多波束測探

多波束技術採取廣角度發射和多信道定向接收,獲得水下高密度條幅式海底地形數據,從而徹底刷新了傳統測深技術的基本概念,突破了傳統單波束測深技術的局限,大大提高了海底地形勘測的精度、解析度和工作效率,實現了測深技術史上的一次革命性突破。

基本介紹

• 中文名：多波束測探
• 外文名：Multibeam sounding
• 領域：測繪學
• 技術：採取廣角度發射和多信道定向接收
• 參數校正方法：橫搖偏差校正等
• 影響因素：水介質聲速剖面改正等

簡介

多波束技術採取廣角度發射和多信道定向接收,獲得水下高密度條幅式海底地形數據,從而徹底刷新了傳統測深技術的基本概念,突破了傳統單波束測深技術的局限,大大提高了海底地形勘測的精度、解析度和工作效率,實現了測深技術史上的一次革命性突破。多波束勘測技術形成了新的海底地形測量技術框架,使其在測深原理、系統構成、射線幾何學、誤差來源、校改正技術和勘測方法等方面形成了鮮明的特點。

背景

多波束勘測技術作為一項全新的高精度海底地形探測手段,其在20世紀80年代的發展有著十分獨特的歷史背景和技術背景。
一方面,傳統單波束測深儀要實現高精度地形測量,面臨兩大難題。一是採用窄波束技術,但波束的變窄需以換能器加大為代價,從而增加了測深儀的價格和安裝的費用;二是加密測線,但又使測量成本大幅度地提高。因此在傳統測深技術框架下要尋找精度和價格平衡的支點十分困難。
另一方面,高精度定位系統和運動感測器、高性能計算機技術、高解析度顯示系統以及採集技術的數位化和相關的信號處理技術,已得到迅速發展。定位精度達到了10m或更高,高速的計算機使大量複雜的運算在瞬間完成已成為可能,數位化採集技術與信號處理技術相互結合、互相推動,從而使測深技術打破原有技術框架,進行新的技術構思成為可能。

多波束測探

多波束測深的參考坐標系與測點歸位方法

與傳統單波束測深儀相比,多波束測深系統在波束髮射接收方式、海底信號獲取與數據處理技術等方面出現了大量革新,從而使其在系統構成、坐標系統轉換、測點空間歸位方法等方面形成了自身的特點。

參考坐標系

由於多波束測深採用了廣角度發射、多陣列信號定向接收和多個波束的形成及處理等技術,為了建立海底測點的空間關係,進行波束的空間位置轉化,必須首先建立多波束測量的參考坐標系統。
多波束系統的換能器不論是固定安裝還是便攜性安裝,它相對測量船的位置是不變的,因此測量船是多波束勘測的最現實的參考工作平台。考慮到換能器(即船隻)姿態補償計算方法的便利,一般多波束勘測的船隻參考坐標系選擇以換能器對稱中心為原點,船隻橫向左舷方向為X軸,船隻縱向船頭方向為Y軸,鉛垂向下為Z軸。可見多波束的船隻參考坐標系是與船隻固定並隨船隻運動而運動的參考坐標系。多波束的垂直參考坐標系是一種中間過渡型參考坐標系,它是在船隻參考坐標系基礎上規定XY軸平面始終保持水平的參考坐標系。多波束的船隻參考坐標系通過垂直參考坐標系和測量船的定位系統與大地測量參考坐標系建立了聯繫,為多波束各測深點的空間位置轉換提供了空間關係和基本方法。

多波束測點的歸位方法

多波束海底歸位本質上是參考坐標系統之間的變數轉化。引人多波束海底歸位的五個(組)基本探測變數是船位、航向、船姿、在船隻參考坐標系統下的波束到達角和波束旅行時(傳播時間),轉化後輸出的目標變數是波束在一定大地參考坐標系統下的平面位置坐標和水深。具體歸位方法包括:
(1)將以船隻參考系的波束到達角通過接收時的船姿轉化為垂直參考系下的波束到達角。具有電子定向裝置的多波束系統無須進行此項轉換。
(2)在聲學投射平面內,根據垂直參考系下的波束到達角和旅行時計算波束測點的側向中心距離X和換能器以下的水深H0與單波束測深儀不同,多波束系統諸波束是按一定的角度間隔定向接收的,因此各波束的到達角不同,其在介質中旅行的路徑也各不相同。

(3)根據船位、航向將聲學投射平面內的側向中心距離轉化為一定大地參考坐標系統下的平面坐標。
(4)根據發射、接收時的船隻升降(heaving)、換能器吃水和實時潮位將換能器以下的水深轉化為一定參考基準面下的水深。
具體波束測點的海底歸位是基於一種被稱為勘查表的方法進行的。給定聲速剖面,對於任意波束到達角和單程旅行時數據對,即可唯一獲得波束測點的側向水平距離和換能器以下的水深。即對於特定聲速剖面,只要完成一張能滿足測量中波束到達角和單程旅行時全部變化範圍的波束測點海底歸位的勘查表,即可滿足特定聲速結構下多波束測量中的各波束測點的海底歸位,實現了到達角、旅行時數據組與側向中心距離、換能器下水深數據對的一一對應。並在此基礎上,通過實時測量船隻升降、換能器吃水深度和潮位變化,可完成到達角、旅行時數據組與一定大地參考坐標系和一定基準面下測點的位置和水深數據對的空間轉化。

多波束測深的參數校正方法

為了保證多波束測深的精度,除了應具有符合IHO精度指標要求的多波束系統及其外圍設備外,在測量過程中還必須進行嚴格的各項內部影響因素的校正和各項外部影響因素的改正。參數校正是指多波束系統為消除系統內部的固有誤差而引人的誤差改正的基本方法,即多波束系統的參數校正方法,並通過系統的參數設定,達到消除內部誤差的目的。

橫搖偏差校正

橫搖偏差校正是針對多波束系統的換能器在安裝過程中可能存在的橫向角度誤差而引人的一種校正方法。當換能器橫向安裝角度與理論設計角存在偏差時,海底地形將受到嚴重彎曲。雖然各多波束系統橫搖偏差校正的具體計算方法有所不同,但其處理原理是一致的。假定在一個絕對平坦的海底進行一條測線的數據採集,分別對左、右舷換能器同方向波束的測深數據進行統計,可以獲得一條由各種到達方向波束的平均深度值組成的連續的測量海底。橫搖偏差校正的計算方法是使該連續的測量海底的坡度縮小為零。實際校正中,由於存在其他干擾因素,因此校正計算一般不能一次完成,計算過程需不斷重複,直到海底地形坡度小於垂直參考單元橫搖精度的1/2,即一般達到0.025°。

電羅經偏差校正

電羅經偏差的存在將會造成測點位置以中央波束為原點的旋轉位移,即這種位移具有在中心波束處為零,但在邊緣波束處增至最大的特點。根據這一特點,在測區選擇一個線性目標進行往返測線測量,如果多波束系統確實存在電羅經偏差(即航向偏差),則電羅經偏差角將使線性目標以中央波束為原點旋轉相同的一個角度。由於往返測線航向相反,從而造成線性目標在兩測線數據疊加後成為交叉的兩條線而不是單獨的一條線。電羅經編差就等於這兩條線之間的夾角的1/2。

導航延遲校正

導航延遲與船隻航行速度有關,它引起測點沿航跡方向的前後位移。因此,進行導航延遲校正的合適目標是突起岩石、疏浚航道、尖角等。為了使校正達到高精度,測量時測區水深應較淺,以減小電羅經和縱傾偏差效應。並且應以中心波束穿越目標,以減小電羅經偏差效應。以相同的測線來回穿過目標幾次,選擇最高的可能船速(要求船速不變!),以減小電羅經和縱搖偏差效應。測量中扇區開角應較小,以增加發射更新率(數據密度)。測量完成後疊加兩個方向的所有測線,標出兩個不同方向測線測得的目標。如果多波束系統存在導航延遲,則兩個方向測線測得的同一目標是分離的。

縱搖偏差校正

換能器縱向安裝角度存在偏差也會引起測點沿航跡前後發生位移。縱搖偏差校正應選擇一個孤立目標進行,測量方法仍是以相同的測線來回穿過目標幾次。測量中船速應保持不變並儘可能低,以減小導航延遲效應及增加位置解析度。測區水深應儘可能大,以減小導航延遲效應和增加角度解析度。測線布設應以中心波束穿越目標頂部,以減小電羅經偏差效應。選擇嘆)。扇區開角以增加發射更新率。測量後疊加兩個方向的所有測線,標出兩個不同方向測線測出的目標。如果存在縱搖偏差,則孤立目標在往返測線多波束數據疊加圖上將出現兩個分離的目標。

多波束測深各項改正中影響精度的主要因素

多波束測深的外部影響因素是指在多波束測深過程中因水介質的運動和探測基面的變化所引起的影響多波束側深的因素。它主要涉及潮位(參考基準面)變化、換能器吃水變化和水介質聲速變化三個方面,因此多波束相應的數據改正應包括潮位改正、換能器吃水改正和水介質聲速剖面改正三項。其中潮位和換能器吃水改正一般通過預報或實測數據直接進行深度改正,聲速改正由於介質聲速不僅受水團運動而經常發生複雜變化,而且不同的聲速結構將直接影響波束射線的空間路徑,因此是各項數據改正中最重要、同時也是最難控制的影響因素。