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多波束水深测量数据处理及思考

顾顺隆(上海海事局海测大队)

摘要：根据多波束测深及其辅助传感器测量原理，对多波束数据处理方法进行了探讨，并对各种误差影响进行了思索。

关键词：多波束坐标系传感器系统偏差归算误差

1前言
随着科技的发展，水深测量方法已经从测杆、测绳测深发展到超声波测深；从电火花测深记录纸模拟输出到数字化输出、断面图像文件(无纸化)输出；从单波束线测深发展到多波束面测深；从六分仪定位发展到GPS定位；从人工测量方式发展到自动化数据采集。伴随着测深技术的进步，我们的测量能力和测绘成果的质量得到了空前提高。
多波束测深仪是单波束测深仪的发展，其显著特点是能一次发射和接收一列波束，在测量船速等控制得当的情况下，多波束测深仪可以对一个区域进行全覆盖的面测深，这是对单波束测深技术的巨大改进。多波束测深技术的应用，不仅提高了外业测量的作业效率，同时也提高了野外探测能力；不仅为水深测量提供了方便，也为沉船或沉物的寻找、暗礁或浅点的探查提供了方便。
随着多波束测深技术的全面推广应用，大家赞叹着技术进步带来的便利，但同时也出现了一些令人疑惑甚至令人担忧的问题，需要从实践和理论两方面进行分析研究，如，单波束测深仪或旁侧声呐测到的某些目标，多波束却未能测出。问题的存在，引人思考：面对技术进步，不仅要引进新技术，还要能够及时消化和吸收；不仅提高设备的技术水平，还要同时提高作业人员的技术素养。
以下是对多波束数据处理等的初略探讨。
2多波束系统的坐标系
多波束测深系统是多传感器组成的综合系统，除了多波束测深仪和定位仪器外，还包括测定船舶航向的电罗经、测定纵摇横摇的姿态传感器及测定上下起伏的涌浪滤波器等辅助测量设备。只有当它们相互匹配时，才能正常开展测量工作。为了方便叙述及公式推导，本文定义和使用如下的坐标系统：
2·1测量船坐标系(XbYbZb)
图1
右手系，往船艏方向看，向左为X轴正向，与船艏艉线平行为Y轴正向，垂直向下为Z轴正向，坐标原点一般选在多波束探头发射中心。多波束探头、姿态传感器、电罗经、GPS等的安装位置及其坐标系均依测量船坐标系确定。（见图1）
2·2多波束探头坐标系(XcYcZc)
与多波束测深扇面垂直，并指向船艏为Y轴正向，向左为X轴正向，中心波束方向为Z轴正向，坐标原点在多波束探头发射中心，三轴与测量船坐标系对应轴平行。
2·3姿态传感器坐标系(XdYdZd)
三轴与测量船坐标系对应轴同向平行。
2·4电罗经坐标系(XeYeZe)
三轴与测量船坐标系对应轴同向平行。
2·5水平坐标系（XaYaZa）
与平静时的测量船坐标系重合，XaYa平面与当地水平面平行。水深点纵摇改正、横摇改正和航向倾斜改正等，均参照该坐标系进行。
2·6测量坐标系(XY)
一般使用高斯坐标系，多波束水深经航向归算后，最后纳入该坐标系。
3横摇与纵摇改正
多波束测深系统进行水深测量时，因受风浪的影响，测量船不免产生摇摆，导致测量船坐标系的倾斜，使测得的水深出现系统偏移，从而需要同时进行船舶姿态测量，并对水深进行倾斜改正。姿态传感器可以测量船舶的横摇（roll）与纵摇(pitch)（如图2），依此可进行横摇改正与纵摇改正。
图2

改正时，测量船坐标系(XbYbZb)绕直线l旋转ρ即可与水平坐标系（XaYaZa）重合。所以有
（1）
其中，
（2）
α为横摇，β为纵摇。声线处理时，该公式不很方便，为此，下面给出另一种形式的转换公式：
图3

首先，水平坐标系（XaYaZa）绕Za轴旋转偏角ε，得坐标系（X'aY'aZ'a），并要求Y'a轴与Yb轴在XaYa上的投影重合（见图3），有
（3）
分别绕Y'（Yb）和X'a轴旋转，得
(4)
其中，
（5）
α为横摇，β为纵摇。
偏转角ε可按下面的公式直接求取：
（6）
其中，ρ和κ按（2）式求取（参见图4）。

图4

4航向归算
多波束系统测向一般采用光纤罗经或陀螺罗经，它们都依据地球自转进行航向测定，但就测量原理来讲，有着本质的不同。在航向归算前，先要弄清它们测得的是什么量，需要进行怎样的变换处理。
4·1光纤罗经
光纤陀螺原理基于光学的萨格钠克(Sagnac)效应：当光束在一个环形的通道中前进时，如果环形通道本身具有一个转动速度，则在不同的前进方向上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。利用这种光程的变化，光纤陀螺可以测量光纤环路的转动速度。
光纤罗经安装三个相互垂直的光纤陀螺，可分别测出地球自转角速度在这三个垂直方向的分量值，如果三个光纤陀螺仪的旋转轴分别与测量船坐标系的三根轴相对应平行，则由所测得的角速度分量便可确定船舶航向。公式如下：
（7）
而
（8）
其中：ωe为地球自转的角速度，φ为当地纬度，ω1为ωe的水平方向分量，ω1为ωe的垂直方向分量。这是船舶平稳水平