多波束测量数据处理关键技术研究

◎ 柯祥 福建省港航管理局勘测中心

多波束测深系统经过几十年的发展，随着测量精度也越来越高，其在水运工程中的应用也越来越广，其主要的应用范围有①水文测量；②搜寻水下碍航物；③海图、江图测量；④疏浚测量；⑤沿海敷设电缆管线时的调查和施工控制；⑥科研目的的水深调查；以下将以Teledyne Reson SeaBat T50-P多波束测深系统及CARIS HIPS and SIPS内业处理软件为例分析多波束测深系统的数据处理流程及几个关键技术。

1.数据处理流程

数据处理流程主要包括编辑船型配置文件、声速剖面改正、水位改正、剔除错误“飞点”、水底曲面生成、数据合并、数据抽稀、输出和绘图等过程。图1为数据处理流程图。

2.多波束测量数据处理技术研究

2.1 船型文件的编辑

以T50P采集的.PDS文件为例，在数据采集过程中已经加载了换能器吃水，HIPS在读取.PDS中的水深文件时，水深点的平面坐标是以换能器中心为参考点，以水面为Z值作为起算点，因此在船型文件设置中，不需要输入换能器的Z值，但是要输入XY值。

图1 Caris HIPS多波束数据处理流程图

同时，读取的GPS为原始定位数据，所以在HIPS中显示的轨迹线是原始轨迹线，因此在船型文件中的Navigation中，需要输入GPS相对于参考点的XYZ坐标，其中Z值参与计算GPS Tide。在数据预处理中，已经在PDS中进行过声速改正，所以在HIPS中不需要再做声速改正，因此在Heave、Pitch、Roll中需要选择不应用。

水线信息，如果不需要做GP S Tide计算，则不需要输入水线信息。如果需要做GPS Tide计算，需要输入水线信息，但是在Apply选项里选择不应用No。

2.2 声速改正

在多波束测量过程中，用到两种不同的声速值，一种是多波束换能器处的声速，即表面探头声速；另一种是水体各层的声速，为声速剖面。

声波在水中不会沿一条直线传播，其传播路径是折线。要得到多波束脚印的真实位置，必须对多波束脚印的运动轨迹进行跟踪，这一过程叫做声线追踪。声线跟踪所获得的波束足迹空间位置的计算，也称声速剖面改正。其目的就是将以波束角和声波来回传播时间格式记录的多波束原始数据转换成：沿航迹，垂直航迹及深度格式的数据。一般情况下，每天测量前后均需测量声速剖面。当海况变化较大时，还要加密声剖采集密度，以减小声速变化对测深精度的影响。

经声速剖面改正后，水深条带仍存在弯曲现象，呈现“笑脸型”和“哭脸型”，在HIPS中可以应用声线折射改正工具予以纠正。

在Swath Editor窗口中，选择Tools＞Swath Editor＞Refraction Editor尝试设置Depth和Velocity Correction的值，观察“笑脸”或“哭脸”的变化，当达到满意的平整度时，点击Add，然后检查整条测线重复以上步骤，点击Save，软件将自动保存声线折射改正系数以备重新合并时用。在“合并”时，选择采用已保存的声线折射改正系数（Apply refraction Coefcient）。

2.3 潮位改正

主要有两种方法：一种是单潮位改正：用于范围较小，潮位变化不大的测区；另一种是多潮位改正：以水深测点到各潮位站的距离反比为权，进行多站潮位的加权平均，进行改正。多潮位改正.zdf文件的格式如下：

其中：

[ZONE_DEF_VERSION_2]为多潮位改正功能版本；

[ZONE]第一行为区域名和多边形的角点数；以下行为各角点的坐标；

[TIDE_ZONE]指定与各区域有关的潮位站及潮位文件路径。

[TIDE_STATION]指定各潮位站的坐标。

[TIDE_AVERAGE]指定各潮位区域在进行潮位加权平均时将用到的潮位站。

[OPTIONS]包括二个记录:从第一潮位站转到第二潮位站之前的超时时间，以分钟为单位。潮位数据被装载到测线时的最终时间间隔，以秒为单位。

在加载多潮位文件时，应该勾选“Weighted averaging”。

2.4 多波束数据合并及剔噪

原始水深数据经过声速剖面改正后，已经将（波束角+声传播时间）格式的数据转成（相对船的水平位置+相对安装的深度）水深值。“合并”计算是根据罗经数据、GPS定位数据和潮位数据，将每个水深点的坐标从船坐标转换为地球坐标下的X、Y、Z数据。依据在船配置文件中定义的各传感器间的偏移和传感器误差，根据误差传播算法计算每个水深点的总深度误差和水平位置误差（TPU）。

经过“合并”，并计算出TPU后，就可以建立实时地域图及水深数据曲面，进行数据切片处理及剔噪，最终根据需求输出成果。

3.结束语

由于在多波束测深数据处理过程中涉及许多关键技术问题，在实际操作过程中经常会遇到数据质量不佳的情况。有些是有可变误差引起的，比如：系统安装位置、吃水改正、潮位改正、传感器固定的时延偏移、多波束校正参数，这些是可以通过内业数据处理进行补救的。但是诸如：时间同步不正确、声呐探头安装杆，运动传感器自身的运动，定位误差等这些属于不可以补救的影响，只能进行外业返工；多波束测深技术的不断发展，改变了海洋测绘的理论和方法。为适应这项先进技术的应用，充分发挥其价值，需要对多波束测量数据处理技术进行完全掌握。