使用FANSWEEP20型多波束测深仪最佳数据质量的获取方法

FANSWEEP 20 型多波束测深仪获取最佳质量数据方法上海达华测绘公司高炎[摘要] 目前国内外对多波束的应用、开发技术层出不穷。

多波束的种类和各个品牌的技术特点也各有不同。

相关的技术人员对其技术通性应有一定的了解。

对于FS-20型多波束介绍的相关信息比较少。

本文以一种应用的角度介绍了FS-20型多波束。

从原理引申开来，结合笔者的实践，详细介绍了FS-20的各个参数的性质和设置方法，以及对测量结果的影响程度。

以实际工程例子做出具体的说明[关键字]FANSWEEP-20、多波束、数据质量一、引言伴随现代科技的发展，如今的水运工程技术有了长足的进步，出现了许多前所未有的高新技术测量手段。

由于在疏浚工程中，人们对海底地形地貌测量的要求日益提高，传统的单波束测量技术由于其测量效率，可靠性上的局限，已无法完全满足当代疏浚工程中的各种新需求。

正是在这种背景下，我公司与2000年6月引进了德国FAN SWEEP 20型多波束测深系统，使我公司测量技术发生巨大的变革，即将测深技术从原先的从点到线扩展到由线到面，并进一步发展到立体测深和自动成图。

由于多波束技术采用了广角度和多信道定向接收技术，获得水下高密度条幅式海底地形数据，从而彻底刷新传统测深技术的基本概念。

经过近一年多来的工作，我们从测深原理系统构成、射线几何学、误差来源与分析、校正技术等方面进行不断的消化，吸收和实践。

从而掌握和形成适用水运工程测量特点的新的水下地形测量技术框架。

下面将获取FS 20型多波束系统最佳质量数据的操作和测量方法介绍一下。

图一二、系统构成和工作原理概述完整的多波束系统由多波束的多阵列发射/接受换能器，用于信号控制处理的电子柜，运动传感器，定位系统（如DGPS、或RTK DGPS）；声速剖面仪和其它必要的外围设备组成。

如图一所示。

所以换能器的工作过程可以简单的分为：信号发射和信号接收如图二所示图二多波束系统在工作过程中，同时发射的波束对海底形成一个覆盖式条带，此条带宽度由波束的发射开角决定，而波束发射角由发射模式控制参数决定。

船姿传感器的船姿信号和波束数据被一起传送给信号处理器，信号处理器根据这些信息计算出脉冲发射信号和波束数据，然后这些数据被送到多通道变换器，形成多个波束发射信号，这些信号在经多通道前置放大器进行功率放大，分别形成多个声波发射脉冲信号，同时多通道前置放大器控制着收、发转换开关电路，这些声波发射信号分别被送到换能器阵列中相应的换能器单元，并发射出去。

接收信号的电子过程与发射信号的电子过程是相反的，就是利用压电陶瓷的压电效应把声能转换为电能。

只是这个信号还要经过复杂的信号处理才能生成反映海底地形、地貌的数据。

多通道的前置放大器将从换能器接收来得多路回波信号进行放大，此放大过程受时间增益（TVG）信号的控制。

放大后的模拟信号输送给数据采集电路，在这里，模拟信号被转变为数字信号。

信号经多通道信号处理器处理后形成地形、地貌数据，输出到外部设备。

信号接受过程中，与单波束测深仪显著不同的是信号处理电路中的波束形成、控制电路。

声波在传播过程中若不是垂直射入，受声速影响，传播路径会发生变化，即声波的折射现象，若不改正，由此计算出来的水深是不正确的。

波束形成、控制电路作用就在于对波束的传播路径进行改正。

此电路可以从存储电路读取存在其中的一些参数（如各海水层声速数据），利用此数据将未经改正的数据进行改正。

通过信号流程的分析，为寻找误差源，分析误差以及进一步消化吸收新的技术提供了切入点。

三、获取最佳质量数据的几个关键技术1、建立船体坐标系。

船体坐标系统主要用来表示测量船上的多波束换能器、所有的传感器（电罗经、三维运动补偿器）以及GPS天线与测量船的相对位置关系。

从而确定水（海）底测点的空间关系，实现波束的空间位置转化。

其基本方法是1、坐标系的原点可以任意选择，但是通常为了归算方便，我们选在船的中心位置。

船体坐标系的建立方法。

如图三所示，它是一个右手坐标系，也叫垂直参考坐标系，它的ｘ轴指向船艏，ｙ轴指向船左舷，ｚ轴垂直向上。

其中每一个轴上的旋转方向为正的旋转方向。

在这个坐标系下我们可以由测量数据求得每一个水深点相对于船体中心的坐标位置。

图三X 0Y = rsinθ（1）Z - rcosθ式中：r为几何斜距；θ为波束角；由于船体坐标系是相对于海底运动的，为了进一步把水深数据转换到大地坐标系里，我们还需要建立一个过渡坐标系。

我们称之为当地坐标系。

当地坐标系也是一个右手坐标系，其原点与船体坐标系重合，ｚ轴向上。

ｙ轴指北，ｘ轴指东。

这样我们就可以把船体坐标系里的坐标通过三个方向的坐标旋转R，p，a，即纵摇角，横摇角，航向角，变换到这个规则的当地坐标里。

Xll 0Yll =R（a，p，R）rsinθ（2）Zll - rcosθ式中：a为船体坐标系当地坐标系的夹角称为航向角；p为船体坐标系的纵摇角；R为船体坐标系的横摇角。

由于船体中心的三维大地坐标是可以由GPS得到的。

下面只需要将当地坐标系利用大地测量学的极坐标，或坐标平移就可以获得出图时所要的大地坐标系了。

这时我们通常可以选择WGS--84系统。

另外由于确定高程的方法不同，垂直控制系统可选择不同类型。

比如，长江口地区选择吴淞基准面作为测深的垂直基础。

在实际测量活动时建立船体坐标的关键工作是把安装在船体各个地方的传感器的数据都归算到坐标原点上。

如果没有精确的把这些传感器的位置或角度归算到船体坐标系中，实际上就在三个方向，a，p，R的坐标旋转角上附加了一定的角度（如电罗经的安装角不准确，运动补偿器的初始值不准）或者是产生一定的坐标平移量，ΔX，ΔY，ΔZ（如GPS与换能器的相对位置不准，GPS与测深仪有延迟）。

各个传感器本身有一定的系统偏差，在工作的时候不可避免的存在一些随机误差。

它们是横摇、纵摇、艏摇误差和动吃水、声速、定位误差图四2、船舶姿态的测定与控制多波束测深系统在实测过程中是一个无规则的动态过程。

在风、浪、涌、流的影响下发生了横摇（R）、纵摇（P）、和船舶航向的变化。

这就是船舶姿态的三个基本参数。

在多波束系统施测中，测定三个参数是基本要求。

船体坐标是在R、P为零的情况下定义的。

在施测中横摇、纵摇不仅影响定位数据，产生波束的位置误差，而且造成深度误差，尤其是浅水航道或浅水域的测量需要准确、可靠的数据时应校正P和R对定位和测深的影响。

另外航向误差在多波束测深系统中起着十分重要的角色。

它直接涉及到测点测深的归算问题。

为此，在多波束测深系统中配置了高精度的运动传感器和电罗经，其目的就是消除或减弱P和R以及航向角的误差造成的影响。

但是运动传感器的补偿校正作用是有限的。

纵摇校正在15度范围内其准确度为0.5%；横摇校正在7度范围内准确度为0.25%。

所以在测量中，要强调海况，严格控制海况条件达到运动传感器的限制范围。

3、调查测区的声速剖面经常实时的声速剖面测量是保证多波束水底地形测量准确度符合要求范围的重要手段。

与单波束不同，多波束测量依赖于海水介质对声波的传播、反射、散射，测量各波束的不同到达角，（Arrival angle），把接收到的数据按角度，按旅行时经过的声速剖面折算成深度和侧向水平距离。

因此海水介质的声速剖面特征和结构变化对水深测量质量的关系十分密切。

根据目前的调查资料，声速剖面的结构可分为三种类型。

1、等速均匀结构，如黄浦江水域的声速。

2、随深度增加声速线性增加，如长江口水域的声速。

3、两种不等的声速均匀相互叠加的跃层结构，如长江口水域的声速。

长江口深水航道治理工程的区域是受到长江淡水、海洋高盐度海水的交替影响；而且还受气温、季节、含砂量等因素的作用；海水介质具有明显的温盐特征，所以导致了声速结构的时空变化。

在使用多波束测深系统时首先要了解测区的声速变化情况，掌握一般的声速变化特征与规律。

四、参数设置的原则通过参数设置不仅可以消除系统内部的固有误差而且可以使系统发挥到最好的工作状态。

充分发挥多波束测深的优势。

要设定合理的参数就一定要综合的考虑系统内部和外部的各项影响因素。

就FS 20型多波束而言，常用参数设置有12项，如最大/最小水深参数、脉冲电压参数、发射波束控制、宽深比设定、脚印控制、波束数控制、时间增益控制、门限设置、影响显示设置、探测模式设置、吃水设置、声速设置等。

另外还有不常用的校正设置如换能器安装角设置、换能器的固有误差校正设置等。

这些参数的内部都有密切的联系，必须合理、科学的设定它们才能达到预期的使用目的。

在长期的工作中我们总结了一些参数设置的原则，现将一些主要的设定原则介绍如下：1、最大最小水深参数多波束测深系统的最大最小水深是测量人员设定的。

大多数人认为水深测量范围是一个无所谓的参数，它就象是单波束系统里的纵向屏幕比例尺。

其实情况完全不是这样，它的设置在某些情况下对测量精度的影响非常大。

在正常情况下，这一设定值都是给出一个足够宽的水深变化范围用以测量。

这时FS 20的内部电子跟踪器件会自动对所获取的水深数据进行过滤改正，可以获取正确的水深值和地形描的绘情形。

但是水下环境较差时，比如水质较混或有较多气泡。

这时仪器的声学自动改正功能的跟踪算法就不一定很管用了。

此时很容易出现杂波或毛刺，使测量数据一片混乱。

所以我们就必须给出一个变化范围较小的测量水深范围，以适应测况的需要。

这样的处理对减少假水深的帮助非常明显。

2、脉冲电压参数脉冲电压的强弱直接影响着换能器信号的发射和接收强度。

在深水测量区域高的脉冲电压可以提高反射信号的信噪比（S/N）。

但是在浅水区域测量，高的脉冲电压所提供得声能会造成过度使用前置放大器，这样会严重影响下一个声学信号的发射接收过程。

通常作业时我们会使用“自动”脉冲控制开关。

这时脉冲电压的大小就会由仪器的内部规则系统自动的设定，从而保持一个固定不变的理想接收强度。

这样这个控制电路就是由接收信号的强度来控制而不是一个简单的我们给定的电压值来控制了。

但是一般情况下我们不去使用“自动”开关，因为脉冲电压自动的频繁变化会使旁扫影象图形发生扭曲，这对测量没有好处。

我们是以损失旁扫影响为代价来换取我们的“方便”。

所以只是在特定环境下才使用“自动”选项，比如水的深度和水底反射变化非常厉害，我们没法给出一个确定的3FS 20提供了4个发射波束，分别位于换能器的两边各两个，每边都有一个里波束和一个外波束。

有时也把里波束称为宽波束，外波束称为窄波束。

在正常情况下换能器的4个发射波束都是打开的。

但是在噪声特别大的时候，比如水中的泥沙和气泡较多的情况下，可以关闭两侧的外波束。

这样虽然接受数据减少了但是可以有效的减少那些假水深的干扰。

在全局的意义上来考虑这样的选择还是提高了工作效率。

4、宽深比设置FS 20 在宽深比为600%时是可以严格符合IHO SP 44标准的。