EM950多波束系统简介

Simrad EM950多波束测深系统及其相关设备的简介刘胜旋（广州海洋地质调查局第二海洋地质调查大队510760）摘要本文主要介绍挪威Simrad公司的EM950型多波束测深系统，对系统的各个关键部件如换能器、底部检测单元、操作单元等进行了较为详细地介绍，同时还对系统参数测试的步骤进行了详细的描述，最后是与系统相配套使用的其它相关设备。

关键词Ping(声脉冲)，陶瓷感应棒（ceramic stave）,Pitch，Roll，Swath(条幅)，OPU，DPU一引言多波束测深(Multibeam Echo Sounding)系统的出现，为研究海底地形地貌、寻找沉没于水中的飞机船舰、进行水下考古、铺设海底管线、航道岸提测量、工程疏浚的土方计算等一系列工作提供了可靠的手段。

为了顺利完成“我国专属经济区和大陆架勘测”专项（简称“126”专项），我国多家从事海洋地质研究的单位于1998年从挪威Simrad 公司分别引进了多套EM系列多波束测深系统。

其中国土资源部（原地矿部）广州海洋地质调查局引进了一套EM950型及一套EM3000型的多波束测深系统。

现结合一年来的使用经验系统地介绍一下EM950型多波束测深系统的技术指标、工作性能、各种参数的校正及相关设备等内容。

二Simrad EM950多波束测深系统(一)基本技术指标Simrad EM950 是一种高分辨率海底地形测深系统。

它的主要技术指标为：发射频率：95kHz脉冲宽度：0.2ms测深范围：探头以下3－400米波束宽度： 2.3°×3.3°覆盖宽度：最高可达7.4倍水深波束数：120个（每个脉冲60个）测深精度：15cm或0.25%水深EM950采用95 kHz的发射频率，这个频率兼顾了在海水和淡水中的工作能力。

其在海水中的吸收系数大约为30dB/km，当所测水深大于140m时，可以得到1000m的水平覆盖宽度。

在淡水的吸收系数大约为2—3dB/km。

当在河口或河口附近等含有大量泥沙的水域中工作时，因其发射频率的特殊性，它的测程并不会因吸收衰减而受到太大的影响，但会因水中悬浮微粒的漫射或者反射而受到较为明显的影响。

随着频率的增加，反射会以4次幂的速度而增加。

因此，EM950在上述水域中工作时，它的性能、效果要比以200 Hz频率工作的多波束测深系统好得多。

例如，在每升水中含有1克泥沙、微粒直径小于0.1mm的水域中，EM950以150°的发射角，刚好能工作于30米的水深范围，并且，底部反射强度不低于–35dB。

而在同样的水质条件下，以与EM950相同的波束宽度、200 kHz发射的多波束测深系统在3米深的水域里就开始丢失波束，并且，在30米深的水域里其覆盖宽度只有60°。

(二)换能器Simrad EM950换能器采用接收与发射一体化的设计方式。

换能器的形状为半径为45°、开角为160°圆柱扇形。

它包含有128个陶瓷感应棒，每个陶瓷感应棒在前后平面方向又包含有5个感应器，因此，在横向上，每个陶瓷感棒的间隔为1.25°。

波束形成器在前后方向平面的开角固定为3.3°,波束的中心方向垂直于换能器的表面，但是由于旁瓣的影响，其接收、发射波束的有效宽度在前后方向均为 2.3°。

在横向上，接收波束的宽度为3.3°，除那些波束指向角大于59.4°的波束外，其余的波束都垂直于换能器的表面。

换能器应该安装在尽可能深且尽可能向前的地方，以避开水中汽泡的影响。

换能器既可以安装在一个焊在船壳上的流线型护罩内，也可以安装在伸缩的外壳单元内。

如果是非固定安装，船速必须限制在10节以内。

传感器上的陶瓷感应棒通过各自的电源放大器直接受控于发射信号处理器。

该信号处理器通过设置放大信号之间的相位和进行振幅调节然后形成波束。

声波频率、128个发射器电源放大器的控制信号的计算也是受埪于该信号处理器。

而船姿、Roll 、Pitch、声速则作为该处理器的输入参数。

接收处理步骤包括：探头的128个陶瓷感应棒上的带时间增益控制（TVG）的前置放大器进行前置放大、滤波、数模转换、经过横向偏角补偿后形成波束、对60个波束进行数字滤波和计算它们的振幅与相位。

最后是将这些原始数据与三维涌浪补偿器数据、罗经数据经过两条同轴电缆传送给底部检测单元。

(三)底部检测单元（DPU）与操作单元（OPU）在底部检测单元与操作单元里，使用的是一台工业标准总线（ISA）计算机。

该计算机使用的是Intel实时操作系统，以便充分利用80486微处理器的功能来处理EM950产生的大量的数据。

这些软件大部分都是用C语言或PL/M语言等高级语言编写的，这就使得它与其它设备有着很好的兼容性。

底部检测单元与操作单元里用以太网(Ethernet)连接起来而形成一体。

底部检测单元从接收系统获得原始数据后，对它们进行处理以获得每一个波束从探头底部到海底的旅时间。

操作单元的作用是从底部检测单元接收到波束的旅行时间后，然后进行水深、定位点转换以及其它处理。

操作单元通常需要从外部系统精确地接收导航定位、时间标签（Time-Tap）等数据，最后把这些数据如水深定位点数据、水深数据、海底影像数据等通过以太网传送给SUN工作站的数据记录系统。

操作单元通过菜单可以进行所有的设置控制：参数设置、发射模式设置、最近一个声脉冲的横向水深剖面显示、船迹方向任一波束的纵向水深剖面显示、SVP剖面的显示与编辑以及船姿、航向、定位点等等。

对于任一个波束，我们还可以显示它的随声脉冲而变化的回声测深图（Echogram）、波的振幅数据、相位数据等。

声速探测器测量到声速数据后可以被操作单元直接读取，也可以在另一台计算机编辑好以后通过以太网或串行口传送给操作单元。

SVP剖面也可以在操作单元上直接输入、编辑、显示等。

在声线弯曲计算过程中，最多只能用到100个不同的声速数据，因此，当我们所测的声速剖面数据大于100个时，我们必须通过编辑适当地去掉一些数据后才能使用。

(四)与相关设备的联接Simrad EM950多波束测深系统是由换能器、底部检测单元、操作单元、声纳接收发射机、导航定位系统、涌浪补偿器、表面声速传感器、声速剖面探测器、声纳图像打印机和图1 EM950系统及其相关设备连接图数字罗经等设备组成。

它们之间的连接见图1。

DGPS接收机接收到导航定位数据后,通过以太网经由OPU、DPU再传给Sun Ultra2 工作站，而后由工作站形成实时电子导航图传给导航计算机，再通过分屏器传至驾驶台。

工作站还负责数据记录、质量监控、海试时进行Roll、Pitch、Time Offset校正，软件还可以实时生成彩色等值线图和显示高分辨率海底影像图。

三微涌浪补偿器负责船姿补偿校正。

船的航向则是由涌浪补偿器和数字罗经的信号共同作用而校正。

(五)工作模式在3－400米的水深范围内,系统的脉冲长度为0.2秒。

对于每一个声脉冲（Ping），都可以形成60个波束，它们之间的间距为2.5°(等角度模式), 或者为水平等距离模式。

下一个脉冲时，所有的波束都向左或右平移半个波束间距，这样交替地发射，每两个声脉冲就可以得到120个波束。

水平等距离模式发射时，发射角可以为150°、140°和128°，条幅宽度最大可达7.4倍水深（见表1）。

对于75°开角发射模式，可以用于高精度测量。

当EM950采用等角度模式发射时，波束之间的距离从中央波束到外缘迅速地增大。

因此，如果我们想要对一个测区进行均匀地采样测量，就不能采用这种工作模式。

另外，由于外缘波束的距离过大而导致EM950后处理系统不能正确地处理时，也不能采用这种发射模式，这时只能采用等距离模式发射。

但是，随着水深的增加，有可能出现丢失波束的现象，这时可以采取减小发射角的办法以获取完整的波束数及提高测量质量。

另外，EM950可以依据水深、底质情况和接收到的有效波束，自动的选择一种最佳的发射模式(只限于水平等距离模式)。

对于每一个波束它们的采样间距为15cm（振幅采样）或30cm（干涉相位采样）。

EM950的四种等距离发射模式的基本情况如下表所示, 其中的倍数关系由于各个海区的物理、化学性质不同而有可能发生变化。

表1 EM950等距离发射波束性能表为了进行堤岸测量，这里有三种可选的测量模式：河道模式（Channel mode）,右舷模式（Port Bank mode），左舷模式（Starboard Bank mode）。

在河道模式中(如图2)，每两个脉冲有76个波束以124°的扇形发射角向中央位置发射，条幅宽度为5.0%倍水深。

另外，每边有22个波束以1.5 °的波束间距、33°的扇形发射角向两边发射，这样，总的发射角为190°。

为了方便单边堤岸领域方面的应用，操作员可以选择左舷或右舷模式。

对于堤岸模式(如图3),在向岸的一面，有22个波束以1.5 °的波束间距、 33°的扇形发射角向岸边发射，剩余的98个波束以137°的扇形发射角向中央发射：条幅宽度为5.2%倍水深。

当岸边非常陡峭时，这样的几何结构模型可以取得非常好的测量效果。

三海上实验对于任何一套精密仪器，其参数正确与否，是影响整个系统性能和精度的主要因素。

因此，在正式工作、生产前，都必须正确、严格地测定它们的各项参数。

EM950也不例外，在其每一个航次前，或有关键硬件设备更换时，都应进行参数测定。

需要测定的参数有：Roll（横向偏角）、Pitch（纵向偏角）、Time Offset（时间延迟）、Gyro（航向偏角）。

另外，在以上四项参数测定前，还需要作SVP（声速剖面）校正。

1.Roll Calibration如图4 ，选择一处比较平坦的海区布置一测线AB，测得正确的SVP数据后输入系统，然后以正常的航速（10节）、相对的方向沿AB线行驶一个来回，得到两个文件1和2。

然后用系统自带的Roll Calibration模块打开文件15），通过调整Roll参数，使得该剖面上的水深点重合得最好（图6、图7），最后得到Roll 参数。

Roll参数只是一个修正值，用原来的校正参数加上该修正值，即为新的校正参数。

图4 Roll校正侧视图图2 河道模式图3 右舷模式2.Pitch与Time Offset Calibration找一个有斜坡的海域，布设一条垂直于该斜坡的测线AB（图8），先以正常的航速（10节）、相对的方向沿AB线行驶一个来回，得到两个文件3和4。

再以一半的速度（5节）、相对的方向沿AB线行驶一个来回，得到两个文件5和6。