～200m）的水域对多波束的边缘波束稳定情况进行统计分析，数据采集时候船速保持在2节左右，保证同一剖面内至少有2ping以上的数据。在整个实验测试过程中剖面数据平滑且连续，边缘波束ping数据集误差在20cm以内；在地形特别陡峭或坡度较大等一些极端的情况下边缘波束数据离散最大约40cm。如图3所示，分图(b)中的白线间距为0.2m。
(a)剖面情况
(b)边缘抖动情况
图3 HY1621边缘波束稳定情况示意图
⒊HY1621测量精度分析
以水下单元安装杆与水面交点作为参考点，定义船右舷方向为X轴正方向，船头方向为Y轴正方向，垂直向下为Z轴正方向，量取各传感器相对于参考点的位置，往返多次测量，取其中值。试验中HY1621多波束使用的采集软件是HYPACK，T50-P多波束的采集软件为PDS2000，两套多波束统一配备POSMV WaveMaster惯导系统。在校准和精度验证过程中，使用CARIS处理两套多波束的原始水深数据并进行对比分析。
HY1621和T50-P多波束使用PPS和ZDA语句同步，不再需要时延校准，因此多波束的校准包括横摇、纵摇、艏摇的安装偏差三个数值。在数据测试时采取多组采集，多余观测的方法，对校准值进行简单的平差计算。校准方法如下：
①横摇（Roll）安装偏差测定：同一测线通过海底的平坦区域，同速反向的两个条带的横向截面数据测试换能器的横摇。
②纵摇（Pitch）安装偏差测定：同一测线通过陡峭或水深变化较大的区域，同速反向的两个条带的中央航迹线数据测试换能器的纵摇。
③艏摇（Yaw）安装偏差测定：两条平行测线通过陡峭或水深变化较大的区域（确保单侧有50%以上的覆盖重叠度），同速同向的两个条带的边缘重叠数据测试换能器的艏摇。
HY1621与T50-P多波束的精度对比试验选择在水下地形起伏较大的新安江古河道，两套多波束分别在同一区域按照校准规范分别采集了3组数据。在CARIS软件里对Roll、Pitch、Heave 进行多次运算，求取最优校准值，使得水深条带的拼接误差严格限定在20cm以内，整个扫测区域的水下地形特征部分完好的拼接在一起，水下地形走势自然且连续，新安江古河道内的“叉型”地形特征真实且清晰可见。
使用以上校准方法，HY1621又在三峡库区以及长江口，分别选取具有明显起伏特征的地形区域进行扫测试验，在Hypack软件的MBMAX64多波束后处理功能模块中导入原始数据，添加声速剖面数据、多波束校准值以及潮位数据，进行改正。在两个条带的边缘部分选取剖面线，在剖面窗口中查看两个条带的边缘符合情况，经过大量的数据统计分析，HY1621在以上三处水域进行测试的数据条带符合误差都在20cm以内，在水深（80m～120m）地形陡峭等一些极端的情况下经过实测获得边缘波束条带的最大符合误差在40cm。如图4所示，分图(b)中白线间距为0.1m。
(a)后处理模块中原始数据
(b)边缘波束吻合情况
图4 HY1621边缘波束条带吻合情况示意图
多波束系统的内符合精度是指多波束校准后，对同一区域设计的两组计划线（平行和对角）进行扫测，并将扫测的两组同一区域水深数据统一处理，生成两个水深曲面并进行差值统计，从而分析多波束自身的测深精度。HY1621多波束分别在选定的区域（水深70m～90m）进行平行测线和对角测线测量，对角测线是根据平行测线的扫测区域设定。如图5，在选定区域作4条横向和3条竖向平行测线，线间距为180m。根据平行测线的扫测拼图，作2条对角计测线，进行数据采集。
(a)平行线扫测图
(b)对角线扫测图
图5 HY1621内符合扫测图示意图
统一用CARIS处理数据并将平行测线的曲面数据和对角测线的曲面数据作差，得到HY1621自身内符合精度的误差分布情况。据统计在0.5m范围内的点数为52400个，在1m范围内的点数为56000个，总点数为57000个，见图6。根据统计获得0.5m误差范围内的精度约为92％，1m误差范围内的精度约为 98.2%。根据国内海道测量规范，水深50m到100m测量误差不大于1m的精度要达到95%的要求，HY1621多波束的测深精度准确。
多波束系统的外符合精度是指两套不同的多波束使用同样的外部设备，在校准完成且内符合精度达到测量要求后，对同一片水域进行数据采集和处理并分析两组水深曲面的差值，从而确定多波束系统测深的外符合精度。HY1621和T50-P多波束分别在选定的同一区域（水深70m～90m）进行地形扫测，统一用CARIS处理数据并将两个水深曲面数据作差。根据统计在0.5m范围内的点数为54200个，总点数为57000个，那么在0.5m误差范围内的符合精度约为95％。经过比较可知HY1621多波束的测深精度达到了T50-P多波束的测深精度，见图6。
(a)内符合统计
(b)与T50-P的符合统计
图6 HY1621数据精度分析统计示意图
四、HY1621多波束的扫测案例
⒈HY1621和T50-P多波束扫测成果比对
本次实验HY1621和T50-P多波束都统一搭配POSMV的 WaveMaster惯导系统，分别对千岛湖新安江水库约2km2区域（水深0～90m）的水下地形进行扫测分析。如图7和图8中所示，水下地形地貌特征清晰可辨，图中越红的部分水深越浅，越蓝的部分水深越深。
图7 HY1621多波束水库区域扫测示意图
图8 T50-P多波束水库区域扫测示意图
图9为HY1621和T50-P多波束对新安江水库区域扫测成果的差值统计图,统一用CARIS解算。T50-P多波束工作频率为400kHz，波束数为512个；HY1621多波束工作频率为210kHz，波束数为320个。通过将两幅5m×5m的水深曲面进行差值统计分析，获得总样本点数为129789个；两款多波束地形成果的样本差值平均数为-0.1m，样本差值的标准差为0.4m，考虑到工作频率和其他系统偏差因素，0.1m的均差可接受，而两款设备的标准差小于海道测量规范中该区域水深允许误差为±1m的要求。
图9 扫测成果曲面差值统计示意图
⒉HY1621多波束三峡库区扫测成果
为了验证HY1621多波束在大水深情况下的扫测性能，在三峡库区附近选择了一块区域进行了常规的地形测量，并将数据进行处理拼图。从图10中可以看出水下地形和水下淹没的山包走势自然连续，老河道以及分支河道的走势清晰可见，充分验证了HY1621多波束在大水深区域的作业性能完全可靠。
图10 HY1621三峡库区扫测图示意图
五、结束语
通过与市场上主流多波束的性能参数的比较；对新安江水库、三峡库区、长江口水域的测试数据的精度分析；与T50-P多波束实测数据的精度比对分析及实测成果分析，得到HY1621的测量精度满足国内海道测量规范的要求，其采用的幅度与相位联合检测方法，确保了条带的边缘波束与中央波束均达到了同等精度。HY1621严谨的线路设计和科学的工艺结构使得外业数据采集中噪声点过滤的较为彻底，即使是在长江口泥沙浑浊的水域也极少出现水声噪点，从而提高了数据处理效率。这一显著优势打破了数据后处理工作繁重的原规则，极大的解放了数据后处理的生产力。
由于HY1621存在频率单一、波束数少、扇面开角小等问题，后续我们将开展下一代工作频率为200kHz到400kHz连续可调、波束数512个、扇面开角为160°的多波束数据精度测试分析工作，并将在现有的CW波技术基础上增加FM调频技术的多波束试验工作以及在现有实时横摇补偿技术的基础上增加实时纵摇补偿技术的试验测试工作。下一代多波束不仅将在水库和内河区域进行测试，并将在国内不同海域进行更为全面的技术性能验证，进而更好的满足国内用户的使用需求。
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END
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【作者简介】文/李传 章繁荣 邓红勇，均来自无锡市海鹰加科海洋技术有限责任公司；第一作者李传，1988年出生，男，江苏沭阳人，工程师，硕士，主要从事海洋探测技术装备的技术支持研究；文章来自《海洋测绘》（2020年第1期），参考文献略，用于学习与交流，编发已经取得了作者授权，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”微信公众平台整理编辑。
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