多波束外业测量及内业处理概述

二、多波束测量的外业实施流程
3、多波束系统安装校准测量
按照多波束系统校正要求，在一定的水深且变化明显的水域作为校正 场，进行四对测线的测量，分别用于Latency、 Roll 、 Pitch、Yaw的校 正。 校准测量一般要求： Latency offset---同向，不同速度，同一条计划测线，垂直于斜坡 或从特征物正上方通过，仅使用正下方波束的数据。 Roll offset---反向，正常测量船速，同一条计划测线，平坦区域， 使用横向数据。 Pitch offset---反向，正常测量船速，同一条计划测线，垂直于斜 坡或从特征物正上方通过，仅使用正下方波束的数据 Yaw offset---同向，正常测量船速，两条平行计划测线，垂直于斜 坡或从距特征物两倍水深处通过，使用两倍水深处的数据。
Latency 斜坡 ROLL Pitch Yaw 平坦 斜坡 斜坡
航线
相同 相同 相同 不同
船速
不同 相同 相同 相同
航向
相同 相反 相反 相同
1.25cm
SIMRAD EM3002D 多波束测深仪
SIMRAD EM3002D 技术指标
频率: 最大ping率： 波束宽度： 293，307kHz（单个换能器：300kHz） 40Hz 1.5°×1.5°
水深点个数:
覆盖宽度: 测深范围:
320个
最大210°（单个换能器：130°） 1 to 200 metres
波束间距:
测深精度： 脉冲长度：
等角模式、等距模式
5cm 150µs
R2Sonic 2024 多波束测深仪
R2Sonic 2024 技术指标
频率: 200 kHz -400kHz（在线实时可调） 最大ping率： 75Hz 波束宽度：
0.5°×1.0° （400kHz）、 1.0°×2.0°（200kHz）
多波束外业测量及内业处理概述
授课人：董玉磊
天津海事局海测大队
一、本单位多波束系统使用基本情况
1、现有设备型号 Reson Seabat 8101-ER Reson Seabat 8101-210 Reson Seabat 8125 ES3 EM3002D R2sonic 2024 2、多波束系统的辅助设备 Ixsea octans型光纤罗经 GPS定位系统 声速剖面仪 3、采集软件 6042 Qinsy PDS2000 4、 处理软件 Caris HIPS GIS 5、技术标准 目前尚没有一个统一的、完整的多波束实施技术标准
频率: 波束个数: 覆盖宽度: 测深范围: 条带宽度: 240 kHz 101 波束角: 1.5° x 1.5°
7.4x 水深 (150°) 0.5 to 300 metres 7.4 倍 - 0.5 ~ 70m 4.2 倍- 100m 2.7 倍- 150m 2.0 倍- 200m
1.6 倍 - 250m 1.3 倍- 300m
测深分辨率: 最大发射速率: 重量: 尺寸: 5cm 30 次/每秒 最大船速： 15节
26.8 kg (空气中), 4.8 kg (海水中) 直径: 320mm, 长度： 266mm
RESON SeaBat 8125多波束测深仪
RESON SeaBat 8125技术指标
频率: 测深分辨率: 覆盖角度: 最大测深范围: 波束数: 沿航线波束角: 垂直航线波束角: 最大船速: 最大发射速率: 455 kHz 6 mm 120° 120 m 240 1°， 0.5° 12 节 40 次/秒
一部分散射的能量作为回波回到声源处叫做后向 散射。 后向散射一般称为反射。反射分为： 水面反射 水体反射 水底反射
水体反射
鱼 / 水中生物 悬浮固体，气泡，温度变化
水面反射
波浪 / 气泡，与风速有关
水底反射
水底粗糙度 / 沉积物 声波频率
TVG
• Absorption 和 Spreading Loss 是确定 TVG 曲线的二个主要参数 • 在干净的淡水中，或者在海底具有很好 的反射体的水中，absorption 和 spreading loss 设置通常较低 • 在海水中，或者在海底具有较差的反射 体的水中， absorption 和 spreading loss 设置通常较高 • TVG 设置影响 TVG 曲线的形状
TVG 曲线
Gain
Time
Gain
Time
增益设置只是整体向上或下移动增益曲线而不改变曲 线形态
TVG 增益
Spread Loss
可用值等范围为 0～60，缺省的初始值为30。
Absorb 可用值等范围为 0～120 dB/km ，缺省的值对海水为70 dB/km ，对淡水为20 dB/km
增益按照下列公式随时间（深度）变化：
二、多波束测量的外业实施流程
1、设备的安装、连接、调试、校准
GPS定位仪
GGA
采集电脑
光纤罗经 姿态传感器
姿态数据
换能器处理单元
设备连接示意图
探头
二、多波束测量的外业实施流程
2、测量船坐标系统的建立 参考原点的确定：一般为初次安装时换能器安装杆与水线的交点。 量取运动传感器、换能器、GPS天线在船体坐标系中的位置参数。 （测量船右舷方向为X轴正方向，测量船船头方向为Y轴正方向，垂直 向下方向为Z轴正方向）
80 82 85 88 91 94 96
25°C
89 94 97 101 105 109 113
270
280
69
71
82
84
99
101
116
120
290
300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400
73
75 78 80 82 85 87 90 92 95 98 100
表层声速与波束导向
对声源阵中不同基元接收到的信号进行适当的相位或时间延迟可实现波束导向
表层声速与波束导向
弧形阵，对表面声速不敏感
平面阵，表面声速非常重要
弧形换能器阵特点
优点
对表面声速的容差大 波束形成简单
缺点
机械结构上更复杂（成本 更高） 对各基元位置容差小（压 制旁瓣更困难）
在所有波束方向上波束宽度 安装较麻烦 一样（主要优点）
校准（The Patch Test）
• 多波束校准包括:
GPS 延时（Latency） 横摇偏差（Roll） (about the Y axis) 纵摇偏差（Pitch） (about the X axis) 艏摇偏差（Yaw） (about the Z axis)
• 要进行多波束校准，首先要在特定的海底 地形上采集数据 • 安装一次就要校准一次。当更换设备或改 变传感器位置都要做校准
注意：并没有真正的能量损失，只是随着波前面的增 大而能量密度变小。与声波频率无关。一般为30 log DB.
吸收（Absorption）


水吸收声能量后转变成热量，单位： dB/km
与水中 MgSO4 和 MgCO3 含量有关 与声波频率有关 与温度有关

海底吸收：
变化幅度为 2 dB – 30 dB 随声波频率、海底类型、入射角变化 随着频率和入射角的增加损失增加
平面换能器阵特点
优点
加工制作容易
缺点
需要表面声速做波束导向 （必需的）
可以有很高的制作精度 （增进压制旁瓣能力）
安装容易
随着导向角增加，波速变 宽（主要缺点）
波束形成较麻烦
表层声速与波束导向

如果用于波束导向的声速大于真实声速，平坦海 底就会表现为“笑脸形”； 如果用于波束导向的声速小于真实声速，平坦海 底就会表现为“哭脸形”； 对弧形阵，因为每个波束都垂直于阵表面，对表 面声速不敏感，大致声速就满足要求。
SeaBat 8101-210 多波束测深仪
Reson SeaBat 8101-210 多波束测深仪
频率: 波束个数: 覆盖宽度: 测深范围: 条带宽度: 240 kHz 141 个 8 x 水深 5 to 300 metres 7.4 倍 - 0.5 ~ 70m 4.2 倍- 100m
距离分辨率:



因为水体中声速变化而引起的声线折射，则需要 根据声速剖面数据用射线追踪的方法改正
声速对多波束的影响
多波束
声速对单波束的影响
纵摇角度
未经稳定的波束受船舶 运动影响
实际照射的区域
希望照射的区域
影响声速的因素
海洋中各处的声速都可能不一样 取决于三个参数
盐度变 1ppt = 声速约变 1.3 m/s
5dB/km
30dB/km
20dB/km
70dB/km
70dB/km
110dB/km
Seawater Absorption db/km Freq.
200 210 220 230 240 250 260
10°C
55 57 59 61 63 65 67
15°C
67 69 71 74 76 78 80
20°C
二、多波束测量的外业实施流程
4、外业数据采集 按计划测线进行水深测量：采集水深、定位、姿态数据，采集声速数 据，同步观测潮位。 5、数据处理简要过程 水深数据格式转换 检查导航定位数据 检查姿态数据 编辑 svp声速剖面数据并进行声速改正 线模式数据清理 输入潮汐数 据进行MERGE处理 分区域进行SUBSET块模式编辑。 6、水深图编辑 建立CARIS头文件 将清理后的水深数据输入CARIS文件 水 深压缩处理（两次压缩） 坐标转换 导出XYZ格式的水深文件 在外业成图系统中进行成图编辑。
与盐度Baidu Nhomakorabea关
与压力有关
扩展损失和吸收损失值将用于计算TVG 增益曲 线的上升速度
频率 12kHz (SeaBat 8150)
淡水吸收系数 <1dB/km
盐水吸收系数 2 dB/km
100kHz (SeaBat 8111)
240kHz (SeaBat 8101) 455kHz (SeaBat 8125)
86
88 91 93 95 97 99 102 104 106 109 111
104
106 108 111 113 115 118 120 122 125 127 129
123
126 129 132 135 138 141 143 146 149 152 154
水中的声波遇到下列物体后发生散射: ������ 水面、水底和陆地 ������ 有机颗粒 ������ 海洋生物 ������ 气泡 ������ 温度变化 被散射的能量大小是声波传播路径上杂物的大小 、密度和浓度，以及声波频率的函数。
校准（The Patch Test）
• 校准用的测线数据的测量顺序不重要 • 校准参数计算的先后顺序非常重要 • Latency 第一，然后是 Roll, Pitch, 和 Yaw. • 潮位将引起结果误差，因此做校正计算时要注意 潮位改正问题
校准（The Patch Test）
校准外业作业
海底
三、多波束数据三维成图工程应用实例
1）、原始测量数据形成的三维俯视图
该区域航线长约95m，扫趟宽度约53m。设计通航水深16.8m
三、CARIS三维成图工程应用实例
2）、某港港池柱状碍航物三维图
Reson SeaBat 8101-ER 多波束测深仪
Reson SeaBat 8101-ER 技术指标
接收增益 = (2 R) + Sp logR + G
其中: = 吸收损耗 dB/km R = 深度范围 米 Sp = 扩展损失系数
脉冲长度
• 高频、高分辨率系统具有较短的脉冲长 度 • 脉冲越短，分辨率越高；脉冲越长，测 深范围越大
• 脉冲长度应足够长以保证足够的量程，但是太长的 脉冲将给水深测量带来更多噪声 • 用最短的脉冲可获得最佳的分辨率 • 当在大水深满功率工作时，要增加脉冲长度以获得 大量程
水深点个数:
覆盖宽度： 测深范围:
256个
10°- 160°（在线实时可调） 1 - 500 m
测深精度：
脉冲长度：
1.25cm
10µs-1ms
弧形换能器与平面换能器
• 弧形换能器： Reson Seabat 8101-ER Reson Seabat 8101-210 • 平面换能器： Reson Seabat 8125 Simrad EM3002D R2sonic 2024 Odom ES3
温度变 1º = 声速约变 3 m/s C
压力 ：165米深度变化的影响相当于
温度变1º C
典型海洋声速剖面
声速（米/秒） 表面层 季节性温跃层 永久性温跃层
水 深 度 （ 米 ）
深部等温层
传播损失
扩展损失 衰减
•吸收 •散射 •反射
扩展损失（Spreading Loss）
球面扩展
柱面扩展