基于HYPACK软件HYSWEEP模块的多波束参数校正方法

■曲佳 朱峰 庞云天

（中国地质调查局广州海洋地质调查局 广东 广州510075）

基于HYPACK软件HYSWEEP模块的多波束参数校正方法

■曲佳 朱峰 庞云天

（中国地质调查局广州海洋地质调查局 广东 广州510075）

HYPACK作为一款广泛用于海洋调查和水道测量的综合性商业软件，其多波束处理HYSWEEP模块经过多年来不断的改进，也已得到越来越多HYPACK用户的认可。而多波束参数校正是确保多波束水深数据质量的重要环节，参数校正的质量将对海底地形地貌的测量精度产生直接影响。本文以南中国海海域采集的多波束数据为基础，简明的介绍了多波束参数校正的意义与方法，结合HYPACK软件中HYSWEEP模块的参数校正功能演示了多波束参数校正的全过程。

HYPACK HYSWEEP多波束系统参数校正

1 引言

HYPACK是一款由美国Coastal海洋图像公司（Coastal Oceanographic）开发用于海洋调查和水道测量的综合性商业软件。其主要由测量模块、单波束处理模块、多波束处理模块、最终成果模块等多种应用模块组成，而HYPACK的测量模块更是具有设置灵活、支持硬件多元化的特点，因此，该软件更多是用在水深测量、单波束与多波束测量的导航定位方面。HYPACK软件的界面十分友善，是一款人性化、具备通用Windows程序操作风格的图形操作软件。目前HYPACK软件在国外拥有庞大的用户群，享有较高的评价，其HYSWEEP模块、DREDGEPACK模块经过多年来不断的改进，也已得到越来越多HYPACK用户的认可，目前该软件最新版本为HYPACK2016。

本文以ATLAS MD30中深水多波束系统在中国南海海域采集的多波束数据为基础，详细介绍使用 HYPACK软件中的HYSWEEP模块对多波束参数进行校正的方法。

2 多波束参数校正的意义及必要性

多波束测深系统是一种包含多个传感器的复杂测深系统。由于多波束技术采取广角度发射和多信道定向接收,获取水下高密度条幅式海底地形数据，大大地提高了海底地形勘测的精度、分辨率和工作效率,与传统测深技术相比,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技术特点。为了确保多波束测深数据的精度,除了配备符合相应规范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。

多波束测深系统声学换能器安装的几何误差将对测深精度和位置精度产生影响，这一类误差是由安装所造成，如在进行多波束系统安装时，很难将光纤罗经的安装误差校正至零，与此同时换能器的安装精度也受到船体开洞、角度测量和焊接变形等误差的影响，通常很难按照设计要求一次成型。即便安装良好，同样也会在日后使用过程中因船体的微弱变形而引起换能器空间位置的微小变化；测深系统与定位系统的同步性也会对位置精度产生影响。而这一类误差是由定位设备本身所固有的，不同类型或同一类型但不同型号的定位设备其误差也不尽相同。因此，为了将测量点位归算的精度提高，必须将多波束各子系统及相关传感器的数据准确地融合在一起，尽可能的消除多波束测深系统的内部误差，如换能器的安装误差、光纤罗经的安装误差以及GPS的导航延迟等。而参数校正是为了消除多波束测深系统内部固有误差而引入的一种误差改正方法。

3 使用HYPACK软件中的HYSWEEP模块进行参数校正

HYSWEEP是基于HYPACK框架开发而成的功能性软件模块，其不但将多波束数据采集与编辑集于一体，而且同时具备实时影像显示、目标跟踪、质量控制、参数校正、CUBE数据处理以及生成执行与统计报告等多项功能，其中强大的数据编辑与成图功能是该软件模块的一大亮点。本文仅针对HYSWEEP模块的参数校正功能进行详细介绍，并利用南海海域多波束数据进行参数校正的方法演示。

在进行多波束测深作业时，由于导航定位延迟与纵摇偏差的存在会对采集的测量点位结果造成前后偏差，而在平坦海底区域艏向偏差仅会造成波束沿偏角的旋转，所以在平坦海底区域进行横摇校正时不会受其他偏差的影响，即横摇偏差校正独立于其他校正，故横摇校正可首先进行，也可在完成导航延迟校正、纵摇校正后再进行。本文所采用的顺序是导航延迟->横摇->纵摇->艏偏校正。

图1 HYSWEEP Editor加载校准测线后的界面

图2 HYSWEEP Editor参数校准界面

对于多波束系统中的导航定位延迟而言，可以通过利用GPS的1PPS信号实现时间的精确同步进而达到消除延迟的目的。本文所使用的是ATLAS MD30中深水多波束系统，为其配备的GPS接收机是美国SDS公司生产的SF-2050双频星站差分接收机，具有1PPS信号输出功能，因此，此次在进行多波束参数校正时直接跳过延迟校正这一步骤。

在开始参数校正之前需要知道横摇、纵摇、艏偏校正的方法。就横摇偏差而言，其校准方法是选择一处平坦的海底进行一条测线的往返测量,沿航向方向做垂直剖面获得波束在海底的垂直正投影，从而可以获得两个倾斜方向相反的海底面,如果横摇误差存在，图像上两个海底面会出现交角，如果误差不存在，则图像上两个海底面完全重合。在实际校正过程中,应不断反复校正计算,直到两个平面重合为止。在HYPACK软件中点击HYSWEEP->HYSWEEP Editor(64bit)根据需要加载参数校正的测线。

测线加载后选用A-B Cross Section and Path Test工具或是界面中的快捷方式进行校正剖面切割。当校准剖面生成后在Patch Test中选择要进行的校正类别，即GPS Latency、Roll、Pitch、Yaw中选择其一,以横摇校正为例，因此本次选择Roll选项。而后在Setting中选择校正调整方式，有Coarse、Medium、Fine三种方式可以选择，Coarse为粗略调整方式，对应的Angle/Time Step为1.00即每次进行校正调整的基础为1°；Medium为中间调整方式，对应的Angle/Time Step为0.10即每次进行校正调整的基础为0.1°；Fine为精细调整方式，对应的Angle/Time Step为0.05即每次进行校正调整的基础为0.05°。通常在进行参数校正时首先选择Coarse模式，然后执行Start Roll Test操作，同时观察界面右下角的Depth Error中的曲线形状变化，当出现粗略U型曲线时，则要更换为Medium模式进行重复操作直到U型曲线趋近圆滑，然后更换为Fine模式继续进行以上操作，直到U型曲线趋近完美。在执行Test过程中同时要注意观察窗口中波束条带的重叠情况，以此来判断是否已到达校正所需要求。当获取到满意的校正结果时，可以点击Test OK来完成此次校正过程，同时可以选择点击Save Test To History将校正结果存储起来，以便随时对此次进行的校正结果进行查证比较。

纵摇偏差、艏向偏差不同于横摇偏差，当在平坦海底区域进行测量时，它们并不会影响真实水深值的获取，只是会让波束测点发生移位。纵摇偏差与艏向偏差两者对获取真实测量值的影响是综合的，也是互相关联的，因此为了有效校正偏差对波束测点造成的移位，需要选取含有明显地形起伏变化或者显著特征孤立点的特殊测区海域来完成校正。就纵摇偏差而言，其校准方法是选择一处地形起伏变化明显的海域进行一条测线的往返测量，如果测区内存在显著孤立点，那布设测线时应该尽量使中央波束覆盖目标顶部，以此来减少艏向偏差的影响，同时应该保证船速不应太快，进而达到增加位置分辨率的目的。由于纵摇引起的位置偏差会随着水深的增加而变大，因此校正测区应尽可能选择在水深较大的区域进行，从而确保增加角度分辨率。如果纵摇误差存在，往返测线的多波束数据叠加图上会出现两个分离的目标点，如果误差不存在，则图像上两个目标点完全重合。在实际校正过程中,应不断反复校正计算,直到两个平面重合为止，HYSWEEP Editor中的操作过程与横摇偏差校正类似。

艏向偏差也称罗经安装误差，该偏差会引起波束位置以中央波束为中心产生旋转移位，使波束的平面位置发生变化，其特点为在中央波束处的移位为零，在边缘波束处的移位最大。因此校正时应选取具有显著孤立点或者地形起伏变化明显的海域进行，在目标两侧等距布设平行直线，要求测线间覆盖重叠度达到50%进行往返测量。如果系统内存在艏向偏差，往返测线会使目标物以中央波束为中心旋转一个的角度，以致两条测线的多波束数据叠加后成为两条交叉线，如果误差不存在则会是一条线。在实际校正过程中,与横摇偏差、纵摇偏差一样，应不断反复校正计算,直到两条线重合为止，过程同上所述。

4 结束语

HYPACK作为一款用于海洋调查和水道测量的综合性商业软件，其HYSWEEP模块的成功开发与问世给长期从事多波束技术研究与应用的科研人员提供了新的选择，开拓了新的视野，虽然还无法撼动CARIS软件在这一领域的地位，却也占据一席之地。尽管目前的HYSWEEP模块还存在人机交互界面不够人性化，参数调整界面比较单一等诸多不足，但却给今后多波束参数对比研究方面提供了新的契机。

[1]胡家赋，刘宇明.HYPACK导航系统在海洋资源勘探中的应用 [J].海洋测绘，2003，23（6）：21耀23.

[2]李家彪，王小波，华祖根，等援多波束勘测原理技术与方法［M］援北京:海洋出版社，1999:42-54援

[3]阮锐，邵海涛.多波束测深系统内部参数的检测与分析［J］.海洋测绘，2001， (4).

P62[文献码]B

1000-405X（2016）-12-276-2

曲佳（1982～），男，工程师，硕士研究生，研究方向为多波束声呐技术、物理海洋、海洋地质方面的应用与研究。