港口扫海测量中多波束测深系统运用质量研究

张体强

（上海东海海洋工程勘察设计研究院有限公司，上海 200137）

0 引言

在港口建设中，扫海是海道测量体系下的重要环节，其主要目的是采集水下深度、水下地形和水下障碍物等信息，为疏浚清障、航道规划等后续工作获取依据，为港口船舶航行和安全顺利停靠提供保证。为了提高港口建设水平，充分发挥扫海测量的价值，须对多波束测深系统进行研究。

1 港口扫海测量中多波束测深系统的结构及原理

1.1 多波束测深系统组成

多波束测深系统是港口扫海测量工作中的重要工具，其在技术运用结构组成上具备很强的综合性和复杂性，可细化分为多种子系统与功能单元。通常情况下，一个完整的多波束测深系统应包括以下4个部分：1）声学换能器单元。该单元主要负责声呐波束的发射与接收；2）数据采集单元。该单元主要负责声波信号的输出、输入与转换，并对声波信号和数字信号进行简单处理，如运算信号探测距离、记录信号收发时间等；3）功能辅助单元。该单元主要以多波束测深系统及港口扫海测量船的实际需求作为功能导向，搭载多种先进、专业的辅助仪器和辅助设备，例如电罗经、定位器、姿态传感器、声速测量仪、航向测量仪和图像显示器等[1]。4）数据后处理单元。该单元主要负责定位数据、声速剖面数据、潮位数据、船姿数据和干扰信号等数据信息的处理，根据具体的数据处理结果，实现水下地形图和海底地形数字模型等平面图像和立体图像的绘制与输出，一般由后处理工作站和后处理软件组成。

1.2 多波束扫海测量原理概述

多波束测深系统发源于单波束测深系统，能一次给出与航线相垂直的平面内的几十个甚至上百个深度。它能够精确快速地测定沿航线一定宽度内水下目标的大小、形状、最高点和最低点，描绘水下地形的精细特征，实现对海底地形的面测量。基于多波束测深系统的结构复杂性与功能丰富性，其在港口扫海测量中运用的工作原理较为复杂，主要包括以下4个部分：1）声学原理。在声学领域，多波束测深系统主要设计的原理包括相长干涉原理、相消干涉原理、波束形成原理和波束收发原理等。当系统运行时，声学单元中的换能器会根据程序预设方向发射多条声呐波束，波束方向的分布结构为扇形（图1）。在这之后，声波进入水中持续传播，当触及海底或障碍物时反射或散射作用会形成回波。搭载在换能器上的多阵列接收装置会对回波信号进行接收，为信号转换、数据处理和海图绘制等后续环节打下基础；2）定位原理。为了保证运用质量，实现更优的功能，多波束测深系统在实际工作中不仅要测量水下深度，还需要确定海底表面的障碍点、目标点和最深点等特殊点位，需要专业的定位原理作为运行基础，目前的系统定位功能主要靠GPS定位器实现。当搭载多波束测深系统的扫海测量船处于航行状态时，GPS定位器会与部署于太空的GPS卫星建立动态信号交互，实现对船只位置、测点坐标和航行轨迹等信息的采集与记录。在这个基础上，航向测量仪和电罗经等辅助工具也能够在船只、系统和测点的空间归位上发挥作用，进一步提高定位信息的精确性；3）姿态修正原理。海洋工作环境复杂恶劣，扫海测量船在航行过程中经常会因为风浪影响发生颠簸，即出现瞬时性的横摇、纵摇和扭转等姿态改变。所以为了避免多波束测深系统的运用质量受到影响，须利用姿态传感器识别和记录扫海测量船的实际运行姿态。通过后期处理船只的瞬时姿态信息与理想姿态信息，可以评估和调整测深数据，将测量误差控制在较小范围内；4）声速变化原理。多波束测深系统在港口扫海测量中的运用以声波信号为核心来实现。一旦声波在水下环境受到外部干扰，相应的测深结果会产生误差。这一问题需要借助声速变化原理来解决。在实际工作中，多波束测深系统中的声速测量仪会测量采集水下环境的层状声速，系统的数据处理单元再依据特定声速改正规律对传回的声波信号进行修整处理，即可避免水体声速对测深结果的干扰影响[2]。

图1 多波束扫海测量示意图

2 港口扫海测量中多波束测深系统运用质量的主要阻碍问题

在港口扫海测量中，多波束测深系统运用质量出现波动的主要原因为探测数据存在误差。经过分析，探测误差可以分为3种类型，即系统误差、粗差以及随机误差。其中，系统误差即存在固定发生规律的误差，这类误差有较高的可重复性，易于排查、解决和预控。粗差即异常情况过于明显和偏差程度过大的误差，这类误差的发生概率较小且多与外部环境因素有关。随机误差即偏差程度和偏差方向均无法确定的误差，这类误差可以在多波束测深系统的多次复测中逐渐趋近于0，表现了一定的抵偿属性。上述误差可具体分为以下7类：1）与声信号传播路径有关的声速误差。由于声波在海水中传播的速度与海水温度、盐度和压力密切相关，温度和盐度随港区、水深和时间等变化而变化，因此，声速剖面仪测定的声速与实际声速总存在误差；2）测深与定位仪器自身的系统误差。每个测深仪和定位仪均有误差，一般通过正规检定或校准机构进行测深与定位仪器的检定和校准；3）潮汐测量误差。例如验潮站布设的密度不足、距离验潮站较远等；4）船只航向误差。当采用GPS导航时天线未架设在净空条件好的地方，从而产生多路径效应影响航向；5）多波束各个设备相对位置关系测量误差；6）船只运动传感器的精度引起的误差。例如纵横摇的精度和动态吃水误差等；7）数据处理误差。多波束数据处理经验不同，水深处理结果一般不同。

扫海中船只航行的方位结构如图2所示。

图2 基于多波束扫海的船只航行示意图

3 港口扫海测量中多波束测深系统运用质量问题的解决策略

3.1 实现内业与外业工作流程的合理规划

3.1.1 外业流程

测线布设：测线分为主测线和检测线，主测线方向应平行等深线的总方向，对于狭窄航道来说，测深线方向可以与等深线成45°角，当布设测线时，测深线间隔应保证多波束全覆盖且不小于10%的重叠。检测线的方向应尽量与主测线垂直并均匀布设，检查线的长度一般不小于主测深线总长的2%。

测量船坐标系统的建立：先确定测量船参考原点，一般为当初次安装时换能器安装杆与水线的交点。量取运动传感器、换能器和GPS天线在船体坐标系中的位置参数。

多波束校准：按照多波束系统校正要求，将有一定水深且变化明显的水域作为校正场来进行4对测线的测量，分别用于Latency、Roll、 Pitch和Yaw的校正。校准场地、校准测线和船速要求见表1。

表1 校准场地、测线布设及船速要求

外业数据采集：按计划测线进行水深测量，采集水深、定位和姿态数据，采集声速数据，同步观测潮位。

3.1.2 内业流程

在多波束采集数据进行系统校正、潮位校正和声速改正的后处理过程中，按照系统规定的格式将系统校正参数文件、声速剖面文件、吃水记录及潮位数据输入即可，软件系统可自动对水深数据进行粗差剔除并改正上述资料。多波束数据处理流程如图3所示：1）吃水改正。换能器与水面的关系直接输入在QINSy现场采集软件中，在内业处理过程中不需要进行吃水改正；2）潮位改正。依据实测潮位数据并用相关关系法订正非观测期间的预报潮位，再用预报潮位对多波束数据进行潮位改正；3）噪声编辑。参照“投影法”和“拟合法”，借助专业多波束后处理软件进行半自动测深数据的噪声编辑；4）精细处理。人工进行多波束数据的精细后处理，例如导航跳点数据剔除和假地形校正等；5）测区拼接。将数据分别进行系统参数、吃水和潮位校正后，统一在CARIS软件自动生成全测区等深线，检测相邻测区的等值线拼接情况；6）数据检查。利用改正后的水深数据，采用十字交叉水深精度评估法进行评估（不合格返工）；采用等深线图示法及三维显示法修正图件中存在的残留异常值，最后输出成果。

图3 CARIS HIPS软件进行多波束数据处理的流程

3.2 做好测深数据的预处理工作

当在港口扫海测量中运用多波束测深系统时，做好测深数据的预处理工作十分关键。如果数据预处理不到位，将在基础层面形成测量精度下降的风险，会对系统的实际运用质量产生负面影响。数据预处理方面的优化把控要点如下。

首先，需要明确数据预处理的技术流程与运作逻辑：1）读取已采集的扫海数据并将繁杂数据转换为统一格式；2）剔除定位信息中干扰、失真的部分并进行平滑处理，在这之后，原本分散的定位点会呈现出线性结构，可以反映出搭载多波束测深系统的测量船的运行轨迹。在该基础上，按照同种逻辑预处理声速剖面数据、潮位数据、深度数据和姿态数据等数据信息，避免噪点、假信号和异常值出现在数据中；3）在数据处理全面完成后，将已处理的各项数据进行合并转换，生成整合性的测深文件[4]。

其后，需要再处理经过初步预处理获得的测深文件，将大量数据转化为港口工作区的海底地形模型。在这一环节中，应合理运用DTM技术，依托大量级、高密度的探测数据呈现真实的水下地形并准确反映水深信息。在该基础上网格化处理模型信息并按照现行行业标准输出成果图，实现多波束测深系统所获数据的可视化和图像化转换，满足港口建设和海图加工等实用性需求。

最后，为了进一步提高多波束测深系统的运用质量，赋予测深数据更好的可用性与功能性，须对输出的成果图实施“精加工”。第一，基于预处理工作粗放化的工作特点，成果图的实际输出效果往往处于较低水平，一定量的噪声影响导致成图画面相对模糊和混杂。针对这一问题，应通过有效的降噪手段来提升图像画质，保证成果图的可看性和可用性处于较高水平；第二，多波束测深系统乃至扫海测量的最主要任务是掌握海道深度，实现水下地形地势、障碍物的感知与识别。当处理成果图时，应突出展示图像中的关键信息和重要数据，为相关人员识图和用图提供便利；第三，对图中特殊的目标物和水深点应尽量保证信息展示的完整性，例如水下目标物的尺寸、方位和轮廓等。这样可以更快地提高成果图的价值和多波束测深系统的运用质量。

3.3 运用有效测量粗差剔除手段

当多波束测深系统实际运行时，主要利用声波信号进行水下测量来获得相关数据，其数据实测精度会受到水流和波浪等海洋环境因素影响产生粗大误差。多波束测深系统的内部结构和运行机制相对复杂，操作平台涉及多种干扰，一旦系统本身出现运行不稳定的问题也会导致粗大误差出现。为了实现港口扫海测量中多波束测深系统运用质量的优化把控，须运用有效手段充分剔除粗差。目前经常使用趋势面滤波的手段剔除测量粗差。

从技术原理的角度来说，趋势面滤波主要以多元回归理论为基础，通过运算得出一个数学曲面来模拟和反映扫海信息的空间分布和趋势变化，即在趋势面滤波的应用背景下，可将多波束测深系统探测到的水深和地形等数据拟合为趋势函数，并由此提取函数曲面中的误差点和异常点，达到排查和剔除粗差的目的。

当实践时需要确定多波束测深系统在运行过程中的波束脚印坐标及测量深度，将其记为（x，y）和z。在该基础上建立函数公式z=f（x，y），实现地形数据的拟合处理即可根据3A原则确认粗大误差点的具体坐标。为了完善运算逻辑，可将函数z=f（x，y）转换为z=a0+a1x+a2y+a3xy+a4x2+a5y2这一表现形式。其中，a1～a5为多项式系数，f为需求参数，x、y、z为测点的坐标与深度参数。设X=[a1，a2，a3，a4，a5]，数据模型与观测深度的系数矩阵分别为B、Z，则Z=BX。这时，运用最小二乘法可以推导该模型函数的相关系数，即X=（BTB）TBTZ。由此生成测点趋势面并确定粗大误差的判别原则，如公式（1）所示。

在式（1）的判定原则中，各项数值均以特点测点i为对象，a为该测点深度的均方差。结合既往经验来看，这种粗大误差的识别与剔除方法操作起来比较简单，能在平坦海道环境下表现出可观的应用优势与识别精度。但需要注意的是如果多波束测深系统工作的港口扫海区域环境较为复杂，海道地形变化过多，会对滤波效果和趋势面滤波法的粗差处理质量产生负面影响。

趋势面滤波的粗差剔除效果如图4所示。

图4 趋势面滤波的粗差剔除效果（上图为粗差剔除前，下图为初差剔除后）

3.4 修正探测误差

在多波束测深系统的实际运用过程中，探测误差表现出多来源和多表现的特点。例如当系统中各个单元的设备装置存在安装误差时，单元乃至系统整体的良性运行状态会被打破，进而容易产生探测误差。例如即使多波束测深系统及扫海测量船本身不存在异常，波浪、水流和水下声速等环境因素也会对声波信号的传输过程产生干扰，形成相应的探测误差风险。由此可见，为了实现系统运用质量的优化把控，需要针对性地识别和修正各类探测误差。

例如作为声波信号的主要收发装置，换能器的安装必须做到精准和可靠。在这个基础上，如果换能器初始安装存在偏差或在扫海测量船瞬时船姿变化的影响下发生器面偏移，便会严重破坏声波信号的收发状态，进而形成探测误差，需要通过分析换能器安装位置改变的原因来对探测误差进行修正。如果换能器位移由船体横摇或纵摇导致，则需要通过试验方式获取换能器在扫海测量船不同姿态下的横向和纵向安装角度偏差值，之后在多波束测深系统的数据处理流程中将相应的角度偏差值加入运算环节，即可修正测点地理坐标，提高图像模型与海底表面实际情况的匹配性。

如果水下声速剖面信息存在异常，会增大实际水体声速对多波束测深系统运用质量的影响，导致当测深结果反映海底表面状态时存在误差。结合行业经验来看，这种误差往往表现为像“笑脸”或“苦脸”的特殊PING断面。当进行这类误差的修正处理时，可采取如下手段。首先，以初始的声速剖面为基础调整表层剖面，重新进行水体声线的跟踪。其后，重新绘制水下PING断面的地形结构。这时，由于两次探测的时间不同，水体的声速结构会发生改变，具象表现在PING断面形态的变化上。最后，对比重新获得的地形信息与原地形信息，如果与特殊PING断面相邻的区域相重合，则可以进行误差部分的替换修正。反之，则需要再次进行完善性探测直至获得一致性最高的PING断面地形信息。

4 结论

综上所述，多波束测深系统在港口扫海测量中有重要的信息采集与航行保证作用，其运用质量的优劣与港口建设水平密切相关，保证多波速测深系统的运行稳定性与测量精确性十分重要。在实际的运行过程中，多波束测深系统的运用质量会受到多种因素影响，例如安装结构、船体姿态、水体声速、风浪水流和人为操作等。如果想充分发挥多波束测深系统的功能价值，确保各项数据信息的精确性，须做好专业技术手段的合理运用，科学实施探测误差的控制与修正。