多波束测深系统换能器的安装校准分析

第 28卷 第 1期 2009年 02月 海 洋 通 报 MARINE SCIENCE BULLET1N 、，01．28，No．1 Feb．2009 多波束测深系统换能器的安装校准分析 张海涛 ，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 Simrad EM 3000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：EM 3000；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 (Multibeam Echo Sounder，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 (Rol1)、纵倾 (Pitch)和航 向 (Heading)的偏移校准，并将这个过程称为 “斑片试验 (Patch Test)”L1 J。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lj’ J以及加拿大 CARIS多波束后处理 软件中的 Calibration模块[51，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 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 图1换能器中心与测量船重心位置偏差示意图 轴旋转(横摇、纵倾和航向偏差)引起的系统偏差(如图 Fi。· P。 ： 盯。眦 1)。 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) 1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 in)处，往返方向上测量的水深差为 J[) (单位 m)，则横摇偏差 J[)R(单位。)可用下式计算： n DR=arctan( ) (1) 上U n 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：rn) 处，两次测量的斜坡地形特征沿航迹方向偏移量是 D (单位：m)，则纵倾引起的偏移角 DP(单位：。) 为 (如图 3)。 ，_) DP=arctan(二旦) (2) 图 2 横摇校准示意图 Fig．2 Sketch map ofroll calibration 图 3 纵倾校准示意图 Fig．3 Sketch map ofpitch calibration 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 (单位：m／s)，低速是 (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 D (单位：m)，则时间延迟 DT(单位 s)为 (如图4 o 海 洋 通 报 28卷 D ： (3) 一 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 RTK GPS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 RTK GPS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。 2 EM 3000D 多波束测深系统安装校准及应用 图 4 时间延迟校准示意图 Fig．4 Sketch map oftime delay calibration 2．1 EM 3000D 安装校准 2007年 11月在南海珠江口执行了 “亚美通道 f Asia to America Gateway，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 EM 3000D 浅水多波束测深系统。 EM 3000D 多波束测深系统是挪威 Simrad公司 20世纪 9O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0．5～150 m)。该系统的发射频率是 300 kHz(双探头方式用 292 kHz和 308 kHz 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 200 m，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【oJ。 EM 3000D 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 (Motion Reference Unit，MRU)尽可能靠 近换能器安装，保证姿态修正准确 (如图 5 。 l。——— 丁———一 ——一————-] f十二二 =二斗—～ 、、； 广r一—— 蔼差『～一—1————～、、 } l F 二 L i二二二二二二二二二二二=== 一l 一 ／ L 堑生一 ．』 0●——————⋯ —————— ⋯ —。 。 ’ ’— 一 图 5 EM 3000D 多波束测深系统安装示意图 Fig．5 Installation ofEM 3000D Multibeam Echo Sounder I期 张海涛 等：多波束测深系统换能器的安装校准分析 105 2．1．1 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。 EM 3000D 多波束测深系统采用 Seapath 200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 RTK GPS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 RTK GPS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 RTK GPS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。f如图 6)。 b)用 Seapath 200实时测量船艏向方位 与 RTK GPS同步，使用 Seapath 200定位系统实时测量并记录大约 2 h GPS1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 Seapath 200系统船艏向改正数为 202．121。一120．113。=82．008。。 I 图 6 Seapath 200船艏向校准示意图 Fig．6 Heading calibration of200 Seapath E11t．OBO。 E114．085。 。 ‘■_ 用于纵倾和时间 ， ’ 焉 g o 用于 陵摇校准 量的斜坡地形 ；： 。 的平 咀地形 = 气 黾 N 。 阔圈 焉 0 。 E 114 ． 08O o E114． 085· ～ 一 。 ．。 。．． ，。 ■ 霾 ． 图 7 校准区域海底地形示意图 Fig．7 Seabed topography ofcalibration area 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 9 a)，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 9 b)；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 10 a)；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 10 b o 海 洋 通 报 28卷 图 8 横摇校准处理 Fig．8 Roll calibration processing b 图 9 纵倾校准处理 Fig．9 Pitch calibration processing 图 10 时间延迟校准处理 Fig．10 Time delay calibration processing 2．2 海底地形测量 多波束测深系统 EM 3000D 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 1 1)，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 EM 3000D 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， 图 11 AAG海底光缆路由地形图 Fig．1 1 Topographic map ofAAG submarine cable route 张海涛 等：多波束测深系统换能器的安装校准分析 lO7 最后获得了高精度的海底水深地形数据。 参考文献： 『1] Wheat0n G E．“Patch Test”，a system check for multibeam survey systems【A]．Proceedings ofthe U．S．Hydrographic Conference【C]．1988：85—90· [2j Herlihy D 1L Hilliard B F and Rulon TD．National Oceanic and Atmospheric Administration Sea Beam system “Patch Test”[J】．International Hydrographic Review，1989，(2)：119-140． [3] Kongsberg Simrad．Neptune for Windows 2000 operator manual[M]．Norway：Kongsberg Simrad，2001·143-166· [4] 董庆亮，王伟平．EM 10002型多波束测深系统及参数改正 [J]．海洋测绘，2004，24(5)：23—26． [5] CARIS．Caris HIPS and SIPS 6．1 user’S guide[M]．Canada：CARIS．2007：499—508． [6] Kongsberg Simrad．EM 3000 Multibeam Echo Sounder operator manual[M】．Norway：Kongsberg Simrad，1998：1-9- 【7] 唐秋华，吴永亭，丁继胜，等．RTK GPS在超短基线声学定位系统安装校准中的应用 [J]．海洋测绘，2005，25(5)：40—42． 作者简介：张海涛 (1976一 )，男，河南新野人，工程师，学士，主要从事海洋测绘、GPS测量、行政勘 界测量等工作 电子邮箱：haice1688@tom．corn Installation and Calibration Analysis of the Multibeam Echo Sounder Transducer ZHANG Haitao ， TANG Qiuhua2，ZHOU Xinghua2， DING Jisheng ，LIU Jianli (1．Surveying and Mapping Institute ofLands and Resource Department ofGuangdong Province，Ouangzhou 510500，Guangdong，China； 2．First Institute ofOceanography，SOA，Qingdao 266061，Shandong，China) Abstract：During the period of the installation of Multibeam Echo Sounder(MBES)，the transducer coordinate system and the survey vessel coordinate system are hardly consistent because of the installation systematic errors． In order to unify two coordinate systems，the corrections of roll，pitch and heading must be finished before the hydrographic surveying．In this paper,the calibration methods and processes of EM 3000 M BES are presented detailedly in the Asia to America Gateway(AAG)submarine cable route survey Through the calibration of EM 3000，the high precise hydrographic data are obtained． Keywords：EM 3000；Multibeam Echo Sounder；calibration；hydrographic surveying