關(guān)于海洋測繪中測深技術(shù)的探討

1、<p>　　關(guān)于海洋測繪中測深技術(shù)的探討</p><p>　　摘要：本文作者分析并介紹了海洋測繪多波束系統(tǒng)的現(xiàn)狀，闡述了系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，供大家參考。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：海洋測繪；多波速；測深技術(shù)；探討 </p><p>　　中圖分類號：P229.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號： </p><p>　　多波束測深聲納系統(tǒng)通過在

2、指定空間預(yù)成多個波束，當(dāng)目標(biāo)回波信號入射到線列陣時，通過多個波束響應(yīng)向量對基陣接收信號進(jìn)行相位或時延加權(quán)補(bǔ)償，即可確定出信號的入射方向，并里用能量中心收斂法對回波信號進(jìn)行處理、計算，繼而判斷出目標(biāo)的方位。從以上工作原理部分的介紹可以看出， 多波束條帶測深技術(shù)是一種綜合水聲、衛(wèi)星通訊、儀器儀表、計算機(jī)等多學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)。通過對多波束測深現(xiàn)狀和數(shù)據(jù)處理等方面的分析，希望對我國未來海洋多波束測深做出貢獻(xiàn)。 </p><p&

3、gt;　　一、多波束測深系統(tǒng)理論概述 </p><p>　　多波束測深是水聲技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)和數(shù)字化傳感器技術(shù)等多種技術(shù)的高度集成。測深時，載有多波束測深系統(tǒng)的船，每發(fā)射一個聲脈沖，不僅可以獲得船下方的垂直深度，而且可以同時獲得與船的航跡相垂直的面內(nèi)的幾十個水深值。多波束測深系統(tǒng)一般由窄波束回聲測深設(shè)備（換能器、測量船搖擺的傳感裝置、收發(fā)機(jī)等）和回聲處理設(shè)備（計算機(jī)、數(shù)字磁帶機(jī)、數(shù)字打印機(jī)、橫向深度

4、剖面顯示器、實(shí)時等深線數(shù)字繪圖儀、系統(tǒng)控制鍵盤等）兩大部分組成。 </p><p>　　二、多波束測深的工作原來和技術(shù)概況 </p><p>　　1、 多波束測深工作原理 </p><p>　　多波束測深聲納是一種大型組合設(shè)備，除其系統(tǒng)本身外，還包括定位、羅經(jīng)、船姿傳感器、聲速剖面儀、數(shù)據(jù)采集工作站和繪圖儀等配套設(shè)備。多波束系統(tǒng)和傳統(tǒng)的單波束回聲測深儀從原理上講沒有

5、本質(zhì)的區(qū)別，只是多波束系統(tǒng)的換能器是由多個換能器單元組成的陣列，工作時能同時發(fā)射多個波束和接收多個波束，對海底進(jìn)行條帶式測量。 </p><p>　　2 、多波束測深技術(shù)概況 </p><p>　　多波束條帶測深系統(tǒng)是一種高效的海底地形測繪設(shè)備，它是在單波束回聲測深儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。多波束測深系統(tǒng)是利用安裝于船的龍骨方向上的一條長發(fā)射陣，向海底發(fā)射一個與船龍骨方向垂直的超寬聲波束，并利

6、用安裝于船底的與發(fā)射陣垂直的接收陣，經(jīng)過適當(dāng)處理形成與發(fā)射波束垂直的許多個預(yù)成接收波束，從而當(dāng)測深系統(tǒng)在完成一個完整的發(fā)射接收過程后，形成一條由一系列窄波束測點(diǎn)組成的，在船只正下方垂直航向排列的測深剖面。 </p><p>　　由于各波束空間上呈扇形排列，波束指向角自中央波束向邊緣波束逐漸增大，因此回波信號自中央波束開始主要為反射波，向兩側(cè)逐漸過渡到散射波。如上所述，振幅檢測法在單波束測深儀中是一種成功的海底信號

7、探測方法，其原因是單波束測深儀的回波信號主要是反射波。在多波束測深系統(tǒng)中，當(dāng)波束指向角不斷增大時，回波的反射波振幅將迅速減小，反射波的尖脈沖形態(tài)也將隨之趨于模糊。當(dāng)波束指向角還不十分大時，減小了的反射波振幅還可以用變振幅強(qiáng)度處理方法來檢測，但當(dāng)波束指向角足夠大時，微弱的反射波信號在背景噪聲中將變得無法檢測。因此在多波束系統(tǒng)的回波信號檢測方法中除了使用振幅檢測法外，一般還使用相位檢測法。相位檢測法利用相干原理，通過比較換能器兩個給定接收單

8、元之間的相位差的方法來檢測波束的到達(dá)角。 </p><p>　　三、多波束測深系統(tǒng)發(fā)展階段 </p><p>　　1 、SEABEAM 1000系列為代表的第一代產(chǎn)品，它的波束數(shù)少、掃幅寬度僅6O度，集成度低，水深數(shù)據(jù)不能實(shí)時處理。 </p><p>　　2 、SEABEAM 2000 系列、ATLASHYDROSWEEP和SIMRAD EM12為代表的第二代產(chǎn)品，

9、采用了P30大規(guī)模集成電路和DSP技術(shù)，波束數(shù)達(dá)到121個，波束角寬2。，數(shù)據(jù)實(shí)時和后處理軟件成熟。 </p><p>　　3 、SIMRADEM 120和RESON SeaBm 8150深水多波束測深系統(tǒng)為代表的第三代產(chǎn)品，采用了超大規(guī)模集成電路和速度更快的DSP板，波束數(shù)達(dá)到191個或更多，波束角寬0.5—1度，實(shí)現(xiàn)全姿態(tài)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)實(shí)時和后處理軟件更加成熟。 </p><p>　　4、

10、 近年剛出現(xiàn)的SIMRAD EM122深水多波束測深系統(tǒng)和EM710被稱為第四代產(chǎn)品，采用寬帶技術(shù)、近場自動聚焦和水體顯示等技術(shù)，提高了聲吶性能，波束數(shù)更多，測深點(diǎn)更密，集成度也更高。相比較EM120系統(tǒng)EM122系統(tǒng)標(biāo)稱指標(biāo)覆蓋寬度最大37 km，單次發(fā)射形成兩行共576個波束，可加密至864個測深點(diǎn)，波束角寬最小可達(dá)0.5×1度，該系統(tǒng)目前正在推廣階段。 </p><p>　　四、多波束測深系統(tǒng)數(shù)據(jù)

11、處理的發(fā)展趨勢 </p><p>　　1、 聲速及聲線跟蹤 </p><p>　　現(xiàn)有的聲速經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅容^多，這為深度的計算精度提高提供了寶貴的理論依據(jù)。但由于這些模型均為特定情況下的聲速計算模型，計算所得聲速彼此之間也存在著一定的差異，對波束腳印的歸位計算帶來了一定的困難?？紤]多波束系統(tǒng)的應(yīng)用范圍廣，涉及海域的水文因素變化復(fù)雜等特點(diǎn)，為此尋求一種適合多波束的最優(yōu)聲速經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵殉蔀槭滓n題。

12、 </p><p>　　2 、多波束輔助參數(shù)的測定和濾波 </p><p>　　多波束是一個由多傳感器組成的復(fù)雜系統(tǒng)，最終測量成果質(zhì)量不但取決于系統(tǒng)自身的測量數(shù)據(jù)質(zhì)量，還取決于輔助傳感器測量參數(shù)的精度，因此，開展諸如導(dǎo)航定位技術(shù)、聲速改正技術(shù)、潮汐改正技術(shù)以及換能器吃水改正技術(shù)等與多波束測深相關(guān)的專項(xiàng)技術(shù)研究，也是多波束數(shù)據(jù)處理未來面臨的主要任務(wù)。 </p><p>

13、;　　3 、深度數(shù)據(jù)濾波 </p><p>　　測量過程中白噪聲和海況的影響以及參數(shù)設(shè)置的不合理等，都將會導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)中出現(xiàn)假信號，形成虛假地形，從而使繪制的海底地形圖與實(shí)際地形存在差異。為了提高測量成果的可靠性，必須消除這些假信號，因此需不失時機(jī)地展開測深異常數(shù)據(jù)的定位研究，對數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的編輯，剔除假信號，為后處理成圖做好準(zhǔn)備。深度測量誤差不僅包含粗差和隨機(jī)誤差，還包含了系統(tǒng)誤差，某些情況下，系統(tǒng)誤差的影響還

14、相當(dāng)顯著。 </p><p><b>　　4 、圖像處理 </b></p><p>　　反向散射強(qiáng)度是多波束系統(tǒng)中又一類重要測量參數(shù)，由于數(shù)據(jù)量龐大，國內(nèi)許多用戶很少采集這方面的數(shù)據(jù)，對其圖像的研究也少有文獻(xiàn)。其實(shí)，多波束聲納圖像與遙感圖像、雷達(dá)圖像等除形成機(jī)理存在差異外，圖像的處理思想基本相同。多波束圖像由于形成機(jī)理、環(huán)境噪聲等與其它圖像還存在著很大的差異，因此，在

15、現(xiàn)有的圖像處理方法中研究適合多波束聲納圖像處理的最優(yōu)方法是圖像數(shù)據(jù)處理研究中的一個重要問題。 </p><p>　　5、 多波束數(shù)字信息與側(cè)掃聲納圖像信息的融合 </p><p>　　同多波束系統(tǒng)一樣，側(cè)掃聲納也可對海底進(jìn)行全覆蓋式測量。兩類設(shè)備的應(yīng)用，對實(shí)現(xiàn)海底地形地貌的認(rèn)識起著十分重要的作用。多波束系統(tǒng)既可獲得高密度、高精度的測點(diǎn)位置信息，又可獲得海底圖像信息，但由于分辨率的限制，一般

16、情況下，成像質(zhì)量較差；而側(cè)掃聲納則以成像為主，可獲得高分辨率的海底影像，但僅能給出描述海底地貌、地物的概略位置。多波束能夠給出海底地物的位置、大小等定量分析數(shù)據(jù)，但在對海底的定性分析方面還存在不足；而側(cè)掃聲納則可根據(jù)圖像的明暗程度反演海底地質(zhì)組成，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行地質(zhì)分類和定性分析，但卻難以利用概略的位置信息進(jìn)行精確的量化分析。 </p><p><b>　　五、結(jié)束語 </b></

17、p><p>　　基于幅度的測深算法有能量中心檢測、WMT和BDI算法三種；基于相位的測深算法分為分裂波束相位差算法和多子陣檢測算法兩種。為了得到精細(xì)而準(zhǔn)確的海底深度數(shù)據(jù)，提高多波束測深算法的精度和性能就顯得十分關(guān)鍵。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1] 黃謨濤.多波束測深技術(shù)研究進(jìn)展與展望[J].海洋測繪

18、，2010，（3）. </p><p>　　[2] 趙會濱，徐新盛，吳英姿.多波束條帶測深技術(shù)發(fā)展動態(tài)展望[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2009，（2）. </p><p>　　[3] 彭虎.超聲成像算法導(dǎo)論[M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社.2008. </p><p>　　[4] 田坦.水下定位與導(dǎo)航技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社.2007. </p&g