淺水多波束聲納性能解讀

1、淺水多波束聲吶在現(xiàn)代水文測量系統(tǒng)中的表現(xiàn)介紹根據(jù)與美國國家大氣和海洋管理局 （NOAA ）的分支機構(gòu)海岸調(diào)查辦公 室的合同，科學(xué)應(yīng)用國際公司（ SAIC）在 1995 年四月至九月期間進行了一次水 文調(diào)查活動，這是首次采用多波束側(cè)掃聲吶。調(diào)查活動使用了 SAIC 的綜合水文 調(diào)查系統(tǒng)（ IHSS），該系統(tǒng)集成了一個 Reson SeaBat多波束聲吶和一個 Klein 側(cè) 掃聲吶。調(diào)查活動在 Long Island Sound 和 Marthas Vineyard 附近水深 5.5 米至 60 米 區(qū)域進行。合同的要求包括實現(xiàn) 100%多波束覆蓋和 200%側(cè)掃覆蓋；在 450側(cè)掃 角度，試驗

2、測得數(shù)據(jù)要符合 IHO（國際海道測量組織） 標(biāo)準(zhǔn)，在更大的可用角度， 數(shù)據(jù)要符合 2 倍的 IHO 標(biāo)準(zhǔn)；非交叉軌跡的多波束“腳印”要大于 3 米；波束 間隙不大于 3m 3m ； 20m以內(nèi)水深，空間分辨率小于 1m，20-30m 水深空間分 辨率小于 2m，超過 30 米水深，分辨率下降 1%每米。本文討論了多波束聲吶以及相關(guān)傳感器和 IHSS 的選取、配置和校準(zhǔn)，使測 量滿足 IHO 標(biāo)準(zhǔn)。為了將多波束聲吶應(yīng)用到水文測量，許多事情（波束精度、 覆蓋、校準(zhǔn)器的應(yīng)用、數(shù)據(jù)量和吞吐量）都需要討論。一些實時處理工具被用來 修改 SAIC 的 IHSS，文章描述了第一次的調(diào)查活動。多波束聲吶的選擇

3、SAIC 開發(fā)了誤差模型和覆蓋模型來決定誤差容限和描述聲吶性能。誤差模 型是建立在 Pohner1的工作基礎(chǔ)之上的， 該模型分析了繪圖系統(tǒng)各部分誤差以及 估計了它們對系統(tǒng)總誤差的貢獻值。輸入到模型的單個傳感器誤差包括它的位 置、姿態(tài)、朝向、聲速、時間同步、延時。該模型的價值在于能夠讓個人明白怎 樣提高單個傳感器的精度，從而提高整個系統(tǒng)的性能。覆蓋模型控制波形尺寸、 波束寬度、船速，以及根據(jù) SAIC 的調(diào)查計劃軟件制定調(diào)查計劃。根據(jù)合同要求以及誤差模型和覆蓋模型的結(jié)論， 具有雙換能器的 SeaBat9002 多波束聲吶被選取。這個選擇基于 SeaBat 的更新速率和測量精度。雙換能器的 配置允

4、許的最大測量角度 1500.此外 Reson系統(tǒng)的波束模式是 1.50 的交叉軌跡， 同時可附帶 1.50、2.40、100 的沿跡調(diào)查，這使得波束覆蓋適合各種深度。在這些 調(diào)查深度，使用了兩個寬帶的發(fā)射波。波束發(fā)射頻率 1.5Hz-7.5Hz，使得沿跡波 束覆蓋不會影響調(diào)查速度。選擇 Reson 的另一個有意義的根據(jù)是， 在給定的側(cè)掃角度下， 其產(chǎn)生的數(shù)據(jù) 符合 IHO 以及 2 IHO 標(biāo)準(zhǔn)。誤差模型根據(jù) Huff et al2和 Du et al3研究成果估計 了 Reson的精度。如圖一所示，重復(fù)試驗和采用 Eeg 模型4對實時數(shù)據(jù)的誤差分 析表明，數(shù)據(jù)精度超過了原先的誤差模型的估計值

5、。除了 SeaBat9002聲吶， SeaBat6042處理器也被用來將角度測量信息轉(zhuǎn)化為 聲壓信息。根據(jù) SAIC 的要求，對 SeaBat6042 處理器做了改進，使它能夠進行 實時折射修正以及幾何修正。 其它的改進包括一個高精度定時接口， 一個能將數(shù) 據(jù)快速轉(zhuǎn)移到計算機的網(wǎng)絡(luò)適配器。 SeaBat9002聲吶安裝在一個直徑 8 公分的不 銹鋼柱，可以水平放置或者垂直放置。 一旦安裝固定， 它與參考羅經(jīng)保持垂直不 變。系統(tǒng)配置多波束聲吶通過一個接口連接著 IHSS，IHSS是 SAIC 的核心系統(tǒng)之一，基 于 UNIX 或者 OS 操作系統(tǒng)。這些系統(tǒng)接有許多導(dǎo)航聲吶和海洋用聲吶。 IHSS

6、 與 ISS-60 有很大的聯(lián)系，最早應(yīng)用于美國海軍。IHSS使用惠普 712 UNIX 工作站，通過接口與 Reson SeaBat6042和計算機 連接，能夠提供定時和導(dǎo)航信息。所有的相關(guān)的數(shù)據(jù)采用 GPS 系統(tǒng)時鐘同步。 時間延時測試表明， 所有采集到的用來測深的數(shù)據(jù)同步精度達 0.01 秒或者更好， 所有用來水平位置定位的數(shù)據(jù)，同步精度達 0.2 秒或者更好。水平位置的控制采用的差分 GPS 定位，通過一個私人的維護站提供校準(zhǔn)。 為了提供獨立的定位精度評估， 第二個差分 GPS 定位 美國海岸警衛(wèi)隊使用的，被投入使用。 IHSS 通過對兩組定位導(dǎo)航數(shù)據(jù)實時比較，如果差別大于門限值則 會

7、發(fā)出警告。姿態(tài)信息通過 TSS 335B提供，船艏數(shù)據(jù)則是通過 MK32 羅經(jīng)提供。誤差模型表明， 多波束聲納最大的測量誤差來自于聲速的變化， 由于測量地 區(qū)是近岸河口地區(qū)，水中物理特性變化迅速。試驗配置了 Seabat CTD，來實時 監(jiān)控聲速。數(shù)據(jù)經(jīng)過 SeaBat SeaCat STDs分析過之后，生成的聲速剖面被下載到 Reson 6042處理器中。IHSS還配置了一個 Klein 595 側(cè)掃聲納和一個 Polaris Eoscan系統(tǒng)。IHSS為 兩者提供定時和導(dǎo)航信息。側(cè)掃聲納的連接和覆蓋信息通過Eoscan 處理之后，送入 IHSS。數(shù)字化的數(shù)據(jù)直接在 Eoscan中 magn

8、eto-optical 媒介上取對數(shù)。工程測試適合淺水條件的陣列校準(zhǔn)程序修改自 NOAA 深水標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)程序。這些程序 用來修正多波束聲納陣列與羅經(jīng)傳感器的相對垂直， 驗證所有的天線和換能器的 偏移量得到了有效的補償。無論什么時候，任何一個系統(tǒng)組成單元發(fā)生了變化， 陣列校準(zhǔn)程序都會運行。 SAIC 開發(fā)的統(tǒng)計軟件用來自動測量縱搖、橫搖、船艏 等偏移量， 以便能用一個小時內(nèi)測得的數(shù)據(jù)來確定偏移量。 自動化程序還能提供 幾百個獨立的測量值， 用來計算合成的偏移角度， 結(jié)果比純手動計算結(jié)果要好很 多。在移除了最初的偏移角之后， 橫搖偏移量在 0.20 以內(nèi)，要求標(biāo)準(zhǔn)是 0.10.縱搖 和船艏的偏移量在

9、 1.00 以內(nèi)，要求是 1.50.在要求的空間分辨率內(nèi)， 對單個的測量 值，尤其是深度， 每個測量值的偏移量都符合要求。 橫搖偏移量的變化值和它本 身的測量值一樣滿足指定的精度， 縱搖偏移量在聲納測量范圍內(nèi)也是滿足期望值 的，船艏偏移量也符合導(dǎo)航的需要。在聯(lián)合調(diào)試時期，將各單元的修正結(jié)果輸入 SeaBat 6042處理器，進行了 1.50、 2.40 和 100 的波束精度測試。精度測量采用三種不同的方式。第一種方式，用每 個換能器垂直測量的海底深度與鉛垂線測量的深度進行比較。 與鉛垂線測量結(jié)果 相比，采用不同寬度的分辨率 0.05米的波束測量的結(jié)果平均有 0.06 米差別。鉛 垂線測量的結(jié)

10、果比聲納測量結(jié)果要大，然后對這個偏移量進行了補償。第二種方式，采用的是重復(fù)性測試，和Crews7 描述的方式相似。在一個100m 100m 區(qū)域內(nèi)，以每個聲納發(fā)射的五個波束中心作為參考平面。將120 個波束的測量結(jié)果與參考平面相比較。 這些差異用來計算平均誤差、 方差、均方差。 這種方式測量的誤差與誤差模型預(yù)測的誤差的比對結(jié)果如圖一所示。NOAA 采用的是第三種方式來定義 IHO 標(biāo)準(zhǔn)，以及檢驗 SAIC 用前兩種方 式測量的結(jié)果。這種方式也被納入到 SAIC 的校準(zhǔn)和分析軟件中，就是將多波束 數(shù)據(jù)與前文所提到的參考平面相比較。 任何在參考波束 5 米以內(nèi)測量值都會用來 比較，根據(jù)不同的波束角

11、和不同參考波束分類比較。 需要指出的是， 盡管單個參 考波束間的測量結(jié)果有較少的相關(guān)性， 但是由于多波束測量的密集性， 每個參考 點附近都有成千上萬的測量結(jié)果。根據(jù) NOAA 的標(biāo)準(zhǔn)，對于一個給定的波束， 如果 90%的波束潮汐修正值與參考點的潮汐修正值差別在 50 厘米以內(nèi)，則該波 束是符合 IHO 標(biāo)準(zhǔn)的。如果只有有 80%，則是符合 2 IHO 標(biāo)準(zhǔn)。第三種方式用 來確定水文調(diào)查中符合 IHO和2 IHO 標(biāo)準(zhǔn)的波束寬度。這些三個角度的沿跡測試 結(jié)果如表一 。水文調(diào)查系統(tǒng)中 IHSS 特征為了能夠使用多波束數(shù)據(jù)進行實時誤差評估， 一套校準(zhǔn)設(shè)備被投入使用。 一 些參數(shù)設(shè)置、船體吃水深度、實

12、時潮汐校準(zhǔn)數(shù)據(jù)被輸入到IHSS，換能器和天線的偏移量和誤差輸入到 SeaBat 6042處理器。通過測量螺旋槳的轉(zhuǎn)速來設(shè)定參數(shù) 和吃水深度， 因為船體垂直位移與螺旋槳轉(zhuǎn)速成函數(shù)關(guān)系。 所以螺旋槳轉(zhuǎn)速也作 為一個參數(shù)輸入到 IHSS 中，以及前面的垂直位移。 IHSS的設(shè)計，使得它也能將 潮汐的估計補償值整合到多波束數(shù)據(jù)中。IHSS 采用通用傳感器格式（ CSF），能夠追蹤記錄有多波束所有偏移量、監(jiān) 視、導(dǎo)航、聲速信息的文件當(dāng)數(shù)據(jù)在 IHSS 中取對數(shù)后，所有信息都會保存在 Reson 6042 處理器中，包括船只動態(tài)吃水和潮汐校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。根據(jù)以下原則，有些波束 會被遺棄：在工程測試中，是否滿足

13、1 IHO 、2 IHO 標(biāo)準(zhǔn)。 海底“足跡”是否超過了所允許最大范圍。在幅度或者線性測試中， SeaBat標(biāo)記的值是否值得懷疑。 每一個脈沖信號都會根據(jù)其導(dǎo)航的質(zhì)量、縱搖、橫搖、船艏等數(shù)據(jù)標(biāo)記；脈沖信 號對水文調(diào)查的狀態(tài)（在線或者離線）反映也會被標(biāo)記。實時顯示和繪圖程序， 以及處理程序根據(jù)這些標(biāo)記來選擇或者遺棄某一脈沖信號或者波束。 GSF 還能在 文件內(nèi)部記錄數(shù)據(jù)和文件的歷史處理信息。 這樣，一個多波束文件的從收集到處 理，直接記錄在文件內(nèi)部。另外一個實時信息設(shè)備能夠產(chǎn)生一個調(diào)查報告文件（ SRF），來控制系統(tǒng)和 數(shù)據(jù)的質(zhì)量信息。程序記錄每個傳感器產(chǎn)生的大量用來報告?zhèn)鞲衅鳡顟B(tài)的信息； 還有

14、操作員產(chǎn)生的信息或者事件，都保存在 SRF 中。數(shù)據(jù)經(jīng)過嚴(yán)格地分類，操 作員需要清楚那些報告嚴(yán)重錯誤的信息。 另外，采用彩色碼、 直角坐標(biāo)系來實時 導(dǎo)航并繪制海底輪廓圖。多波束水文測量中 IHSS 處理工具使用多波束聲納進行水文測量， 需要修改和合并深水多波束聲納技術(shù)， 以及 傳統(tǒng)的水文測量技術(shù)。 在準(zhǔn)備和實時調(diào)查前， 我們已經(jīng)討論很多事情， 包括精度、 覆蓋、校準(zhǔn)的應(yīng)用、數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)吞吐量以及連接性分析。為了完成這些事情， SAIC 開發(fā)了很多工具來處理水文測量環(huán)境中的多波束。本節(jié)簡要地討論了這些 處理工具。多波束校準(zhǔn)器和誤差： 數(shù)據(jù)處理的第一步包括單個數(shù)據(jù)流的誤差分析。 一個 水文管理系統(tǒng)

15、（ HMS）根據(jù) SRF 文件提供一個整體的誤差信息。導(dǎo)航和其它傳 感器的誤差，如果可能，則會被校正，如果不可能，受影響的波束或者脈沖竟會 被標(biāo)記上舍棄的標(biāo)志。其他的處理程序允許評估和再標(biāo)記多波束數(shù)據(jù)，在符合 1 IHO、2 IHO 標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上。在觀測到潮汐的基礎(chǔ)上再應(yīng)用新的潮汐校準(zhǔn)也是 可能的。應(yīng)用了自動誤差分析和校準(zhǔn)器之后， 手動檢查多波束數(shù)據(jù)異常值也是很有必 要的。因為水文調(diào)查是一件很嚴(yán)格的事情， 而且那些所謂的異常值也很有可能在 接下來的調(diào)查和異常分析中起到作用。 SwathEdit 工具有直接檢測多波束數(shù)據(jù)的 能力。前文描述的自動分析程序標(biāo)記數(shù)據(jù)； 如果操作員覺得那些被標(biāo)記為舍棄的

16、 數(shù)據(jù)不應(yīng)該被忽視，如果可以修改，則可以修改。通過與已經(jīng)被證實有效的、模 擬的側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)相比較，來確認(rèn)一個聲納的接觸和波束寬度是否異常。數(shù)據(jù)相關(guān)性： 多波束聲納和側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)的獨立分析是很有必要的， 為了確 定數(shù)據(jù)的有效性。 此外，還需要其它的工具把所有的數(shù)據(jù)放在地理環(huán)境中， 來校 準(zhǔn)聲納深度測量、 聲納相關(guān)性等信息。 一套基于地理信息系統(tǒng)程序的設(shè)備多 波束水文分析工具（ MBHAT ），用來促進空間數(shù)據(jù)的相關(guān)性。 MBHAT 提供最終 聲信號和覆蓋數(shù)據(jù)， 也能識別不符合要求的多波束數(shù)據(jù)和側(cè)掃數(shù)據(jù)。 多波束文件 中的測深數(shù)據(jù)是可追蹤的， 側(cè)掃數(shù)據(jù)也是有記錄的， 這樣， 異常值就能夠被有效 地

17、識別出來。 MBHAT 還被用于前文所述的精度和校準(zhǔn)分析。經(jīng)過校準(zhǔn)和編輯， 多波束數(shù)據(jù)讀入到 MBHAT 中，基于被標(biāo)記的脈沖和波束 進行覆蓋分析。如果發(fā)現(xiàn)了覆蓋的間隙，新的調(diào)查路線就會在 MBHAT 中生成； 這些新的調(diào)查路線會被輸入到導(dǎo)航系統(tǒng)。 側(cè)掃覆蓋也做了相似的分析， 基于聲吶的高度和設(shè)定值的范圍多波束深度數(shù)據(jù)可以采用可選擇的間隔讀入到 MBHAT 中。例如， 1 米的間 距是用來分析聲納間的聯(lián)系， 17.5 米的間隔是用來在一個 1:10000的比例產(chǎn)生可 選擇的測量值。任何網(wǎng)格層允許以多種格式對多波束數(shù)據(jù)進行靈活的分析。 MBHAT 最有用的工作是用彩色深度條或者等高線來觀察聲納間

18、的聯(lián)系， 這個聯(lián) 系是與深度有關(guān)的。這些深度層也用來估計水文數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)量和吞吐量： 此次工程研究中， Reson 多波束聲納數(shù)據(jù)采集速率大約 25Mb/ 小時，脈沖發(fā)射頻率 3.75-7.5Hz，平均每天工作 16 小時，一天產(chǎn)生的數(shù) 據(jù)量 400Mb，每條船工作 10天，數(shù)據(jù)量 4Gb。側(cè)掃聲納在 MO 磁盤中每小時產(chǎn) 生 120Mb 數(shù)據(jù)。此外 MBHAT 系統(tǒng)文件大約 750MB 。數(shù)據(jù)吞吐量與數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)處理效率有很大的聯(lián)系。 由于精度和可追溯性的 要求，傳統(tǒng)的水文測量是很需要勞動力的。 采用多波束測深側(cè)掃聲納產(chǎn)生的數(shù)據(jù) 較傳統(tǒng)的單波束調(diào)查系統(tǒng)多了三個量級， 但是由于使用了當(dāng)時運算速度

19、最快的計 算機，數(shù)據(jù)處理效率有很大的提高。 然而，像波形編輯和模擬側(cè)掃等步驟還是需 要人工完成，且費時費力。 MBHAT 雖然能對數(shù)據(jù)進行分析，但是還是需要水道 學(xué)專家進行審查，以便日后的調(diào)查研究。在船上的數(shù)據(jù)處理效率如下：通過 SwathEdit 對多波束校準(zhǔn)和誤差分析需要 一對一的操作； 側(cè)掃人工處理部分， 也是需要一對一操作采集數(shù)據(jù)。 多波束聲納 和側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)的綜合來進行覆蓋分析， 繪圖以及相關(guān)性分析， 對于熟練的人來 說，需要 12 小時每天。岸上的處理工作包括獨立數(shù)據(jù)的檢查； 校準(zhǔn)器的審計； 潮汐校準(zhǔn)的應(yīng)用； 各 種附加條款的審查； 最終報告的生成和數(shù)據(jù)生成。 岸上的處理時間和船上的處理 時間相近。結(jié)論本次調(diào)查結(jié)果表明， 對于較高的精度和覆蓋要求， 多波束聲納對于水文測量 來說是很有價值的工具。 校準(zhǔn)器和誤差分析對于提高精度很有效果。 校準(zhǔn)器的高 效利用，以及實時數(shù)據(jù)采集過程中挑出有用的數(shù)據(jù)對于最小化工作量十分有必 要。由于校準(zhǔn)器的使用是冗長的以及易錯的， 它的維護工作十分嚴(yán)格。 調(diào)查時間 和誤差條件必須實時自動識別和維護，這個過程是十分嚴(yán)格的。由于數(shù)據(jù)量，以及保證調(diào)查的精度，所處理的數(shù)據(jù)只有 1/6-1/5 被采納。為 提高效率，人工步驟應(yīng)該最小化，自動化處理過程應(yīng)該最大化；但是，還是需要 水道學(xué)專家對數(shù)據(jù)做出評價， 盡管自動處理工具提供了數(shù)據(jù)信息。 采