多波束测深系统在水域安防系统中的应用∗

陈孟君 谌启伟

（宜昌测试技术研究所 宜昌 443003）

1 引言

多波束测深系统作为海底地形地貌测量的主要手段之一，其具有测量覆盖范围广、测量速度快以及测量精度高等优点，与单波束测深系统不同的是，多波束测深系统将测深技术从点、线扩展到面，具有记录数字化和成图自动化等特点，非常适合开展大面积的水底地形测绘，能广泛应用于各类大型水下工程中，随着导航定位技术、数据处理技术、水声技术及电子技术等的快速发展，多波束测深技术正在海底、湖泊、航道等测绘以及港口、防波堤、桥墩等水下设施安全检测领域中发挥着越来越重要的作用［1～3］。

随着我国综合国力的不断增强以及在国际上的影响力持续提升，我国越来越多地承办各类大型国际性赛事、会议、展览等，部分活动往往依山傍水，靠近江、河、湖泊、水库等开放水域或直接在水上举行，如2010年上海世博会和广州亚运会、2014年南京青奥会、2016年杭州G20峰会等，这给相关水域安保工作提出了严峻的考验和挑战。

本文以Sonic 2024多波束测深系统为基础，通过介绍其原理、组成和功能特点，并结合测深和比对技术介绍了其在南京青奥会水域安全保障系统中的应用。

2 多波束测声系统概述

2.1 多波束测深原理

多波束测深系统利用发射换能器基阵向水底发射宽覆盖扇区的声波，并利用接收换能器阵列接收由海底反射回来的窄带回波，如图1所示原理示意图。发射基阵和接收换能器基阵互相垂直形成米尔斯交叉阵，通过发射、接收扇区指向的正交性形成海底地形的交叉测量点（波束脚印），通过对这些交叉测量点进行专业的处理，一次测量就能给出与垂直航向的垂面内数百个水底测量点的水深值，当多波束测深系统沿指定测线连续测量并将多条测线测量结果合理拼接后，便可得到该区域水底地形的三维特征［4～6］。

图1 多波束测深原理示意图

2.2 系统组成

所用的Sonic2024多波束测深系统，它是由美国R2sonic公司研发的一款高精度多波束测深系统，该系统主要由多波束声学基本单元（发射、接收换能器基阵、声纳数据集成盒等）、声纳控制软件、辅助设备等部分组成。辅助设备主要包括ODOM表面声速探头、ODOM声速剖面仪、OCTANS罗经运动传感器、Trimble信标差分GPS系统、实时数据采集处理系统、数据后处理计算机等，其主要功能是实现瞬时位置测量，作业船的姿态和航向以及声速测量，进行声信号、导航定位、船姿态和声速剖面等观测数据信息的综合处理，最终完成测量点波束印迹坐标和深度值的计算［7～9］。多波束测深系统组成如图2所示。

图2 多波束测深系统组成框图

2.3 功能特点

Sonic2024多波束测深系统可以根据用户需要并结合水域情况，能够实时在线调整测量开角，调节范围最大可达到160°。系统能够在200kHz～400kHz范围内在线连续调频，有20多个工作频率可供选择；系统具有256个波束，其沿航迹方向波束角为1°，沿垂直航迹方向波束角为0.5°，最大量程可达500m。

辅助设备ODOM表面声速探头和声速剖面仪主要用于测量系统工作水域的表面声速和剖面声速，以修正水温、压力不均匀引起声速的变化，以便得到更好的测量效果；Trimble信标差分GPS系统用多波束测量时的导航和定位，其水平方向定位精度可达0.25m；OCTANS罗经运动传感器对测量船瞬时姿态信息和航向等数据进行实时测量，其横摇（Roll）/纵摇（Pitch）动态精度为0.01°，航向（Yaw）精度为0.1°，用于对多波束扫测数据进行校正补偿

该系统具有测量快速、高效、精准的优点，特别适合进行大面积海底、湖底等水下地形的测量。

3 水域安防系统中的应用

3.1 项目概况

南京青年奥林匹克运动会吸引了约200多个国家和地区的数千名运动员参加比赛。这是继北京奥运之后，中国举办的又一个重大奥运赛事。根据赛会安排，金牛湖赛区承担了南京青奥会的帆船比赛，其水上竞技赛场分为A、B两个赛区，见图3，其中A区为竞技赛场水域，位于金牛湖水域西侧，平均水深11.88m，水域面积近2000亩；B区为运动员训练区，位于金牛湖水域东侧，平均水深8.42m，水域面积约1800亩。

图3 金牛湖赛区示意图

为保证金牛湖赛区水上帆船比赛顺利进行，需采取有效可行的水域安防措施以保障比赛水域安全，而排除湖底可疑危险物的潜在威胁是水域安保工作的重点。针对金牛湖赛区水域宽阔、纵深大的特点，需通过专业设备对湖底进行全覆盖探测摸排，对探测到的水底异常目标进行标识、定位，必要时由专业人员对水下可疑目标进行识别、确认和处置。由此制定了如下安防实施方案：赛前数周对比赛水域进行首次水底全覆盖扫测和初步摸排，对水底异常目标进行标识或确认。赛前数天对比赛水域水底再一次进行全覆盖扫测，测量结果与首次测量的进行比对，对新增的水底目标进行重点排查。本文接下来介绍Sonic 2024多波束测深系统在金牛湖赛区水底安全检查中的具体应用。

3.2 设备安装

Sonic2024多波束测深系统的发射和接收换能器基阵均通过支架安装在测量作业船的右舷，各基阵应安装牢固，不得有抖动现象。表面声速探头安装于换能器导流罩上，GPS天线固定在换能器安装支架顶部，且上方无金属物遮挡或屏蔽；罗经运动传感器安装在测量作业船的中心轴线上，与换能器的连线垂直于中心轴；为测量各传感器的位置偏差，以湖面与换能器基阵安装杆的交点为参考原点建立测量船体坐标系，通常定义X轴正方向为测量船右舷方向，Y轴正方向为船艏前进方向，Z轴正方向为垂直向上，据此坐标系量取各传感器的相对位置偏差值，记录各传感器相对位置参数见表1。

表1 传感器的相对位置参数

3.3 参数校准

1）系统参数校准

Sonic 2024多波束测深系统校准至少布设两条长度约500m～1000m平行测量校准线，两条校准线之间的距离约为平均水深的3倍～4倍，利用其中一条测线在平坦水域以5kn～6kn航速往返测量的条带断面数据修正横摇（Roll）偏差值；利用水深变化较大的特征地形（凹坑或暗礁）在同一条测线以同速往返测量的中央波束数据修正纵摇（Pitch）偏差值；利用特征地形水域两条不同的测线分别以同速反向各测量一次，测线之间的波束需达到50%以上覆盖率，并且将测量的重叠区波束数据来修正艏摇（Yaw）偏差值［10～13］。本项目中多波束测深系统换能器的安装调试进行了两次，每次安装固定后都进行了校准测试，校准参数见表2，将两次校准参数平均后输入多波束数据处理软件，从而对多波束系统安装校准参数进行修正。

表2 系统安装校准测定参数

本工程采用的多波束测深系统同步采集秒脉冲数据和GPS ZDA数据，将其系统时间与GPS时钟同步，无需延迟（Lat）校准。

2）声速测量校准

由于水深、温度和盐度的变化，水声信号在水中的传播速度会不断变化。金牛湖为内陆淡水湖，其平均水深也不大，水深和盐度的变化对声速的影响很小，可以忽略，但是夏季温差变化造成剖面声速变化的影响是不可以忽略的。因此本次测量工程中，每个工作日均会通过声速剖面仪对不同的测区、不同时段的测量区域进行声速剖面测量，其中每个工作日上午和下午作业前分别测量一次。

根据8月份金牛湖现场声速剖面仪测量数据统计，上午8时平均气温约25℃，测量统计的平均声速约1496.7m/s，下午气温较高，达到35℃～37℃，经过一天的暴晒后水温也较高，下午15时，测量统计的平均声速约1508.5m/s。

声速剖面仪测量的深度剖面声速数据辅以表面声速探头在多波束换能器附近实时测量的声速数据，可用来修正由于声速变化引起的测量误差，从而提高测量精准度。

4 测量数据处理及结果分析

4.1 测量数据采集及后处理

多波束测深系统通过Sonic控制软件和第三方数据采集软件进行参数设置、数据采集及数据质量监测；多波束测量后处理软件对多波束原始数据进行数据转换、潮位及声速剖面数据修正，通过检查每条测线的定位及姿态数据，同时剔除相关的异常点，并对线模式进行逐条编辑，然后对分区模式进行子区编辑，最终通过Caris GIS软件进行数据压缩处理，生成相应的（x、y、z）坐标数据，利用校准测量数据完成罗经运动传感器Pitch、Roll和Yaw值的校准，数据处理过程中剔除相应的测量噪声［14］，最终形成水深图和曲面图，从而形成更直观的水底三维地形图。

4.2 测量数据滤波及曲面滤波

测量过程中，测量船受自身尾流、其他船只尾流扰动及泥沙的影响，可能会对测量结果造成一定的干扰，通常会形成大片的水深数据异常点。为处理这些可能的异常数据，可以通过设置不同的滤波参数对这些异常数据进行处理。

测量数据经过滤波后，可生成相应的水深数据曲面，对于曲面中可能出现的一些超出滤波范围的约束点，通过设置适当的误差置信度来剔除部分波束跳点，进而提高曲面滤波效果。

测量数据在实际处理过程中，可通过选取水下地形起伏较大的一块区域作为参考水域，并设置不同参数的误差置信度，对比其滤波效果，根据最优的滤波效果匹配出最优的滤波参数，据此开展参考区域的曲面滤波，从而拓展到整个湖底的水深曲面。

为确保比赛水域湖底扫测结果的全覆盖，在进行扫测数据处理时，需对每条测线左右相邻条带拼接情况进行逐一查验，以确保各测量条带之间的水深符合度良好，拼接图形在空间上数据基本吻合，无突变，空间投影信息及相关参数保持不变，保证重叠区域位置基本无偏差，一致性好，从而达到湖底全覆盖、无漏测的要求。

4.3 测量结果分析

1）首次测量结果分析

赛前某个时段，通过多波束测深系统首次对金牛湖水下地形进行全覆盖测量，经数据采集和后处理得出如图4所示的金牛湖水下三维地貌和图5所示的完整二维地形图。

图4 第一次扫测湖底三维地貌

图5 首次扫测完整二维图

从测量结果中可以看出金牛湖水下地貌特征。

（1）金牛湖堤坝前沿原为人工水库，水库建成前有蓄水区、养殖塘、人工拦水坝、溪流等痕迹，这与走访常住附近年长者了解的情况基本吻合，水下地形地貌复杂，水深变化较大，最深处深达15m。

（2）从坝前向北450m处，水下出现数条高度约1m南北走向沙丘。

（3）该水域在人工建成以前，有明显两条河流，一条从坝前深水区流向北侧，一条流向东侧。

扫测中也发现部分隆起可疑点，分别对其进行定位标记，如图4（b）圆圈部分所示，然后通过释放水下机器人进入湖底水域，对可疑点逐个进行近距离光学成像识别，确认了这些可疑点为水下原始土堆形成的小山包，未发现异常物，逐一排除了潜在威胁。

2）第二次测量结果分析

临近比赛前几天，再次对金牛湖水下地形地貌进行了全覆盖扫底测量，经数据采集、处理和分析后，同样得到了如图6所示的金牛湖水下三维地貌和图7所示的完整二维地形图。

图6 第二次扫测湖底三维地貌

图7 第二次扫测结果

从两次扫测图对比中可以初步判断：第二次测量结果与第一次测量结果十分接近，第一次扫测发现的部分隆起可疑点，在第二次扫测后同样存在，如图6（b）图中圆圈部分所示，未发现新增的水底异常目标，至此，水下威胁可排除。

4.4 测量结果比对分析

为对两次测量结果进行精确而全面的比对，本项目采用了基于Esri公司的地理信息系统软件ArcGIS10，能进行地图制作、空间数据分析、管理及信息整合等，通过Raster Calculator工具算法，将首次测量的金牛湖水下地形数据与第二次测量的水下地形数据进行了比对分析。两次扫测地形叠加比对如图8所示。

图8 两次扫测地形叠加比对图

比对分析结果显示两次测量深度误差在0.3m以内的比例为88.4%，两次深度误差在0.5m以内的比例为98.7%，其余1m以上较大误差是由于噪音、插值等原因，及测量船抖动过大导致边缘误差较大等因素引起，不是实际地形起伏误差。通过两次扫测结果比对分析，两次扫测测绘出的金牛湖水底地形图基本一致。对第一次扫测发现的可疑点进行了水下机器人近距离检查识别和确认，排除了威胁，第二次扫测时，湖底相同位置的可疑点仍然存在，判断为正常。与第一次扫测结果对比，第二次扫测结果显示水底无新增可疑目标，可排除水底威胁。

5 结语

本文以南京青奥会金牛湖赛区水底安全检查为例，介绍了多波束测深系统在南京青奥会水域安防系统中的应用。通过现场测量，获得了较为直观的湖底三维地形特征，多波束测深技术利用其成图清晰、定位准确的优点，实现了水下隐蔽工程可视化和定量化，是指导水下地形测量和水下工程设施安全检测的有效方法。另外，除了开展水底地形测量之外，多波束测深系统也可采用换能器水下安装朝水面发射的工作方式，安装于主航道水下，对过往的船只船底进行安全检查，既可以检查船舶底部是否附着或拖带可疑物，以防止其携带危险物进入船闸、重要港口码头或非法走私，又可以检测船舶吃水情况，防止其超吃水航行造成搁浅，影响航运，实现陆上人员肉眼无法完成的安检任务，多波束测深技术可望在水域安防及水下安检领域发挥重要作用。