多波束测深系统与扫测精度分析

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1、多波束测深系统与扫测精度分析多波束测深系统与扫测精度分析建材发展导向 2011 年 06 月质检?教学?研究多波束测深系统与扫测精度分析陈友行(福建福州 350009)摘要:扫海测量主要目的是为新设计港池及其航道范围内探明是否有危及航行安全的障碍物存在,以确定航道的通航水位或制定通航乘潮水位,绘制水下地形图,保证船舶通航安全.本文主要针对 Sonic2024 多波束扫测功能,亮点,结合试验数据简述系统扫测适用性及其扫海测量发现水下障碍物能力,并对扫测结果做出精度分析,控制海测工程质量,为海道测量提供高新,高效优质服务.关键词:多波束;扫海:试验;海测工程质量扫海测量作业方法主要有软式扫海,硬式

2、扫海,多波束扫海.软式扫海遇到平滑的礁石时其底绳不易拖挂障碍物而产生溜滑现象,造成浅点不予扫获而未能发现水下浅点;硬式扫海由于钢管下水过深时受到水流阻力加大易扭曲变形,影响扫测精度,在水运工程测量规范7.5.4 中已明确规定硬式扫海水深不易大于 4m 的技术要求,一般只适用于浅水,小范围的礁石扫测.软式硬式扫测规定只能低平潮或高平潮前后的小流速时段作顺流扫测.扫测工程一般存在自然和人为障碍物,多为水下地形复杂海区,需要重叠度全覆盖扫测,由于传统的软式硬式扫测受其适用条件的限制,难于满足现代港口的深水港池,航道工程发展需要.在扫海测量中多波束测深系统是当今水深测量和水底地形勘测的最先进的设备.它

3、能对所测水域进行全覆盖无遗漏的测量.能够客观全面地反映所测水域的海底地形,地貌.全覆盖,高效率,高精度是多波束测深系统的突出特点.因此,多波束以其对海底地物的识别无法比拟的优越性被广泛应用于扫海测量中.本文主要针对 Sonic2024 多波束扫测功能,结合在闽江港池,航道的试验数据,简述其在扫海中的应用,并对扫测结果做出精度分析,以提高海测工程质量.1Sonic2024 多波束系统构成及主要技术参数Sonic2024 是宽带高分辨率浅水多波束测深系统,可直接接入声速,潮位,首向,位置及姿态传感器等系统各配套设备;可在200400kHz 范围内实时在线选择 20 多个工作频率;具有条带覆盖宽度在

4、 10160o 范围内实时在线选择;波束脚印 0.5.0.5.有 256 个波束;系统最大量程 500m,量程分辨率 1.25cm,脉冲宽度 10USNlms.其系统组成如下图:图 1Sonic2024 系统组成2 多波束系统扫测功能测试2.1 多波束安装测试本文测试项目现场安装位于闽江内河青州港,仪器安装调试系统采用右手坐标系,以水面为参考面,以换能器连接杆与水面交点为原点,静吃水为 1.75m.动吃水为 0.08m.系统安装采用侧舷安装方法,换能器安装在左舷.外部设备(GPS 罗经,姿态传感器)与系统兼容性较好,数据通讯正常,工作频率为 400kHz,波束角开角为 140,安装实景如下图:

5、叠簟图 2 现场舷侧安装2.2 多波束安装校正多波束校正包括 GPS 延时,横摇偏差,纵摇偏差,艏摇偏差.进行多波束校正,首先要在特定的海底地形上采集数据,安装一次要校正一次,当更换设备或改变传感器位置都要重做校正.校正用的测线测量顺序不要求,但计算各校正的先后顺序非常重要,Latency 第一,然后是 Roll.Pitch 和 Yaw.GPS 定位的时间将不同于其输出数据给采集计算机的时间,通常 GPS 延时从 2001200ms;Roll 误差将导致水深值误差,是最重要的校正;Pitch 误差造成延航线方向的位移,位移值与水深成正比,水深越大位移越大;Yaw 误差引起边缘波束水深点的位置误

6、差.潮位将引起校正结果误差,因此做校正计算时还要注意潮位改正问题.以下标示校正外业作业技术方案:图 3 设计校准线本次试验项目系统校准,选择马尾新港区附近航道礁石区,采集三组均有特征地形各布设两条 200m 长测线,其中使用同一测线上相反方向相同速度测量两次数据做 Ro11,Pitch 参数;使用两条平行测线,测线间距要保证边缘波束有 50%重叠,以相同速度相同方向各测量一次做 Heading 参数.1 月 14 日以同一方法选三块水下地形做三组校准数据,解算软件采用 EIVA软件中 contour 模块.系统因采用 PPS 脉冲时间同步功能来控制电脑,传感器时间自动同步,故 TIME 值设为

7、 0,即不用做上表的1 和 3(低速)测线的延时校正,一组校正只开两条平行测线的三?5?一撇秕靴_胴撇舨黼硐硼椭艄一犏嘏勰撇撇0质检?教学?研究建材发展导 2011 年 06 川条航线即可满足校正参数计算.校准参数(以度为单位)见 F 表:日期 RollPitchHeading20l101.14-0.2560.6323.72020l1.01.1401840.72038002O11.O1.14 一 O.1440.7283960从卜表可看出,14 日三组校准数据中 Ro中误差 0.046o 小于技术要求的 0.05o;Pitch 中误差 0.043o 小于技术要求的0.3o;Heading 中误差

8、 0.100o 等于技术要求的 0.1.此处艏向Heading 中误差偏大与换能器舷侧安装以及在线船的航向影响有关,Heading 达到 3.96.对舷侧安装属于正常,此艏向校准对水深数据不影响,只引起边缘波束点的位置误差.现场校准多波束系统设置 400kHz 频率,140.条带覆盖宽,从现场实时采集数据和数据处理成果中看,该系统宽深比 4 倍左右,校准实测效果见图 4.图 4 三组校准(分三段各一组)实测效果图2.3 测试项目实施概述本次计划测试主要项目为:综合精度评定,包括内符合精度与外符合精度测试;测试系统对礁石或人造物标的复杂地形探测能力;系统对小目标分辨率(1m3 物体)的探测能力;

9、码头前沿桥桩,高桩测扫功能;软件的实用性和先进性.2.3.1Sonic2024 多波束测深系统综合精度测试Sonic2024 多波束测深系统综合精度测试,分别在闽江青州港区选择三个自然航道区域,现场采集数据分析统计水深综合精度.根据本单位在该区航道内原有水下地形图资料,选择自然航道区域内布设平行与垂直各六条测线作精度统计试验.其中通过中心波束纵横测线交叉水深重合点和多波束相邻两条测线边缘重合区的水深重合点统计测试内符合精度.其次通过单波束与多波束的中心波束水深比较,以单波束为垂直检查线比对多波束最终成图的水深重合点统计测试水深数据外符合精度.(1)测试评定多波束测深系统内符合精度试验实施在闽江

10、青州港区按设计方案,测区,作业程序,仪器操作规程采集现场数据,通过 CarisHIPS 后处理软件的内业数据处理,对扫测成果数据分析统计精度.通过同一测线不同方向覆盖重叠区,平行测线左舷覆盖重叠区和主测线与垂直检查线重合点此三个方案扫测数据成果,统计水深数据评定系统内符合精度.具体统计结果分别为:同一测线不同方向 97.97%,相邻测线重合区 94.74%,主测线与垂直检查线重合点 94.20%,均优于 J2032001水运工程测量规范限差规定,其统计图,表见图 57.现场内符合精度测试多波束系统设置 400kHz 频率,140.条带覆盖宽,从现场采集数据及数据处理成果中看,自然航道精度?6?

11、统计结果【卫一图 5 同一测线不同方向水深值精度统计结跟一地一0ak 一2一2h 一一黧“图 6 相邻测线覆盖重合区水深值精度统计鳍爿 I图 7 主测线与垂直检查线重合点水深值精度测试实测效果见图 8.图 8 自然航道(左)沙坡(右)实测效果图(2)测试评定多波束测深系统外符合精度在闽江青州港区采用海鹰 HY 一 1600 型数字测深仪安装在有舷与多波束换能器对称,单波束定位数据归算至多波束探头中心,位置无偏差且保持与多波束系统同步,静吃水 0.9m.埘测深成果数据统计重合点评定系统外符合精度.具体统计结果=l 测线与垂直检查线重合点精度符合比 84.5%,优于 J2032001水运程测量规范

12、7.4.8.2 的 80%限差规定,统计图,表见图 9.统计结果.=.t-t-4 上 n-一=jo=-l;一O 自 I1二磊=+一05】431三三=_二=盘一 021l5l_=#车一#菩峙卜昔一十手一0,#=I._=j07s2Illn_?Bf黼禁能图 9 主测线与单波束检查线重合点水深值精度,右附检查水深图2_3.2 礁石复杂地形扫测在闽江青州港区航道内选择自然礁石区,分别布设一条,建材发展导向 2011 年 06 月质检?教学?研究行与垂直测线,主要测试系统对礁石区的复杂地形探测能力,使用系统特殊功能在线调整扫描扇区,测试多波束系统设置 400kH140.条带覆盖宽,从现场实时采集数据中看出

13、,该系统宽深比4 倍左右,礁石区噪声较大.但从礁石区扫测结果看出,该系统能准确反映水下礁石的位置,形状,大小及深度(见图 lO).图 1O 礁石扫测轨迹线(左)实测水深(中)3D 实测效果(右)2-3-31I/13 障碍物扫测Sonic2024 多波束测深系统具有条带覆盖宽度在线实时可选功能,在 10160o 范围灵活选择覆盖角度,当选择一个较窄的覆盖扇区时,所有的声学水深点集中聚焦增加系统分辨率,以探测水底细小地貌特征.本次试验在 15m 深度河底平缓处经目标定位投放 0.6m 直径轮胎(图 11).自标扫测分别从探测物两侧作聚焦采集数据,扫测条带覆盖宽度开角设置 70.,频率 400kHz

14、,以便能精确反映水底探测物形状.试验成果可通过 DTM 模型来确认人造物目标的空间特征探测效果,图 11 为河底轮胎三维扫测效果图,从图中能明显看到定位投放点的实体目标,经量算河底实体目标高 0.3m,长 0.6m,宽 0.5m 基本接近实物尺寸,形状,从对比图片资料可看出,该系统在扫测 lm3 左右特征物分辨率符合“技术参数“规定要求.图 11 轮胎实物(左)目标探测物扫测三维图(右)2.3.4 码头前沿桥桩扫测测试项目采用多波束在 200400kHz 范围实时在线选择高频率,在 10160.范围实时在线波束聚焦选择覆盖角度和在线相控阵实现波束导向此系统的三个功能扫测水工桥桩精确位置.本次试

15、验系统选在马尾青州港区红山油库高桩码头前沿方向布设一条测线,宽度为 4060m,多波束系统采用 400kHz 频率,90.条带覆盖宽和在线垂直地形模式扫测码头前沿水下桩位.从扫测效果对比图(图 12,13)可清晰看出,该系统在高桩码头等特殊水工物体中扫测(5 个桥桩,8 个高桩),有较高分辨率,同时在 CARIS 软件中亦可看出码头壁干扰噪声信号明显,需精细虑波效果更佳./图 12 红山油码头桥桩实物(左)码头前沿扫测 2D 图(中)及 3D 图(右)图 13 红山油码头高桩实物(左)码头前沿扫测 2D 图(中)及 3D 图(右)2.3.5 软件的买用性R2Sonie2024 多波束测深系统使

16、用主要软件中,EIVA 导航软件为 NaviPae 定位模块和 NaviScan 数据采集软件;CarisHIPS为后处理软件(船配置文件编辑,投影参数设置,数据转换,数据质量检查,声速校正,潮位校正,滤波,成图和三维模型制作等);多波束安装校准为 Contour 数据处理软件.从现场安装,操作及内业数据处理可看出,EIVA 导航采集软件设置及使用中,数据格式与大部分软件兼容性好,能实时导航和实时采集定位,测深,姿态等原始数据及相关信息,实时监测数据质量.Contour 软件校准数据处理速度快,计算参数精度高.CarisHIPS 功能强大,编辑能力强,能进行声速,水位,动吃水等改正,完成坐标转换输出水深数据等,且 2D,3D 图较为精细,效果好.3 扫测验收结论Sonic2024 多波束测深系统轻便,小巧,低功耗(50W),经过本次验收方案测试,从现场数据采集,数据处理,精度统计分析,特殊功能监测,本人认为该系统仪器安装调试简