基于RTK三维水深测量技术的多波束测深系统设计

应超然

(浙江省水利河口研究院(浙江省海洋规划设计研究院)， 杭州 310020)

0 引 言

多波束测探系统中融合多种高新技术，其中包含水声学技术、电子及计算机技术、现代数字信号处理技术等。该系统实质上是一个条带覆盖测深系统，其中包含n条同步波束，构成一个扇面，在应用时，通过声波发射和接收换能器进行发射、接收，从而获取高密度水深数据。较单波束的探测仪测量范围大，并且比其测深速度快，精度也较单波束的高。但是在测量过程中，会受到潮时差和潮差比等潮汐变化对水面高度的影响，探测过程中需要对验潮站水位控制，该参数的测量多为专职人员测量，这种测量方法不仅会增加工作成本，还会由于人为测定误差导致后期探测结果不准确。RTK即载波相位差分技术是一种智能信息处理技术，该技术在三维水深测量领域获得应用，并且也得到较好的应用效果。该技术能够对不一致的、不完整的数据做处理，直到挖掘到其中有用的信息后再停止计算，在挖掘后还能够将有用的信息以简洁的方式呈现给工作人员。基于RTK三维水深测量技术的这个优点，设计一个基于RTK三维水深测量技术的多波束测深系统，期望提高测量的效果。

1 多波束测深系统硬件设计

多波束测深系统硬件框架见图1。

图1 多波束测深系统硬件框架

通过图1可知，系统中主要由处理机、信号源、发射机、接收机、采集模块等组成，此次研究主要对接收机、采集模块、电源模块与数据发送模块进行设计。

1.1 接收机电路设计

接收机主要对海底反射回来的回波信号处理[1]，并能够将处理完成的信息发送到多通道采集系统中。接收机电路设计中采用AD8336芯片，该芯片具有高线性、单端输入、微弱噪声的特点，并具备以下性能：①增益缩放比例为50 dB/V；②供电电源电压为3～12 V；③正常工作温度范围为-50℃～125℃；④可以设定增益范围。

该芯片主要由电源供电接口以及增益控制接口等组成，在实际应用中，可以根据系统的使用需求，对芯片的端口电阻值进行改变[2]，以达到改变芯片输出电压范围的目的。具体实现方法见表1。

表1 芯片增益范围

通过表1可知，可以对前端放大器放大倍数改变得到最终需要的输出增益范围。

1.2 电源模块

电源模块对系统起到可靠性与安全性的作用。此次研究采用某公司生产的电源管理芯片[3]，型号为TPS75501KTTR，该芯片输出电压范围较广，能够达到1.22～5 V。当电流减小至10 uA时，芯片会停止工作，保护电路。

由于电路存在高频特性，若长时间应用会使其过热，严重情况下还会影响其使用寿命，为此设置电压监视芯片，以提供长期稳定的电源。采用TPS3307-33进行监视，主要特点如下：

1) 在使用时不需要在外接电阻[4]，因为其自身带一个20ms的延时复位。

2) 工作温度范围广。

3) 电压温度补偿，占用PCB的面积少。

4) 适用多电压处理体系，该芯片能够同时对3个电压监控。

1.3 采集模块设计

采集模块能够将采集的信号传递给系统进行后续处理。在采集模块设计中使用FPGA子卡[5]，通过对母板变换就能够实现不同的功能，特点如下：

1) 包含8个时钟锁相环，并包含嵌入式存储器。

2) 包含528个通用用户I/O。

3) 6 k～150 k的逻辑单元。

4) 存储速度高达200 MHz。

该器件功耗较低，并且具有高运算速度、高内存的优点，能够满足系统设计需求。

1.4 数据发送模块设计

在数据发送时采用CY7B923高速数据发送芯片，该芯片集成度高、功耗低，外围电路结构简单[6]。主要特性如下：

1)在进行应用时，支持多种传输协议[7]。

2)正常运行时，两种编码方式，能够直接传输不进行编码，还可以对数据编码编制成传输码。

3)支持光纤以及同轴电缆接口。

4)提供3种传输速率，可以根据用户自身需求选择低速、标准和高速.

5)具有较强的自检能力。

该芯片主要功能是将并行输入数据转换成串行差分位流输出，在高速传输过程中，为增强抗干扰的能力，可以采用适当的耦合方式，实现信号的传输。

2 基于RTK的多波束测深系统软件设计

2.1 三维姿态改正

RTK三维水深测量技术预先采用RTK测量得到GPS天线的三维坐标，在采用RTK技术测量水深，经过同步换算得到水深值，以完成水下地形数据的获取[8]。其测量原理见图2。

图2 RTK三维水深测量原理

图2中，H代表高程数据；h代表GPS天线到水面的高度；S代表探测仪测量的深度数据；B代表水深值；C代表水底高程。

以上简要介绍了RTK三维水深测量的过程，但是为了实现最优位置的有效判断，还需要在探测过程中做详细处理。

首先，初始化处理RTK技术的算子方差，将其表示为：

(1)

然后，在算子方法初始化处理过程中，进行多次处理。随着迭代次数的增加，会影响计算效果，为此需要不断调整。在调整过程中，计算每个子群的适应度值，计算公式为：

(2)

最后，将上述计算得到的结果按照大小顺序对探测得到的数据动态排序，排序后对数据转换：

(3)

式中：ΔX、ΔY、ΔZ为数据变换过程中的平移参数；εX、εY、εZ分别为旋转参数；ZS、YS、XS为源空间的直接坐标值。

通过上述过程对数据进行初始变换，但在计算过程中会受到潮流动态性的影响，导致计算结果不准确，为此需要做进一步的处理。

2.2 基于RTK的多波束测深实现

由于数据在采集过程中会受到仪器噪声、海况等情况的影响，使采集到的数据存在误差，从而使后续探测结果出现误差。为此，需要对测深数据编辑，剔除粗差，将真实数据保留下来，数据处理过程见图3。

图3 数据处理过程

同时，对系统动态潮位改正，使潮位之间在各维速度方面彼此独立，以实现动态调整。计算公式如下：

(4)

其中：

(5)

Gd(t)=0;Td=Td/k2

式中：k1、k2分别为常数；vid(t)为调节次数；Td为在第d维时数据的动态调整次数；E为阈值修正频率。

基于上述过程，能够保证算法得到全局最优解，直到得到最优的计算结果才停止计算，以此完成潮流误差修正，完成多波束测探系统软件的设计。

3 实例分析

为验证基于RIK三维水深测量技术的多波束测深系统的有效性，以某海湾为实验对象，该海湾内共有6条航道，该河段顺直、河宽小，两岸地形较为平缓，方便实验。

3.1 实验准备

在实验之前，做好准备工作。实验设备清单见表2。

表2 实验设备清单

在三维激光扫描仪安装上，需要采用精密的安装支架，将其与接收机安装在一起，使各个实验设备形成一个整体。并且需要保证各个设备的稳定性，保证测量数据不受到影响。

在实验中，将多波束测深仪器安装到船体的左侧，将其与船体上的螺丝与扣环固定连接，使其在船舶发生抖动时保证稳定性；将电源作为发电机，同时采用额定功率为700 W的UPS对发电机输出电源稳压处理；在数据采集上，将基站架设到试验区域的最高点，保证该仪器周围没有明显的遮挡物，没有电信号的干扰。测深数据采集过程见图4。

图4 测深数据采集过程

为使实验结果更具对比性，预先采集该探测区域内的数据，同时为了保证结果对比严谨，采集10次数据，取其平均数作为对比的实际数据。

3.2 测深精度对比

采用所提出的系统对该实验海湾内6个航道深度测量，为了增加对比性，先在距离基准站较近位置实验。深度测试结果见图5。

图5 距离基准站10 m时深度对比结果

在此基础上，对比距离基准站为40km时深度测量的精度，见图6。

图6 距离基准站40 m时深度对比结果

分析图5和图6能够看出，在距离基站10 m时，所提出的多波束测深系统与实际的深度值相差较小；在距离基站40 m时，所提出系统的测深结果与实际值的差值虽有增多的情况，但是误差最多不多于0.3 m。虽然基准站和观测条件变差，所提出的系统也能够保证较高的测深精度。

3.3 测深效率对比

进一步对比测深系统的应用效果，分析该系统的测深效率，结果见表3。

表3 测深效率分析

通过分析表3能够发现，在深度测量上，所提出的系统在距离基准站0 m、时间为9:00-10：00时花费的时间是最少的；随着基准站距离增加，测量时间越来越晚，测深的时间也随之增加。这说明测深系统会受到测量时间段的影响，但是增加的时间较少，效率仍然较高，在可以接受的范围内。

4 结 语

本文完成了测深系统的设计，并在实验部分验证了该系统的有效性。同时，也能够证明RTK三维水深测量技术的应用是有效的，不仅提高了测量的精度，还提高了测量的效率。实验结果表明，应用RTK技术后有效提高了测深效果，完成了多波束测深系统的设计目标，能够为多波束测深系统在实际应用中提供一定的帮助。