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R2Sonic 2024多波束测深系统在航道测量中的应用
作者：张林
来源：《装饰装修天地》2016年第07期
摘要：多波束测深系统是目前水下测深中最先进的仪器之一。与传统的单波束回声测深仪相比，多波束测深系统具有水深测量全覆盖、测量范围大、速度快、测深精度和分辨率高等优点。文章介绍了R2Sonic 2024多波束测深系统在某航道测量中的应用，并通过对多波束测深数据进行精度评定，验证了多波束测深系统在航道测量中高精度、全覆盖的优点，同时也指出了存在的问题及其对策。
关键词：多波束测深；航道测量；精度评定；高精度
多波束测深系统诞生于上世纪80年代，从技术发展来看，尽管才经历了短短30年的发展，但其研究和应用已达到较高水平。特别是近十几年来，随着高新能计算机、高分辨率显示、高精度定位和各种数字化传感器等高新技术的介入和支持，多波束测深系统得到极大的发展。
一、R2Sonic 2024多波束测深系统简介
R2Sonic 2024多波束测深系统，由美国R2Sonic公司开发生产。该系统可用于2～500m海域的地形测绘，属于第5代浅水多波束测深系统。该系统由多个子系统组成，包括声学系统、数据采集系统、数据处理系统和外围辅助传感器。其中，换能器为多波束的声学系统，负责波束的发射和接收；数据采集系统完成波束的形成和将接收到的声波信号转换为数字信号，将波束进行滤波后反算其测量距离或记录其往返程时间；外围设备主要包括定位传感器（如GPS）、姿态传感器（如姿态仪）、声速剖面仪和电罗经；数据处理系统以工作站为代表，综合声波测量、定位、船姿、声速剖面和潮位等信息，计算波束脚印的坐标和深度。R2Sonic 2024多波束换能器波束个数达256个，发射端和接收端呈“T”字形，工作频率为200～400KHz频段内实时可选，波束发射角为10゜～160゜，在线实时可调，其测深最大量程可大500m，测深精度为1.25cm，发射速率可达75Hz，精度符合国际海道测量组织（IHO）S-44精度标准。
二、R2Sonic 2024多波束测深系统在某航道测量中的应用 1.工程概况
某航道由于大型桥梁施工，施工期间大量混凝土以及施工器械掉落，为了保证通过该航道的船舶航行安全，必须对该航道进行大比例尺（1：500）水下地形测绘。传统单波束测深，在
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大桥正下方测量时GPS信号被遮挡，定位数据跳跃，无法精确测量。同时该航道地形复杂，水流湍急，潮流瞬息万变，单波束换能器发射声波无法穿透复杂多变的水流，采用多波束测深系统可以解决上述问题。 2.多波束测深系统安装校准
多波束系统是由多传感器组成的复杂系统，各传感器的时间同步性、传感器的安装位置、角度等各种偏差对测量成果精度均产生影响。因此，在进行多波束测量前，需要对这些偏差进行校准。校准的方法是采集一系列特定测线的数据，通过PDS2000校准功能进行计算，得到多波束换能器的纵摇（Pitch）、横摇（Roll）、艏摇（Yaw）安装偏差以及GPS时延数据。该软件所要求的校准要求及方法为：时延要选择特征地形，同线、同向，船速要差一倍以上；横摇要选择平坦地形，同线、反向，速度要相同；纵摇选择特征地形，同线、反向，速度要相同；艏摇选择特征地形，不同线、同向，10%～50%覆盖，速度要相同。
测量船为20吨左右的铁船，换能器采用侧舷安装。安装完成后按照以上所述方法进行换能器安装纵摇（Pitch）、横摇（Roll）、艏摇（Yaw）偏差校准。由于R2Sonic 2024多波束测深系统采用PPS脉冲时间同步功能来控制电脑和传感器的时间同步，所以GPS时延值很小，可以忽略不计。校准时选择两个区域采集两组数据，最后取两组数据的算术平均值作为校准参数的最终值。校准参数为：
海域一， 横摇偏差（Roll） 3.25°， 纵摇偏差（Pitch） 2.49°， 艏向偏差（Yaw） 4.56°；海域二，横摇偏差（Roll） 3.46°， 纵摇偏差（Pitch） 2.29°， 艏向偏差（Yaw） 4.85°；平均值，横摇偏差（Roll） 3.36°°， 纵摇偏差（Pitch） 2.39°， 艏向偏差（Yaw） 4.70°。 3.航道多波束测深实施
航道上方建有大型桥梁，航道狭窄，水下地形复杂，水流湍急。为保证测量船只沿着设定测线航行，选择在高平潮水流相对平缓时刻进行测量。测量时同时打开多波束数据采集界面，换能器波束发射角控制界面和指导测量船只航行的舵手界面。换能器工作频率设定为400KHz，波束开角为120°，沿着测线航行测量。当换能器下方有大量高差较大的块状混凝土或下面地形复杂时（礁石林立），采集的噪声点明显变多，此时需要通过波束发射角控制软件减少波束开角，以便获取正确的水深数据。测量过程中，有些区域由于水下暗流很急，多波束测量水深值不稳定，出现跳跃现象。因为换能器工作频率高，发射的声波波长小，声波穿透能力弱，所以要调小工作频率，增大声波的穿透能力，以便获取正确的水深数据。当测量至大桥正下方区域时，GPS信号被遮挡，无法获取定位信息。测量船靠近大桥正下方区域时，要调大波束开角或者调整为在线垂直地形模式，在GPS信号正常的情况下，全覆盖扫测到大桥正下方区域。测量结束后应该对局部未测量到的区域进行补测，保证对测区进行全覆盖测量。通过Caris软件可以看见该航道区域地形极其复杂，水下乱石林立。 4.多波束测深系统综合精度评定
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通过主测深线和测深检查线相交处重合点统计内符合精度。在水深图上1mm范围内选择主、检测线水深值进行比较，总点对108对，经计算，水深值的中误差为±0.19m。
从计算结果可以看出，本次水深测量主测线与检查线相交处水深值比对时，96.3%的数据互差都≦0.4m，而且测区平均水深大于50m。说明本次多波束水深测量精度良好，符合规范要求。
通过单波束测深数据与最终成图的多波束测深数据重合点统计水深数据的外符合精度。采用的单波束测深仪为中海达公司生产的HD-310。由于测区水流湍急，遇到强水流区域单波束测深仪无法获取水深数据，所以仅仅对单波束所能测量区域（80%区域）的数据重合点进行统计，同样选择比较点对为108对。经计算，水深值中误差为±0.34m。
从计算结果可以看出，单波束与多波束水深值比对时，95.4%的水深值比对互差值≦0.4m，进一步说明本次多波束水深测量精度良好，符合规范要求。
多波束测深系统具有高精度、高分辨率、全覆盖的特点，在本文提到的航道测量中具有单波束无法比拟的优势。通过调节换能器工作频率、调节波束开角等措施，有效解决了航道水流湍急、大桥遮挡GPS信号的问题。通过无缝扫测，获取了该航道的1：500水下地形图及影像图，为航道通行提供了真实可靠的数据。多波束测量的高分辨率、高精度数据，可以实时监测水下地形地貌结构变化，提供高分辨率水下影像图，这对水下精密工程测量提供了有效的技术手段，对水库坝体变形、海底地貌变化等研究提供了有力的技术支持。但是在测量过程中，由于测区地形复杂、落差大、水流急，多波束测量时噪声点数据多，如何剔除假数据需要仔细处理。另外多波束测深系统的误差具有复杂性，系统参数设置不合理，声速值输入不正确，潮位改正不严密等等，都会影响多波束测量的精度。因此，在多波束系统作业的各个阶段，必须进行周密细致的布置、切实有效的质量控制、科学正确的精度评估，才能有效的提高多波束测深成果质量，充分发挥多波束测深系统的优越性。 参考文献：
[1]李家彪.多波束勘测原理技术与方法[M].北京：海洋出版社，1999.
[2]赵建虎，刘经南.多波束测深及图像数据处理[M].武汉：武汉大学出版社，2008. [3]肖付民，暴景阳，吕仁臣.多波束坐标系统及误差源分析[J].天津：海洋测绘，2001（2）.
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