多波束ALL格式解析与后期处理

简 菁

多波束ALL格式解析与后期处理

简 菁

简 菁

中海油田服务股份有限公司物探事业部

Kongsberg Simrad公司生产的EM系列多波束测深仪将所采集的原始数据以ALL格式的二进制方式存储，这种存储方式虽然较为节省空间，却不方便数据处理和参数分析。有时在处理过程中发现问题，也无法通过读取和修改源数据进行修正。为便于数据处理及误差分析，以VB6.0作为开发平台，编写ALL格式分析系统，通过读取ALL文件中的数据，直观显示水深结果，并且提取需要的参数进行数据的分析和校正。

1 ALL文件格式

ALL文件采用数据包的二进制储存方式，物探船上的GPS定位数据、MRU姿态传感器数据、多波束的发射和接收数据都会按照时间顺序，作为一个个的数据包储存在ALL文件中，通过各个数据包的数据类型（Type of Datagram）作为区分。不同的设备使用的储存格式不尽相同，以水深数据包为例，EM3002采用Depth datagram格式，Type of Datagram=D，44h 68d（十六进制为44，十进制为68），而EM302则采用XYZ 88格式，Type of Datagram=X，58h 88d。

在大多数据包中开始的几十个字节的数据是相同的：4字节用于记录数据包的大小（Numbers of bytes in datagram），1字节表示数据包的起始标记（Start identifier，02h），1字节数据类型（Type of datagram），2字节设备型号（EM model number），4字节记录日期（Date），4字节记录时间（Time），2字节记录测线号（Ping counter），2字节记录设备型号（Serial number），而在数据包的最后为1个字节的结束标记（End identifier，03h），以及2个字节的检测。

详细的参数资料可以参阅《Kongsberg EM Series Multi-beam echo sounder EM datagram formats》，以下列出需要注意的几类。

安装参数 Installation parameters

记录开始或结束时会在ALL文件中增加此数据包，定义了在安装多波束的时候设置的参数，包括定位系统（Position System）、换能器（Transducer）及姿态传感器（Motion Sensor）的空间位置等。

测深Depth

记录了初步计算后的水深，包括艏向（Heading of vessel）、可用波束N（Number of valid beams），并且记录了每一个波束的纵向距离（Across-track distance）、横向距离（Along-track distance）以及测深（Depth），在空间上可以表示出所测水深。此外还记录了每个波束的方位角和俯角，可在不重新读取源数据的情况下根据横摇、纵摇等参数进行校正（如CARIS一般仅使用测深数据包，在做校正的时候也不会去再根据源文件进行重新计算）。

较新的数据格式为XYZ 88，除了部分数据使用浮点型（float）来替换原来的有符号整型（signed）外格式基本类似。此外，2005年底开始使用的三种数据格式：XYZ 88、Raw range and angle 78、Seabed image data 89可支持单Ping大于254的可用波束数。

船姿态 Attitude

记录了一段时间内的姿态变化，首先记录起始时间，此后每个时刻的姿态数据只记录起始后的时间（Time since record start），包括横摇（Roll）、纵倾（Pitch）、涌浪（Heave）、艏向（Heading）等姿态参数。

原始射程与波束角 Raw range and beam angle

记录原始数据，包括取样频率（Sampling frequency）、倾角（Tile angle ref TX array）、接收阵列波束角（Beam pointing angle ref RX array）、射程（Range in 0.25 samples）等。在这个数据包中记录的时间是发射波束的时间，而不是接收的时间。

2 计算方法

在测量水深时所需要的最终数据只要横坐标、纵坐标、水深即可。在ALL文件中主要储存三部分内容：测深、原始数据以及反射强度。其中测深数据基本可直接成图，反射强度数据在本文中暂不研究。

测深计算

根据定位坐标（Position）、艏向（Heading）、X（Along-track distance）、Y（Across-track distance）、深度（Depth），就可以计算出来，大多数情况下只用测深数据即可满足需要，但是在需要调整数据时就必须用原始数据计算。

原始数据计算

根据参数计算波束脚印。在双声纳模式下，会根据S1R和S2R参数对声纳头分别有一个转角偏移，而在单声纳模式中一般为0，此参数影响俯角。

①按接收波束的时间（发射时间+双程旅时，中央波束和边缘波束的接收时间是不同的），匹配船姿态数据以及定位坐标，并根据姿态传感器补偿参数修正姿态参数。

②根据安装参数，计算每个接收波束的状态。

波束指向角= H + SH；

波束俯角= T + SR；

其中，H=艏向Heading V=声速

T=倾角Tile angle

SH=换能器艏向Sensor heading

SR=换能器转角Sensor roll

图1 横摇和纵摇对波束的影响

R=射程Range

F=取样频率Sampling frequency根据以上三个参数计算波束脚印相对于船的横坐标X、纵坐标Y以及测深D。

③根据姿态校正波束脚印。横摇校正：

纵倾校正：

其中，横摇θ1、纵摇θ2，原方位角α。校正后方位角α1，俯角改变量α2。

④根据校正后数据成图、提取参数或者导出水深值。

3 实例应用

在处理某东海勘探项目中，有一部分数据由X08船的EM3002多波束采集，在室内分析时发现存在规律性变化的波纹，通过南北向和东西向的测线对比，排除沙波的可能性，确定为仪器误差（图2）。通过整个区域的多波束资料认定本区域内水深变化均匀。

图2 通过CARIS处理时的截图

解决方案

①通过所编写软件对中央波束和边缘波束分别提取参数，包括左右两个探头在中央和边缘的波束，共计4组水深。

②通过对比分析发现：水深随姿态参数规律性变化，并且水深的左右晃动也与姿态有关。可推测姿态传感器MRU艏向与船艏向有一定夹角。

③MRU艏向校正

设MRU与船艏向夹角为α，当同时存在横摇R和纵摇P时，它们与测量的横摇R′和纵摇P′关系为则补偿后水深应为：

使用R、P来计算新的水深，调整α使得水深与横摇纵摇不线性相关即可。

④在源文件中修改需要补偿的参数，输出图像和数据（图3）。

图3 原水深图（左），校正后水深图（右）

4 总结

1.在处理多波束资料的时候不应完全依赖现有的商业软件，应对多波束文件格式、参数和理论有一定的了解，出现问题的时候才能及时的发现和解决。

2.多波束测深仪为精密仪器，在使用时应极其注意参数的设置，一旦参数设置异常，无法通过后期处理完全消除，只能在一定范围内减小误差。

3.编写了具有基础功能的多波束处理软件，功能上并不完善，但是可获得所需要的、通过商业软件无法提出的参数。

4.提出解决多波束误差的后期处理方法。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.003