多波束测深系统在水深测量中的应用

文/ 姜颖 丹东航道管理处 辽宁丹东 118000

随着多波束测深技术的日渐成熟，在海洋测绘等方面的应用中形成了很大优势，多波束测深系统是一种多传感器的复杂组合系统，是现代信号处理技术、高精度导航定位技术，高分辨显示技术、高性能计算机技术、数字化传感器技术及其他相关技术等多种高新技术的集成。多波束探测能获得一个条带覆盖区域内多个测量点的海底深度值，实现了从"点- -面"测量的跨越，使外业测量更加方便、准确，大大提高了海洋测绘的效率。

与传统的单波束测深仪相比，多波束测深系统具有测量速度快、测量精度高、测量范围大、测量效率高的优点，并且实现了把测深技术从点扩展到面，甚至发展到立体测深和自动成图，特别适用于进行大面积海洋领域的测绘。

此次本单位对港区进行航道水下地形测量，就使用的是多波束测深系统，该系统主要由声波发射系统、GPS接收系统、信号处理单元、信号控制及时间门电路、换能器基阵水平稳定系统、便携式计算机、斜距记录单元、水深信号图示单元等主要部分组成。该系统的主要特点是能够实现对水下地形的动态实时定位，真正实现立体测深和水深数据采集的自动化。

基本工作原理：多波束测深系统是在测量船底部安装带有水平稳定系统的发射换能器基阵与接收换能器基阵，使基阵的工作面始终保持水平。并由双圆弧组合而成的发射换能器基阵，发射出心形状的单波束，在与航向垂直的平面内的开A角内，使用波束形成器组成M个波束接收水底回波，水底回波被多波束接收系统接收，获得M个水深信息。

由于接收换能器和发射换能器通常布设于船底平面的相互正交的线列阵，发射线列阵沿船龙骨方向。接收线列阵和发射线列阵形成相互正交的扇状指向性波束。测深系统的合成方向性是接收和发射方向性的乘积。合成波束照射的水底区域极窄，能高分辨率测定多个位置的水深。随船的航行，就能精密测定水底一定条带范围内的水下地形。

多波束水深地形测量分二个步骤，即外业测量的数据采集工作和内业的数据后处理成图工作。作业采用的仪器设备软件有：RESON SeaBat 7125多波束测深系统、QINSY外业测量软件、QLOUD内业成图软件。

1、外业测量数据的采集

（1）仪器设备的安放，本次测量使用的测量船，船长为40米，船宽为9米，吃水为1.9米，以测量船的重心位置设立参考点建立船体坐标系，把船舷右侧方向定义为X轴正方向，把船头方向定义为Y轴正方向，垂直向上方向定义为Z 轴正方向，把多波束测深系统安装在船体的右弦靠近参考点的位置，其中多波束换能器应安放在船体的右舷距离船体参考点最近的位置一定要固定好，以免测量过程中产生晃动和下沉等情况；GPS接收机天线应安放在船上较高的罗经甲板上，要避免船上桅杆的遮挡及无线电波的干扰，影响信号的接收效果；姿态仪应安放在靠近船体参考点的位置，尽量和水平面平行；电子罗经仪安放在船体的中心位置，方向与船头方向一致。

船体坐标图

（2）测量前的调试，仪器在船上各位置安放好后，应该对换能器安放位置相对于船体重心位置进行校准横摇值、纵遥值、艏摇值，把校准值输入测量软件中确定好位置。GPS接收机天线的位置也应进行姿态改正。同时对各个仪器进行检查调试，观察运行状态，信号接收质量等情况，在确定无误后，使用声速剖面仪对测量区域内的声速值进行测定，并将数值输入测量软件中。

（3）数据采集，各项参数设置好后，在计算机上根据布置好的测量区域，沿计划线进行多波束实时外业数据采集。此时计算机上将会出现实时采集的数据，方便测量人员及时观测水下测区情况，发现问题及时处理。

2、 内业数据后处理成图

多波束测深系统内业数据处理采用的软件是QLOUD数据分析成图软件，该软件有四个视图布局，可以让内业处理数据时从各个角度观察更加准确。

（1）在内业处理软件里，编辑原始文件，设置系统各项参数，调取外业采集的水深数据，参照记录数据通过视图布局窗口进行编辑处理。

（2）声速和水位改正，将声速剖面仪测得的声速值进行编辑后输入成图软件中，形成声速改正文件；再将各验潮站的水位值编辑成文件输入成图软件中，形成水位改正文件，将外业水深数据分别进行声速和水位改正。

（3）将所有改正过的数据在成图软件中进行人工编辑，对错误值进行剔除处理。最后将处理完成的数据按要求形成成果文件，绘出完整的水下地形图。

影响水深测量精度的几种因素及相应策略

（1）测深船航行姿态，在测量船的选择上，为克服测深船航行姿态对测量精度的影响，应选用稳定性较好、灵活的船只作为测量船。

（2）采样速率的误差，外业测量船行速度保持匀速，航向要与事先布置的计划线一致，转向时船速要尽可能的慢，以便将由于换能器的倾斜所带来的水深误差降至最低，为防止漏点，对存在碍航礁石或疑存礁石区域、航道边线均进行加密测量。

（3）数据后处理的方法，因多波束测深数据量非常大，外业采集的水深值经常会出现虚假值，内业处理中应划分区域，分区处理使测线都经过全部的检查，以保证水深成果质量。

近几年来运用多波束测量系统进行水下地形图的测绘已越来越普遍，它可以在大范围测量时不仅保证测量周期短，测量精度高，而且可以对水下地形情况进行直观的了解，保证了测量成果的质量。

[1]赵建虎，刘经南.多波束测深及图像数据处理.武汉大学出版社.

[2]JT/T790-2010.多波束测深系统测量技术要求.

[3]DZ/T0292-2016.海洋多波束水深测量规程.