多波束测深系统换能器的安装校准分析

第28卷第1期海洋通报Vol.28，No.12009年02月MARINESCIENCEBULLETINFeb.2009收稿日期：2007-12-30；收修改稿日期：2008-03-18基金项目：国家自然科学基金项目(40706038,40606026)；“863”计划资助课题(2006AA09Z103,2007AA09Z124)多波束测深系统换能器的安装校准分析张海涛1，唐秋华2，周兴华2，丁继胜2，刘建立2(1．广东省国土资源厅测绘院，广东广州510500；2．国家海洋局第一海洋研究所，山东青岛2666061)摘要：在多波束测深系统的换能器安装与使用过程中，由于无法保证换能器坐标系统与船体坐标系统完全重合，因此必须进行横摇、纵倾以及航向偏差校准与改正，使两者坐标系统相一致。详细分析了多波束测深系统换能器安装校准的原理和方法，以“亚美通道”海底光缆路由调查中，挪威SimradEM3000多波束测深系统的安装与校准为例，阐述了其安装校准方法及在海底地形测量中的应用。关键词：EM3000；多波束测深系统；安装校准；海底地形测量中图分类号：P716+.11文献标识码：A文章编号：1001-6932(2009)01-0102-0006多波束测深系统(MultibeamEchoSounder，MBES)是20世纪60年代以来发展起来的海底地形地貌测量系统，它能快速准确地获取大面积海底形态信息，从而为海底地形地貌勘测提供了一种有效手段。多波束测深系统被广泛应用于海道测量、海洋工程测量、海底资源勘察以及海底光缆路由调查等领域。系统在使用时换能器的安装与校准是一个重要的环节，直接影响多波束数据质量的好坏，必须进行规范的安装与校准才能获得高质量的测量数据。多波束测深系统换能器的安装校准与改正方法最早由美国国家海洋大气管理局(NOAA)提出，用于SeaBeam系列多波束测深系统对船舶横摇(Roll)、纵倾(Pitch)和航向(Heading)的偏移校准，并将这个过程称为“斑片试验(PatchTest)”[1,2]。最初斑片试验是将试验测量的水深数据绘制成等深线图，从图上量取等深线的偏移量并作统计分析，计算各个传感器的偏移量，而且最初的一些试验都是针对深水型多波束系统。现在，“斑片试验”已经成为一种校准多波束测深系统的通用方法，一些商品化的多波束实时采集软件和后处理软件中，设置了图形化的工具来计算和显示各个偏移量，如挪威Simrad公司Neptune后处理软件中的Calibrate模块[3,4]以及加拿大CARIS多波束后处理软件中的Calibration模块[5]，这些校准模块简化了校准与改正的处理过程，提高了多波束测深系统安装与校准的效率和精度。国内众多的多波束测深系统用户，在换能器安装过程中，通常直接应用系统自身校准软件和方法进行误差校准，而对其安装校准的基本原理和方法很少去探究。本文详细分析了多波束测深系统换能器安装校准的一般方法，并以挪威Simrad公司的EM3000浅水多波束测深系统为例，阐述其安装与校准。1多波束测深系统换能器安装校准方法分析在船舶上安装多波束测深系统和进行水下地形测量过程中，很难保证多波束换能器基阵中心的三坐标轴与测量船重心的三坐标轴完全重合，它们之间存在着由于坐标轴平移、坐标轴旋转(横摇、纵倾和航向偏差)引起的系统偏差(如图1)。X船横摇纵倾Z船Y换能换能器测量船重心航向偏差X换能Y船Z换能图1换能器中心与测量船重心位置偏差示意图Fig.1Positiondifferencebetweenthetransducercenterandthesurveyvesselgravitycenter1期张海涛等：多波束测深系统换能器的安装校准分析103为了消除这些系统误差，必须进行两坐标系统之间的平移、旋转校准，将换能器基阵中心位置归算到测量船重心位置处，以保证测量结果的客观性。1.1横摇校准横摇校准是针对多波束测深系统的换能器在安装过程中可能存在的横向角度误差而采取的一种校正方法。首先要选择一块海底地形较为平坦的海域，用多波束测深系统测量一对或几对方向相反的重合测线(如图2)。对平坦海底，罗经对艏向正反向测量产生的误差不敏感，而且趋向于抵消，罗经对纵摇和时间延迟产生的测量误差也不敏感。但多波束测深系统在平坦海底的相对方向上测量时，横摇引起的测量误差显示出2倍的影响。如果在垂直航迹方向的距离Da(单位m)处，往返方向上测量的水深差为Dz(单位m)，则横摇偏差DR(单位°)可用下式计算：)2arctan(aZRDDD=(1)把往返测量的同一条测线数据分别记录下来，用EM3000多波束测深系统自带的数据处理分析软件进行数据处理，就可以得到横摇偏差值，然后再校正测线上移动校准基线，得到另外几组横摇偏差值。把所有的横摇偏差值取平均值，输入到多波束测深系统的软件系统中。1.2纵倾和时间延迟校准换能器纵向安装角度存在偏差时，也会引起测点位置沿航迹发生前后方向的位移。为评估纵倾偏差，可采用方向相反、航速相同的两次测量获得的两条测线数据。如果在水深Z(单位：m)处，两次测量的斜坡地形特征沿航迹方向偏移量是Da(单位：m)，则纵倾引起的偏移角DP(单位：°)为(如图3)。)2arctan(ZDDaP=(2)为评估时间延迟，可选择一个斜坡或者凹形海底地形区域，用相同方向不同航行速度测量获得的一对测线数据作校准。如果高速是Vh(单位：m/s)，低速是Vl(单位：m/s)，两次测量的斜坡特征地形沿航迹方向的偏移量是Da(单位：m)，则时间延迟DT(单位s)为(如图4)。测线21向内向外平坦地形校准基线测线21DzDa2DR测线21倾斜地形校准基线斜坡21Da／2DPDPAB图2横摇校准示意图Fig.2Sketchmapofrollcalibration图3纵倾校准示意图Fig.3Sketchmapofpitchcalibration104海洋通报28卷LHaTVVDD−=(3)1.3航向偏差校准航向偏差的校准最好选择在港口码头进行，可以采取两种方法：方法之一，将船固定在码头上，使船与码头尽可能地保持平行，用全站仪或者RTKGPS测量码头的坐标方位，并同步记录测量船电罗经方位，通过二者之间的比较即可获得电罗经测量的船艏方位偏差；方法之二，将船停靠码头上，尽量保持船只固定不动，用两台RTKGPS流动站同步测出船艏和船尾地理坐标位置，同步记录测量船电罗经方位，连续接收几小时数据，取平均值，获得船航向偏差值。2EM3000D多波束测深系统安装校准及应用2.1EM3000D安装校准2007年11月在南海珠江口执行了“亚美通道(AsiatoAmericaGateway，AAG)”海底光缆路由调查项目。此次光缆调查租用中国科学院南海海洋研究所的“实验2号”科学考察船，水下地形测量采用高精度EM3000D浅水多波束测深系统。EM3000D多波束测深系统是挪威Simrad公司20世纪90年代中期研制的一套高精度浅水多波束测深系统(水深测量范围0.5~150m)。该系统的发射频率是300kHz(双探头方式用292kHz和308kHz频率)，接收127个波束(单探头)，有效波束宽1.5°×1.5°，最佳测量角度为120°以内，在深水区的最大扫描宽度可超过200m，而在浅水区其覆盖宽度可以达到水深的5倍以上；双探头配置方式覆盖角可增加到190°，覆盖宽度可以达到水深的9倍以上[6]。EM3000D多波束测深系统的安装在广州新洲码头完成。换能器采用舷侧垂直安装，确保换能器X轴方向与船只龙骨轴线方向基本一致(小于1°)，运动参考单元(MotionReferenceUnit，MRU)尽可能靠近换能器安装，保证姿态修正准确(如图5)。图5EM3000D多波束测深系统安装示意图Fig.5InstallationofEM3000DMultibeamEchoSounderT0倾斜地形DaT1t0t1测线Da图4时间延迟校准示意图Fig.4Sketchmapoftimedelaycalibration1期张海涛等：多波束测深系统换能器的安装校准分析1052.1.1静态校准静态校准包括姿态传感器和电罗经的自身校准以及船艏向偏差校准等。姿态传感器和电罗经的自身校准由其自带软件完成，在这里主要介绍船艏向偏差校准。EM3000D多波束测深系统采用Seapath200姿态、航向、定位三合一多功能定位辅助系统，该系统可以同时获得高精度的船姿态(横摇、纵倾、起伏)、船艏向、定位等数据，用于实时多波束测量数据的修正及大地坐标的解算。将船停靠码头上，应用高精度RTKGPS进行测量船航向偏差校准[6]。a)用两台RTKGPS流动站测出船艏向方位架设好RTKGPS参考站，将测量船停靠在岸边，尽量保持船只固定不动，用两台RTKGPS流动站同步测出船艏和船尾地理坐标位置，通过计算，求出船艏向方位为120.113°(如图6)。b)用Seapath200实时测量船艏向方位与RTKGPS同步，使用Seapath200定位系统实时测量并记录大约2hGPS1到GPS2两点之间的坐标方位数据，取平均后得到天线方位为202.121°(如图6)。通过以上计算可以得到Seapath200系统船艏向改正数为202.121°－120.113°＝82.008°。图6Seapath200船艏向校准示意图Fig.6Headingcalibrationof200Seapath2.1.2动态校准在广东珠江口外，测量船在运动环境下进行了横摇、纵倾及时间延迟等校准试验。校准数据的采集应用Merlin实时数据采集软件，校准数据处理采用Neptune中的校准处理模块Calibrate，能够图形化地处理和显示横摇、纵倾和时间延迟的校准试验数据。首先选择海底地形较为平坦的区域(如图7)，测量一对方向相反的重合测线，进行横摇校准。横摇参数不正确时，往返测线的水深不重合(如图8a)；调整横摇参数，使往返测线的水深重合，此时显示的横摇值即是横摇偏差值，横摇校准值为0.050°(如图8b)。为了进行纵倾和时间延迟校准，选择较为倾斜的海底(如图7)，用方向相同、速度相同的两条测线进行纵倾校准，而用方向相反、速度不同的两条测线进行时间延迟校准。纵倾误差影响到测量的水深和位置精度(如图9a)，调整纵倾参数，使往返测线测量的水深地形重合，此时获得纵倾偏差(补偿)值为1.228°(如图9b)；由于时间延迟的影响，相同测线方向、不同船速测量的海底地形产生位移(如图10a)；调整时间延迟参数，使相同测线方向、不同船速测量的海底地形重合，此时显示的时间参数即为时间延迟(补偿)值，为0.098秒(如图10b)。GPS2GPS1NRTKGPS2RTKGPS1120.113°202.121°用于纵倾和时间延迟测量的斜坡地形用于横摇校准的平坦地形图7校准区域海底地形示意图Fig.7Seabedtopographyofcalibrationarea106海洋通报28卷图8横摇校准处理Fig.8Rollcalibrationprocessing图9纵倾校准处理Fig.9Pitchcalibrationprocessing图10时间延迟校准处理Fig.10Timedelaycalibrationprocessing2.2海底地形测量多波束测深系统EM3000D安装校准完毕后，进行了海底光缆路由勘测，获取高精度海底地形数据，最后生成海底水深地形图(如图11)，为光缆铺设提供基础图件和数据。3结语用多波束测深系统进行海底地形勘测时，换能器的安装校准是一个重要的环节，直接影响多波束系统测量数据的质量，必须进行规范的安装校准，才能获得高质量的测量数据。本文详细分析了多波束测深系统换能器安装校准的原理和方法，并以AAG海底光缆路由调查项目中EM3000D多波束安装校准为例，详细阐述了其安装校准方法和过程，通过在广东珠江口的校准试验，ab横摇参数a时间延迟参数ba纵摇参数b图11AAG海底光缆路由地形图Fig.11TopographicmapofAAGsubmarinecableroute