多波束测深系统和侧扫声呐在港口扫海测量中综合应用

多波束测深系统和侧扫声呐在港口扫海测量中综合应用

王朋程

山东省地质矿产勘查开发局第三地质大队  山东烟台  264004

摘要：利用多波束测深系统探测海底目标是海道测量的重要任务之一，它与海洋船舶的航行安全、海洋环境的研究以及海底资源的勘探、开发和利用密切相关。因此，进一步优化多波束测深系统，提高对海底目标的探测能力是关键任务之一。2008年颁布的第五版国际海道测量标准(以下简称S-44)明确指出多波束分辨率是评价多波束测深系统探测能力的重要指标。基于此，本篇文章对多波束测深系统和侧扫声呐在港口扫海测量中综合应用进行研究，以供参考。

关键词：多波束测深系统；侧扫声呐；扫海测量

引言

本文以海洋测量项目为基础，采用多波束测深系统和侧声纳进行海洋测量。其中，多波束测深系统提供了更精确的平面位置和深度，但由于分辨率有限，当孔径增加时，海底反射的细节相对较低；侧声纳可以提供目标区域的二维高分辨率平面图像，但位置和水深信息不太准确。对流域和水道等特征的地貌数据的研究表明，这两种海洋测量方法可以有很大的互补性。多波束声纳图像与侧声呐图像相结合，可提供高精度、高分辨率的水下地貌和地貌叠加图像，为水道疏浚提供数据服务，并为航行、停泊等提供基础。

1侧扫声呐测线布设优化方法

对于测线布设方向，考虑的主要内容是如何在声呐图像中最大限度地反映海底目标。其基本原则：1）测线方向应尽可能与测量海区潮流流向平行。在测量海区潮流影响不大的区域，选择海区的等深线方向为测线方向，进一步地，对于已知先验目标信息的海底目标探测，也可根据实际情况，选择平行于目标走向的方向作为测线方向；2）大面积海底扫描时，测线方向应相互平行；3）系统在海底目标处的分辨率应小于目标尺寸。另外地，当采用粗扫+精扫的探测方式时，粗扫可先初步确定探测目标位置、形状、高度和走向等信息，对于有先验地形图的海区，结合测区坡度走向，选择与坡度走向垂直的方向作为粗扫测线方向。再根据粗扫发现海底目标的位置、形状、高度和走向等信息，选择平行于目标走向的方向作为精扫测线方向。一般来讲，应对目标进行三个方向上扫测。此时，可根据粗扫成果，保持三条测线方向与目标走向相近，测线方向与目标走向夹角绝对值应小于30°，根据不同方向声纳图像，交会出目标或然位置。对于测线布设间距的选择方法，可按下列的流程图来确定测线间距。即根据历史海底地形信息，初步提出适当的施测方案，再根据测量所得的实际海底地形数据，对测线布设间距和方向进行进一步优化，最终得到预定的测量效果。本文提出的测线布设方法体现的是一种逐步优化的设计思想，而为了解决这种逐步优化方法所带来的设计复杂性和难度，在研究过程中编制了侧扫声呐测线布设方法软件，该软件系统直接提高了目标探测前期技术设计的信息化、自动化程度，可为海底目标探测前的测线布设优化设计提供技术支持。

2多波束测深系统

多波束测深系统自上世纪70年代问世以来，就在水下测量中得到广泛应用。相较于单波束测深仪，多波束测深系统的出现是水深测量的又一场革命。多波束测深系统一般由多波束测深仪、GNSS定位设备、三维姿态传感器、罗经、声速剖面仪等配套设施组合而成。本文使用的多波束测深系统通过采用波动物理原理的“相控阵”方法可以精确定位256个波束中每个波束的精确指向。其指向性可控制到0.5°。根据每个波束位置上的回波信号用振幅和相位方法确定深度。多波束测深仪测深是利用超声波的发射原理来进行测量的，利用换能器进行声波的发射和接收。信号接收单元由n个成一定角度分布的相互独立的换能器完成，每次能采集到n个实测数据信息。在实时动态差分法(RTK)技术的加持下，能够准确地获得水下地形点的平面坐标。其配置的三维姿态传感器能够及时校正船只在水下行驶由于上下起伏与左右摇晃造成的误差，声速剖面仪可以改正由于水下声速不同造成的误差。             

3扫海测量的对比分析及综合应用

3.1多波束测深系统及侧扫声呐系统的对比

多波束测深系统可测量总体复盖深度，具有高定位精度、低噪音和三维视觉分析能力。多波束声纳通常安装在船只或测量仪器上，由于测量的方式，声音图像的分辨率和信噪比较低，而且随着水深的增加而进一步降低。侧声纳系统使用位移模式测量海底附近，可能具有丰富的海底纹理。与侧声纳系统和多波束测深系统相比，受滑移测量模式和单波束发射模式的影响，侧声纳位置不够精确，束定位精度较低，因此导影指声波被阻挡的区域上下文是随图像一起出现的形状不明的图像。

3.2平面定位和数据采集

平面定位仪利用GPS s82 rtkgps south对JT3进行长期比较和检查，并根据jts 131—2012进行当前误差统计，最大值为0.52m，最小值为0.53m，外部精度为0.54m，内部精度为0.04m，极限差为了确保扫描范围的完整和有效复盖，测量线按照测量区域的实际水深排列，测量线区段的间距是测量深度的三倍，相邻测量线的重叠率保证为30%。工作频率为400kHz，扫描宽度为120。在测量过程中，利用瑞士公司的控制软件密切监测多波束探测器的信号状态，实时调整光束的角度、范围和功率，消除噪声，保证信号精度。扫描结果构成一个文件*。PDS被视为原始数据。

3.3多波束测深系统及侧扫声呐系统的结合

多波束测深系统和侧声呐系统也反映了海底的地貌特征，测量信息具有很大的互补性，从而能够将两者结合起来，以获得高分辨率的海底地形和地形图像。图像组合是通过将侧扫声纳图像叠加到多波束测深曲面上，利用侧扫声纳图像和侧扫声纳图像之间的对应关系来实现的。一是对多波束声纳图像和侧声呐图像依次进行驯化、分类和形态学处理，得到两者的基本分类图像；然后，对侧声呐图像进行校准，匹配两个底层图像的一部分，得到一对相应的特征点；最后，通过使用精确位置的侧扫声纳图像和高精度多波束测深图像，复盖面提供了高位置精度和高图像分辨率的海底地形和地形图像，从而能够准确和准确地显示波动情况这种方法的有效性和准确性表现在将在马山港西经航道水域测量的多波束测深数据与侧测深数据合并，以及与地形重叠的位置。多波束测深系统制作的三维地图有助于准确地查询海底细节的三维信息，确定最薄弱环节，并确定准确的位置。侧声呐系统的声学图直观地反映了海底元素分布的性质、大小和范围。

结束语

鉴于多波束测深系统及侧扫声呐系统在海底目标探测的重要作用，本文在深入分析多波束测深系统及侧扫声呐系统分辨率变化规律的基础上，对影响海底目标探测效率和探测质量的重要环节进行了研究，提出多波束测深系统及侧扫声呐系统布设优化方法。海洋测量使用两种不同的设备，即多波束测深仪和侧声纳，从而提高了各种方法的可靠性。特别是，多波束束与侧声呐相结合，通过复盖地基和地理位置的图像，可在探测水下目标方面提供良好的补充优势，从而大大提高对水下地貌特征的解释的准确性，从而有助于对水下目标进行正确的解释。

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