浅谈精密海洋测量与数据处理技术及其应用进展

2022-11-27王金魁祁凌云曾鹏张超瀛王如婕

电子测试 2022年13期

关键词：波束数据处理海洋

王金魁，祁凌云，曾鹏，张超瀛，王如婕

（中船（浙江）海洋科技有限公司，浙江舟山，316100）

0 引言

本文在概述我国海洋测量与数据处理技术的同时，探究精密海洋测量与数量处理技术在海洋生产中的应用，为促进我国海洋精密海洋测量与数量处理技术的进一步发展提供理论依据。

1 海洋测量技术

海洋探险的出现，促成了海洋测量工作。早期人们通过观察、记录星体运行来确定航线。16 世纪六分仪的诞生，标志着人们开始采用定量化方法来确定船只的航行方向、位置，与此同时人们开始应用多种仪器包括铅锤、测量杆等开始了水深的测量。1950 年以来，电子技术的飞速发展，定位、定向、探测理论、技术取得了质的发展，海洋科学测量也取得了十足的进步，海洋测量的服务对象，也从简单的航海工程不断向海洋资源的开发、海洋生物的保护等多领域发展。我国航海源远流长，历史悠久，对世界航海事业的发展做出巨大的贡献，早在600 多年前，郑和下西洋开创了人类航海的先河，并留下了详细的古代航海图，遗憾的是清政府的闭关锁国，中国丧失了早期航海史上所取得的优势，错失了十五世纪大航海时代所带来的海洋测量产业的飞速发展。新中国给成立以来，国家尤其注重海洋测量工作，专门成立了海洋测量研究结构，并投入了大量人力、物力、财力等，用于海洋测量。电子信息化时代的到来，我国海洋测量与数据处理技术取得了飞跃的发展，已经完成了我国海域及其港口的航海图测量工作，并完成了大陆架测量、沿海矿藏勘测等工作，为我国航海事业的进一步发展、海上贸易及其海上防卫工作等提供了有力支撑。

1.1 多波束测深系统

与早期的单波束相比较，多波束的出现，极大的扩展了海洋测量的方法，有效的提升了海洋测量的效率，并实现了数字化记录、自动成像化记录，将原有的点线测量升级为平面测量，甚至实现了立体化测量、自动化成像。将海洋侧身技术发展提升到了一个新的高度。我国于上世纪八十年代中期开始着力于多波束测试系统的研发工作，当时由于资金、技术方面的不足，仅限于理论性、原理性试验的研究，直至上世纪90 年代，哈尔滨工大、海军大共同研发，首先提出了多波束测深系统——H/HCS-017 型多波束测深系统，不仅具有千赫兹以上的工作频率，而且实现了多波束工作，探测深度可达1km，探测覆盖面积可达4 倍水深。虽然在海洋测深方面仍存在诸多不足，但多波束测深系统的研发，标准着国家海洋测试技术装备达到了商业化标准，21 世纪，我国相继研发出便携式高分辨浅水多波束测深，大大提升了测量的时效性，具有极强的创新性和适用性。

历经多年的发展，波束测深技术在国内取得了飞速的发展，无论是设备的结构设计，还是观测精度都相当的成熟和稳定。不同型号之间的勘测差异日渐缩小，从世界范围来看，现有的商用多波束测深系统的精准度远远超过了IHOS-44 标准，新时期，随着多波束测深系统的逐步升级，其对数据的处理、监管、评估，是现代多波束测深系统首要解决的问题。

1.2 机载激光测深系统

早在80 年代中期，国内就开始了机载激光测深理论研究和原理性试验，进入19 世纪中期，国内机载激光测深系统研究才取得了实质性进展。时至2001 年，在国家项目资助下，中国海军大、上海激光所研发了我国的第一台机载激光测深系统，其测深距离达到了50m，精度范围±30cm，效率效果高达50km2/h，系统研发过程中，历经多种改正，克服了多项关键技术难题，突破了多项理论技术难题，终达成预期目的。其做为海底地形测量的辅助手段，机载激光测深系统、传统声学技术的有效结合应用，是未来机载激光测深系统发展的重要方向。现阶段，科研人们全身心投入激光发射频率、最浅测深能力的开发。不断提升激光重复频率。机载激光测深系统的应用，更加突出了航空遥感测试技术的重要地位。

1.3 无验潮测深系统

测深、定位做为海洋测量的基础性工作，随着卫星定位技术、精密探测技术的不断发展，海洋环境测量精准度得到了有效提升。新技术、新工艺的应用，大大提高了海洋测量的精度、深度的同时，拓宽了海洋环境环境信息获取的途径。面对不断变化的海洋信息数据，越来越繁琐的数据归算。潮汐归算最为海洋信息数据中最典型的动态测量数据，为了不断提升验潮效率，降低耗材。近年，国内外的专家全身心投入高精度GPS 测高技术研发，经过数年努力取得了一定成效。时至2003 年，我国海洋首次通过GPS 动态信息技术，借助信息科学技术，进行了高精度GPS 定位、动态海图导航、图像处理等多位一体无验潮测深技术，该技术的提出，可谓是国内海洋测深处理技术的重大破图，研究者们以此为基础，提出了GPS海洋测深处理模型，传统的设台潮汐观测方式逐渐被取代，实现国内海洋抄袭观测的跨越式发展。

现阶段，我国海军全身心的开发海洋精密单点定位技术，深入开发海洋战场测量绘制，为其在海洋测量领域的进一步发展提供专业基础，不断扩大海洋测量质量，提高我国在世界海洋领域成果，占据世界海洋领域的主导地位，为海洋高技术发展提高支撑。

2 海洋数据处理技术

信息处理技术是海洋测量作业中重要环节，早在上世纪八十年代，我国就开始致力于海洋测量信息数量的采集、处理。时至1985 年，我国海军研发第一套近海水数据采集自动系统，于1986 年成功应用于市场。时间来到1990 年，我国成功研发了具有多种功能的海洋信息采集自动生成系统，可用于不同类型传感数据的采集、记录、转换、储存、处理、应用，并具备一定的导航功能。历经20 多年的理论和实践研究，国内第一台模块化、标准化海洋信息处理系统于20 世纪末研发成功，不仅实现了海洋测量全过程数据的自动化采集、合成，而且实现在作业过程中，船只轨迹的测量显示，方便作业人员监测的同时，引导船舶航行。更为重要的是，通过计算机的实时监测数据，能够有效防止测量报废事件的发生。并可对现场捕获的数据进行图像处理，使测试人员准确掌握测试区覆盖情况提升工作效率的同时，测量成果质量得到保障。近年，随着电子信息技术的发展，海洋数据处理系统朝着集成化、硬件平台小型化、通用化方向不断发展，与此同时，系统的稳定性、可靠性、抗变形能力得到了广泛提高。

2.1 海洋处理处理工程

在海洋测量数据自动化采集系统研发的基础上，研究者开始着力于海洋数据处理技术。1999 年，我国首次研发了海洋数量测量、成像软件，并在随后的时间内，不断的完善、不断的补充。时至，2001 年，国内自主研发的综合性海洋测量数据处理系统，不仅能够进行各种海洋信息数据的成像测绘，而且能够实现潮汐分析、磁力数据处理等，几乎涵盖海洋测量的方方面面。近年，国家出台的《海洋测量规范》约束下，综合性海洋测量数据系统的应用，不仅使得海洋测量的准确性得到了大幅度提升，而且实现了海洋测量的标准化、自动化、智能化，大大提升了海洋测量数据的可靠性、稳定性，可以说是海洋测量数据处理的一大变革。

现阶段，依据国家海洋作业部队的需求，我国海洋研究主要致力于多波束测深数据处理系统的研发，在充分借鉴国外先进经验的基础上，国家以国际先进水平为目的，通过在自主研发的方式，开发研制适合于国内国情、国内特色的，并具有自主知识产权的多波束测深数据处理系统。

2.2 海洋测量误差处理技术

国内研究者通过不断的实践，不断的改进声速，不同实现了水文统计，准确计算出近海海域回声测深改正。更为重要的是，通过潮汐改正，研究者们借助信号处理理论，按照时差解算法，不仅解决了传统上的多站潮汐改正等多方面问题，同时利用数理统计方法——基准面归算法，采用潮位拟合方法，对深度基准面、海面均值进行计算。与此同时，有学者引入抗差估计理论进行海洋测量数据处理，大大的提升了海洋数据测量的准确性。与此同时，有研究者采用方差分析方法，构建了海洋测量系统误差的显著性分析方法，构建海洋测量系统误差显著性检验标准，据此补偿区系统误差、测线误差的计算。

3 海洋测量信息应用技术

3.1 海洋空间地理环境应用

随着现代信息技术的不断发展，海洋测量和数据处理技术正由纸质化方向逐步向数字化方面过渡，不仅是海上航行的安全保障，更成为海洋战场态势工具，乃至成为海洋战场环境的核心数字产品。更为重要的是，为不断适应海军作战环境发展的要求，国内海军根据海洋空间地理环境测量数据，通过不断技术攻关，成功研发了海洋导航系统、海洋地理环境仿真系统等多种海洋信息化产品，成为了国家海洋战场环境的建设保障。现阶段，国家通过数字化海图、海洋GIS 和指挥自动化等技术融合发展，力争提升我国海洋战队综合力。

3.2 海洋磁场测量信息应用

海洋磁场作为海洋物理环境的不可或缺部分，通过海洋磁场的研究，一方面能够准确的掌握海洋物理信息，包括时空、空间数据等，另外为海洋生态环境的研究提供基础。近年随着国家专项基金的不断投入，国内现货进行了海洋磁场信息测量，包括水下障碍物勘测、潜艇勘测、海下武器制导等测量，尤其是在海下小目标勘测方面国内海洋磁场信息测量取得来的十足的进步，不仅提出了多探头海洋磁力仪阵列设计方案，而且开展了相关的理论研究和实践研究。