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[科普中国]-多波束测探

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简介

多波束技术采取广角度发射和多信道定向接收,获得水下高密度条幅式海底地形数据,从而彻底刷新了传统测深技术的基本概念,突破了传统单波束测深技术的局限,大大提高了海底地形勘测的精度、分辨率和工作效率,实现了测深技术史上的一次革命性突破。多波束勘测技术形成了新的海底地形测量技术框架,使其在测深原理、系统构成、射线几何学、误差来源、校改正技术和勘测方法等方面形成了鲜明的特点。

背景多波束勘测技术作为一项全新的高精度海底地形探测手段,其在20世纪80年代的发展有着十分独特的历史背景和技术背景。
一方面,传统单波束测深仪要实现高精度地形测量,面临两大难题。一是采用窄波束技术,但波束的变窄需以换能器加大为代价,从而增加了测深仪的价格和安装的费用;二是加密测线,但又使测量成本大幅度地提高。因此在传统测深技术框架下要寻找精度和价格平衡的支点十分困难。
另一方面,高精度定位系统和运动传感器、高性能计算机技术、高分辨率显示系统以及采集技术的数字化和相关的信号处理技术,已得到迅速发展。定位精度达到了10m或更高,高速的计算机使大量复杂的运算在瞬间完成已成为可能,数字化采集技术与信号处理技术相互结合、互相推动,从而使测深技术打破原有技术框架,进行新的技术构思成为可能1。

多波束测深的参考坐标系与测点归位方法与传统单波束测深仪相比,多波束测深系统在波束发射接收方式、海底信号获取与数据处理技术等方面出现了大量革新,从而使其在系统构成、坐标系统转换、测点空间归位方法等方面形成了自身的特点。

参考坐标系由于多波束测深采用了广角度发射、多阵列信号定向接收和多个波束的形成及处理等技术,为了建立海底测点的空间关系,进行波束的空间位置转化,必须首先建立多波束测量的参考坐标系统。
多波束系统的换能器不论是固定安装还是便携性安装,它相对测量船的位置是不变的,因此测量船是多波束勘测的最现实的参考工作平台。考虑到换能器(即船只)姿态补偿计算方法的便利,一般多波束勘测的船只参考坐标系选择以换能器对称中心为原点,船只横向左舷方向为X轴,船只纵向船头方向为Y轴,铅垂向下为Z轴。可见多波束的船只参考坐标系是与船只固定并随船只运动而运动的参考坐标系。多波束的垂直参考坐标系是一种中间过渡型参考坐标系,它是在船只参考坐标系基础上规定XY轴平面始终保持水平的参考坐标系。多波束的船只参考坐标系通过垂直参考坐标系和测量船的定位系统与大地测量参考坐标系建立了联系,为多波束各测深点的空间位置转换提供了空间关系和基本方法。

多波束测点的归位方法多波束海底归位本质上是参考坐标系统之间的变量转化。引人多波束海底归位的五个(组)基本探测变量是船位、航向、船姿、在船只参考坐标系统下的波束到达角和波束旅行时(传播时间),转化后输出的目标变量是波束在一定大地参考坐标系统下的平面位置坐标和水深。具体归位方法包括:
(1)将以船只参考系的波束到达角通过接收时的船姿转化为垂直参考系下的波束到达角。具有电子定向装置的多波束系统无须进行此项转换。
(2)在声学投射平面内,根据垂直参考系下的波束到达角和旅行时计算波束测点的侧向中心距离X和换能器以下的水深H0与单波束测深仪不同,多波束系统诸波束是按一定的角度间隔定向接收的,因此各波束的到达角不同,其在介质中旅行的路径也各不相同。

(3)根据船位、航向将声学投射平面内的侧向中心距离转化为一定大地参考坐标系统下的平面坐标。
(4)根据发射、接收时的船只升降(heaving)、换能器吃水和实时潮位将换能器以下的水深转化为一定参考基准面下的水深。
具体波束测点的海底归位是基于一种被称为勘查表的方法进行的。给定声速剖面,对于任意波束到达角和单程旅行时数据对,即可唯一获得波束测点的侧向水平距离和换能器以下的水深。即对于特定声速剖面,只要完成一张能满足测量中波束到达角和单程旅行时全部变化范围的波束测点海底归位的勘查表,即可满足特定声速结构下多波束测量中的各波束测点的海底归位,实现了到达角、旅行时数据组与侧向中心距离、换能器下水深数据对的一一对应。并在此基础上,通过实时测量船只升降、换能器吃水深度和潮位变化,可完成到达角、旅行时数据组与一定大地参考坐标系和一定基准面下测点的位置和水深数据对的空间转化。

多波束测深的参数校正方法为了保证多波束测深的精度,除了应具有符合IHO精度指标要求的多波束系统及其外围设备外,在测量过程中还必须进行严格的各项内部影响因素的校正和各项外部影响因素的改正。参数校正是指多波束系统为消除系统内部的固有误差而引人的误差改正的基本方法,即多波束系统的参数校正方法,并通过系统的参数设定,达到消除内部误差的目的。

横摇偏差校正横摇偏差校正是针对多波束系统的换能器在安装过程中可能存在的横向角度误差而引人的一种校正方法。当换能器横向安装角度与理论设计角存在偏差时,海底地形将受到严重弯曲。虽然各多波束系统横摇偏差校正的具体计算方法有所不同,但其处理原理是一致的。假定在一个绝对平坦的海底进行一条测线的数据采集,分别对左、右舷换能器同方向波束的测深数据进行统计,可以获得一条由各种到达方向波束的平均深度值组成的连续的测量海底。横摇偏差校正的计算方法是使该连续的测量海底的坡度缩小为零。实际校正中,由于存在其他干扰因素,因此校正计算一般不能一次完成,计算过程需不断重复,直到海底地形坡度小于垂直参考单元横摇精度的1/2,即一般达到0.025°。

电罗经偏差校正电罗经偏差的存在将会造成测点位置以中央波束为原点的旋转位移,即这种位移具有在中心波束处为零,但在边缘波束处增至最大的特点。根据这一特点,在测区选择一个线性目标进行往返测线测量,如果多波束系统确实存在电罗经偏差(即航向偏差),则电罗经偏差角将使线性目标以中央波束为原点旋转相同的一个角度。由于往返测线航向相反,从而造成线性目标在两测线数据叠加后成为交叉的两条线而不是单独的一条线。电罗经编差就等于这两条线之间的夹角的1/2。

导航延迟校正导航延迟与船只航行速度有关,它引起测点沿航迹方向的前后位移。因此,进行导航延迟校正的合适目标是突起岩石、疏浚航道、尖角等。为了使校正达到高精度,测量时测区水深应较浅,以减小电罗经和纵倾偏差效应。并且应以中心波束穿越目标,以减小电罗经偏差效应。以相同的测线来回穿过目标几次,选择最高的可能船速(要求船速不变!),以减小电罗经和纵摇偏差效应。测量中扇区开角应较小,以增加发射更新率(数据密度)。测量完成后叠加两个方向的所有测线,标出两个不同方向测线测得的目标。如果多波束系统存在导航延迟,则两个方向测线测得的同一目标是分离的。

纵摇偏差校正换能器纵向安装角度存在偏差也会引起测点沿航迹前后发生位移。纵摇偏差校正应选择一个孤立目标进行,测量方法仍是以相同的测线来回穿过目标几次。测量中船速应保持不变并尽可能低,以减小导航延迟效应及增加位置分辨率。测区水深应尽可能大,以减小导航延迟效应和增加角度分辨率。测线布设应以中心波束穿越目标顶部,以减小电罗经偏差效应。选择叹)。扇区开角以增加发射更新率。测量后叠加两个方向的所有测线,标出两个不同方向测线测出的目标。如果存在纵摇偏差,则孤立目标在往返测线多波束数据叠加图上将出现两个分离的目标。

多波束测深各项改正中影响精度的主要因素多波束测深的外部影响因素是指在多波束测深过程中因水介质的运动和探测基面的变化所引起的影响多波束侧深的因素。它主要涉及潮位(参考基准面)变化、换能器吃水变化和水介质声速变化三个方面,因此多波束相应的数据改正应包括潮位改正、换能器吃水改正和水介质声速剖面改正三项。其中潮位和换能器吃水改正一般通过预报或实测数据直接进行深度改正,声速改正由于介质声速不仅受水团运动而经常发生复杂变化,而且不同的声速结构将直接影响波束射线的空间路径,因此是各项数据改正中最重要、同时也是最难控制的影响因素2。