（水声工程专业论文）多波束测深系统数字海图技术研究.pdf

哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t m u l t i b e a ms w a t hb a t h y m e t e ri sak i n do fn e w l yd e v e l o p e da n da d v a n c e d s e a f l o o rs u r v e y i n ge q u i p m e n t i ti su s e de s p e c i a l l yf o rm a p p i n gt h es e a f l o o rw i t h l a r g ea r e ab e c a u s eo fi t sh i g he f f i c i e n c y , h i g ha c c u r a c ya n df i n et e r r a i nr e s o l u t i o n t h em a i np u r p o s eo fs e a f l o o rs u r v e y i n gi st oo b t a i nd i g i t a l c h a r t s ，t h e r e f o r e ， m o s a i ct e c h n i q u ei si m p o r t a n c ei ns u r v e y i n gp r o c e s s a p p l y i n gt h ed a t ac o l l e c t e db yt h ef i r s ts e to fm u l t i b e a ms w a t hb a t h y m e t e r d e v e l o p e di nc h i n a ，t h ed i g i t a lc h a r tt e c h n i q u ei ss t u d i e di nt h i st h e s i s ，i n c l u d i n g r e m o v i n gt h eo u t l i e r s ，p r o d u c i n gp l a n ec o o r d i n a t i o no fe l e c t r o n i cm a pb y c o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o na n dg a u s s k r u g e rp r o j e c t i o n f i n a l l y , t h ec o n t o u rm a p o fs w a t hb a t h y m e t r ya n dt h r e ed i m e n s i o n a ls e a f l o o ri m a g e sa r ed e v e l o p e d t h ep a p e ra n a l y s i st h es p a t i a ld a t ac o r r e l a t i o nt h e o r ya n du s e sg r i dd a t a m e t h o db a s e do ng a s st o p o g r a p h i c a ls u r f a c ef i t t i n gt h e o r yt oc o m p r e s sr e d u n d a n t d a t a t h ec o n t o u rm a pi sd r a w nb ya p p l y i n gi r r e g u l a rg r i dt e c h n i q u ea n dd a t a s m o o t h n e s sp r o c e s s i n g b a s e do nt h el o da l g o r i t h m ，t h et h r e ed i m e n s i o n a ls e a f l o o ri m a g e sa r e p r o d u c e di nt h et h e s i s a tt h es a m et i m e ，t h ea u t h o ra l s os t u d i e dt h ef i l t e r i n g ， e n h a n c i n ga n dl i g h t n i n gt e c h n o l o g yt og e n e r a t et h r e ed i m e n s i o n a lv i s i o no f s u r v e y e ds e a f l o o r a f t e rt h et h e o r ys t u d y , ap a c k a g eo f a p p l i e ds o f t w a r ef o rs e a f l o o rm o s a i ci s d e v e l o p e du s i n gm a t l a b t h es o f t w a r ew a st e s t e dw i t ht h ef i e l dt r i a ld a t ao f m u l t i b e a ms w a t hb a t h y m e t e r k e yw o r d s ：m u l t i - b e a ms w a t hb a t h y m e t e r ；d i g i t a lc h a r t ；l o d ；e n h a n c e m e n to f w a v e l e tt r a n s f o r m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期： 亚熟舷 伽孑年6 月伽日 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的背景与来源 海洋是生命的摇篮，也是人类赖以生存的宝贵资源。2 1 世纪，人类将会 更多地依靠海洋，更多地从海洋中获取食物、能源和矿藏，从海洋中探索地 球的奥秘，从海洋的深处探索生物的起源，海洋已成为各个国家的战略重点。 2 0 世纪7 0 年代初，人们就开始用回声测深仪记录的海底回声信号特征作 定性的纹理制图。侧扫声纳的出现为海底探测提供了完整的海底声学图像， 用于获得海底形态，并对海底物质的纹理特征进行定性的描述：海底的底质 类别( 如基岩、砾石、砂和泥等) ，通常可以从侧扫声纳的声像图上作描述 性的区分，但不能精确地予以确定1 。2 0 世纪8 0 年代后期并1 1 9 0 年代初期，研 究的重点开始转移到了以数字技术分析回声测深仪的回声信号，以定量的方 式描述海底表面物质的各种属性和形态。多波束测深系统以条带测量的方式， 可以对海底进行1 0 0 的全覆盖测量，每个条带的覆盖宽度可以达到水深的数 倍。应用这种高新技术，不仅可以获得高精度的水深地形数据，还可以同时 获得类似侧扫声纳测量的海底声像图，为人们提供了直观的海底形态b 1 。 高精度多波束测深系统具有“水下摄影机 、“水下c t ”之称，它的诞 生及应用，弥补了单波束回声测深仪测深的片面性，弥补了四波束测深的低 效率，也弥补了侧扫声纳、软硬式拖底扫海的深度值的不准确性，极大地提 高了测量效率，真正实现了全覆盖、无遗漏精密扫测的要求，使人们第一次 清晰全面地了解水下微地形地貌。多波束测深系统是现今国际海道测量组织 推荐使用的新型海洋测绘设备，可以解决传统测量方式的不足，满足精密水 下测量的要求，全面、准确、动态地掌握水底细微变化，实现更大的社会效 益和经济效益p 1 。 g p s 是多波束测深系统中重要的组成部分，主要功能是导航及测点定位， 若没有g p s 的高精度定位支持，多波束系统很难发挥其真f 的作用。 最近十几年来，详细的海底地形测量发展迅速。海底地形图可以为海洋 地理研究、海洋开发和海洋工程提供丰富的信息，为大陆架边界确定和专属 经济区的划界提供充分的依据。 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 1 2 多波束测深技术 多波束测深是水声学的多波束形成技术在勘测海底地形领域的一项重要 应用。多波束测深技术的诞生，突破了传统水声学的单波束测深技术的局限， 形成了新的海底地形探测技术框架，并在系统构成、波束发射接收方式、海 底信号探测技术、射线几何学、勘测方法和数据处理成图等方面形成了鲜明 的特点川。 多波束测深仪是声纳的一种最新形式之一。早期使用的测深仪都是单波 束声纳，单波束测量是- j f 中t l e 全覆盖测量方法，它存在着自身无法克服的缺 陷p 1 ：一是无法探测到尺寸小于测线间距的微地形，二是通过网格化内插不 仅会产生假地形，而且也会使测线上已经探测到的小尺度微地形通过内插平 滑而受到歪曲、夸大或抑制。如果要提高精度唯一的方法是加密测线密度， 但这又会使勘测成本成倍增长，因此在近代声纳中广泛应用了预形成波束的 多波束方法。也正因为这样，多波束形成在声纳信号处理中占十分重要的地 位。 海底勘测最终的任务1 就是测量海水深度，测绘海底地形图( 水深图) ， 包括定位和其他海上作业。由于换能器声基阵在测量过程中是随船运动的， 因此如何根据声波的到达角、传播时间和介质的不均一性以及定位、运动传 感器所反映的位置和船姿情况反演出真实感海底地貌，是多波束系统最终的 目标，也是该系统预处理的核心。 条带测深仪是利用安装于船底或拖体上的声基阵向与航向垂直的海底发 射超宽声波束，接收海底反向散射信号，经过模拟数字信号处理，形成多个 波束同时获得海底条带上几十个甚至上百个采样点的水深数据，其测量条 带覆盖范围为水深的2 8 倍，与现场采集的导航定位及姿态数据相结合，绘 制出高精度、高分辨率的数字成果图。与单波束回声测深仪相比，条带测深 仪具有测量范围大、测量速度快、精度高和效率高的优点，它把测深技术从 点、线扩展到面，并进一步发展到立体测深和自动成图，特别适合大面积的 海底地形探测。测深过程中系统不断通过接口采集差分g p s 、罗经与涌浪等 导航与定位数据，并将它们与深度数据一起存储在硬盘罩，数据文件通过软 磁盘、光盘等介质或联网可传送到工作站进行预处理与拼图、最终生成各种 哈尔滨f t 程大学硕十学位论文 数字成果图。条带测深仪使海底探测经历了一个革命性的变化，深刻地改变 了海洋学领域的调查研究方式及最终成果的质量嘲。 1 3 国内外主要数字海图技术发展现状 首先是美国通用仪器公司，该公司自1 9 5 9 年以来，便一直从事声学、声 信号处理、多波束形成技术及其声学换能器领域的专业工作。它在1 9 6 1 年就 开始开发第一代声纳阵测深系统，并于1 9 7 8 年将该系统应用于商业，定名为 s e a b e a r n 多波束测深系统，这就是世界上第一台多波束测深仪。1 9 9 1 年3 月 该公司推出第三代多波束技术产品s e a b e a m 2 1 0 0 系列，与第二代 s e a b e a m 2 0 0 0 相比在硬件和软件上都有了很大的提高，技术性能也有了显著 的改进。其硬件采用了最新、速度最快的集成电路模块，大大提高了产品集 成化。数据采集系统由三个大机柜变成一个机柜，减少了对操作空间的需要： 在软件方面，s e a b e a m 2 1 0 0 的数据处理子系统由三个软件组成，分别是：数 据采集软件、后处理软件和网格化成图软件。数据采集软件提供导航和多波 束测深数据采集双重功能：预处理编辑软件用于在不同的导航和调查条件下， 把各种多波束系统在海上采集的数据通过编辑和预处理转换成高质量的测深 数据集；而网格化成图软件则是对全测区的多波束测深产生等间距网格化测 深数据集，形成最终的全覆盖测深图件，所以说s e a b e a m 多波束系统的软件 功能是比较完备的。 另外，德国的a t l a s 公司也是世界上少数几家能从换能器制造到软件 编程完全能自主开发制造的高技术公司之一。该公司研制的a t l a s f a n s w e e p 2 0 系统为便携式浅水多波束扫描测深系统。每次扫测可获得1 4 4 0 个深度值和4 0 9 6 个侧扫测量值，测量速率达每秒8 次；信号以相位检测为主； 除扫幅测深外，系统还可用作非常成功的侧扫记录，并以彩色条带、灰阶或 等值线图等方式显示出来。该系统的处理软件包括实时处理软件包和预处理 软件包。实时数据处理软件模块由数据采集模块导航设计和控制模块、电子 海图模块组成p 儿。 其它，还有挪威的s i m r a d 公司的e m l 0 0 系统；s t na t l a s e l e k t r o n i k 公司的a t l a sb o m a s w e e p 等系统；美国r e s o n 公司的 s e a b a t 8 1 0 0 系统等等。 哈尔滨丁稗大学硕十学位论文 _m 以上介绍的是国外在多波束条带测深仪领域的研究发展概况。早在7 0 年代，国内也曾经在该领域开展了一些研究工作，但因各种原因未能成功。 哈尔滨工程大学水声研究所开发研制成功的条带测深仪是目前国内第一套， 也是唯一的一套国产条带测深仪。该设备经过9 7 年东海实验、9 8 年探测海 底沉船、9 9 年南海实验，特别是2 0 0 1 年5 月份云南扰仙湖的水下考古地形 的成功测量，都充分地证实了它稳定可靠的性能。但是，这套设备美中不足 之处是迄今为止，还没有一个专门适用多波束数据的配套拼图软件。国内对 多波束数据的估计分析、数据处理和数据成图方面的研究相对较少。除了研 制“条带测深仪 的哈尔滨工程大学水声研究所在这方面丌展研究之外，海 军海洋测绘研究所在多波束数据成图前的数据异常值提出方面做了一些研 究，武汉测绘大学也利用“条带测深仪”的测量做了一些数据成图的研究。 拼图软件在整个条带测深仪系统中具有相当重要的地位。7 0 年代美国国 家海洋局与气象局( n o a a ) 委托美国通用仪器公司( g i c ) 开发一套b s s s ( b a t h y m e t r i cs w a t hs u r v e ys y s t e m ) 系统。开始开发陔系统时，n o a a 只与 g i c 公司签订了硬件部分的开发合同，软件由政府部门组织丌发，结果后来 海上验收试验中软件出现了很多问题，不得不再次同g i c 公司补签软件修改 和开发的合同。 另外值得一提的是产品的价格，国外五波束条带测深仪e s e as w a t h e 5 0 1 的销售价为5 - 6 万美元，多波束数据后处理与拼图软件的销售价约5 8 万美 元，应该说这也就从另一个侧面说明了后处理与拼图软件在整个多波束测深 系统中的重要地位和非常高的技术含量一1 。 具有真实感的三维海底地形有着广泛的应用领域，可以用来制作虚拟现 实环境中的各种海底环境；可以提供地理信息系统中资源的三维定位、地理 查询、路径规划等功能。另外，它在舰船导航、海洋勘探、电影制作、游戏 娱乐等方面都有着很好的应用前景。由于真实感三维海底地形应用十分广泛， 所以它引起了研究者们极大的兴趣。研究者们在该领域做了大量的研究工作， 并取得了很大的进展。近些年来，随着海洋综合利用丌发的进展、计算机软 硬件水平的飞速提高和网络应用的蓬勃发展，这一领域再次成为研究的热点 【1 0 】 4 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 1 4 论文研究的关键技术 之前已经有多人( 如文献 4 】和文献 1 2 ) 对多波束测深系统的数据处理 以及拼图技术有了一定的研究。在此基础上论文中针对数字海图的成图技术 进行进一步研究和讨论，其中主要增加了利用l o d 算法描绘海底地形，以及 用小波变换技术增强地形图。具体要求实现的技术包括如下几点。 1 数据模型的建立 测量过程中自噪声和海况的影响以及参数设置的不合理等现象，都将会 导致测量数据中出现假信号，形成虚假地形，从而使绘制的海底地形图与实 际地形存在差异。为了提高测量成果的可靠性，必须消除这些假信号，因此 需不失时机地展开测深异常数据的定位研究，对数据进行必要的编辑，剔除 假信号，为后处理成图做好准备。 2 坐标转换 经过数据处理的数据文件除了包含深度信息外还包含位置信息，位置信 息是以大地坐标及经度纬度的形式给出的。众所周知，地球是一个椭球，而 地图是平面的，作为控制测图的大地点的坐标也必须是平面坐标。因而要进 行坐标转换，利用g p s 的定位信息和测深仪的水深信息，采用三参数换算模 式，把g p s 接收机测得的w g s 8 4 世界大地坐标系下的数据变换z 至l j b j 5 4 大地 坐标系下的数据。再由b j 5 4 大地坐标系转换成高斯投影，得到平面坐标。 3 网格化处理数据 如果直接利用原始多波束数据进行海底地形分析和成图，并不能提高成 图精度，而且浪费计算机的时间和资源。因此对原始多波束数据进行高斯加 权拟合处理，大大压缩数据量，提高了成图质量。 4 数字海图的生成 由于地形数据的海量特征，三维地形场景绘制时不可能一次性地载入所 有地形数据建立整个地形场景。细节层次l o d ( l e v e lo f d e t a i l s ) 技术是加快三 维场景绘制的有效途径，因此文中在地形数据装载方面引入了l o d 算法，以 减少地形渲染时的绘制量，依据视点参数实时动态构建具有不同l o d 的多分 辨率模型，达到提高绘制效率的目的。实时动态多分辨率地形绘制算法基于 一种四叉树的数据结构，将大地形块用四叉树思想递归地分割成一个个小地 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 形块，用屏幕投影误差来控制地形块的分裂和合并，当小地形块满足精度要 求时，停止分裂并绘出图形。 这种基于四叉树的l o d 算法能有效地对地形数据依据视点变化进行多分 辨率简化，生成自适应的层次细节，简化后的地形保留了地形表面特征。 5 图像处理部分 论文用小波变换的频域法对生成的海底地形图进行增强处理，基于小波 变换的反锐化掩模法处理过程为：首先将原始图像进行小波分解，然后对所 得到的小波系数进行处理，最后再对所得到的小波系数进行重构图像。并对 输出的图像添加光照等处理。由于海底地形的材质是未知的，为了显示的需 要，采用伪彩色按照深度大小来设定海底材质的颜色。 6 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 第2 章条带测深仪简介 2 1 国内外多波束条带测深技术发展状况 二十世纪六十年代，由美国首先开发出了多波束测深系统条带测深 仪，它是一种高效率的海底地形测量设备。该类设备向海底发射接收一次声 波的过程中能同时获得船两侧一条带上许多采样点的深度数据，其测量覆盖 范围为水深的几倍甚至十几倍。经过几十年的发展，世界各主要海洋大国在 海底地形地貌测量设备的研究及生产上已经具备了相当的水平和规模p “9 1 。 进入九十年代以来，不同类型的多波束测深系统相继出现。如通用公司 的第三代多波束测深系统s e a b e a m 2 1 0 0 、德国的e l a cb o t t o m c h a r t 系统、 挪威s i m r a d 公司的e m 3 0 0 0 型系统、a t l a sf a n s w e e p 系统、美国r e s o n 公司的s e a b a t 8 1 2 5 系列和o d o m 公司的e c h o s c a nm u l t i b e a m 系统，从而使 海底地形测深技术同臻完善，并向着高精度、宽覆盖、智能化、多功能的组 合式测深系统方向发展。 利用多波束系统进行水下地形测量，比单波束系统速度快、精度高，大 大节省时间和人力。由于多波束系统比较昂贵，测量成本较高，所以虽然使 用多波束测量的水深数据在反映水下微地形和分析局部沉积物运动趋势中有 着单频测深仪无可比拟的优势，但大多数用户仍在使用单频测深仪进行水深 测量。相信随着科技和经济的不断发展，多波束测深系统会得到不断的普及。 多波束条带测深仪是一项高新技术密集的产品，它的系统复杂，技术难 度很大，至今世界上只有少数发达国家具有独立开发与研制的能力。我国多 波束条带测深技术的研究始于7 0 年代，至8 0 年代未由中国科学院声学研究所 和天津海洋测绘研究所联合研制完成8 6 1 小型多波束测深声纳试验样机，它的 工作深度为2 0 0 m ，有2 5 个测深波束，测量覆盖宽度是水深的3 5 倍，工作航速 小于5 节。“八五”期间，多波束条带测深技术被列入国家重点攻关项目，1 9 9 3 年由哈尔滨工程大学和天津海洋测绘研究所等单位联合丌展研究，于1 9 9 6 年 研制完成条带测深仪工程试验样机，并于1 9 9 8 年生产出f 式产品并通过技术 鉴定，其工作深度为1 0 - - 1 0 0 0 1 5 3 m ，有4 8 个测深波束，最大测量覆盖宽度为 水深的4 倍，工作航速不大于1 2 节，目前是唯一的国产实用型产品，第一套产 哈尔滨 _ 程大学硕十学位论文 品已经装备了新型海洋测量船，并在实际使用中取得良好效果。我国首台条 带测深仪的研制成功填补了国家空白，使我国跻身世界具有独立开发与研制 能力的先进国家之列。但是目前还不具备批量生产的能力，产品的技术指标 与国际最先进的产品相比还有较大的差距。多波束条带测深仪是一项民用产 品，在国民经济以及国防现代化建设等领域都有广泛的应用前景，对于推动 测深仪产品的升级换代和产业结构优化有良好的促进作用，并能带来巨大的 经济与社会效益。我国的多波束条带测深技术研究已经有了一个良好的开端， 抓住有利时机发展我国自己的多波束条带测深产业是当务之急1 。 2 2 条带测深仪的系统组成 我国首台条带测深仪系统由声基阵、信号源模拟器、发射机、接收机、 处理机、接口、计算机、工作站和绘图仪等组成，分为实时处理分系统以及 预处理与拼图分系统两大部分引，测深仪设备系统框图如图2 1 所示。 声基阵 通讯以太叫 图2 1 条带测深仪系统总框图 1 接收发射换能器基阵 声基阵是一个“v ”形阵，由两个倒“t ”形阵组成，每一个“t 形阵 由一个发射基阵和个接收基阵组成，分别安装在测量船的左右两舷。 哈尔滨工程大学硕+ 学何论文 2 模拟器信号源 该分机作为模拟器使用时，可以按照预定的数学模型产生3 2 路各种形式 的海底模拟信号，供试验室调试或检查使用；测深时作为信号源使用，产生 幅度与相位均可控制、调整的发射机激励信号。 3 发射机 发射机共有两台，1 2 0 路，对信号进行功率放大，推动发射基阵，产生可 相控束控的声波束。 4 接收机 接收机由前端放大( 前放) 和后端放大( 接收机) 两部分组成。前放紧 靠接收基阵，接收信号经放大后再送到接收机，可以减少环境噪声对输入信 号的干扰。接收信号经接收机放大和归一化处理后被送到信号处理器。 5 信号处理器 信号处理器是一个大规模阵列处理机，由高速信号处理芯片组成，输入 信号经过a d 转换后进行实时波束形成，并应用先进的信号处理方法对波束 序列数据进行处理和检测，求出深度及其他相关信息送到计算机。 6 接口分机 接口分机的主要功能为： ( 1 ) 产生同步信号，它是保证系统协调工作的基准信号； ( 2 ) 实现数据传送，计算机与系统各分机之间的所有数据和信息的传送 都是通过接口完成的： ( 3 ) 数据采集，在工作过程中采集导航、定位与涌浪数据： ( 4 ) 通讯，接口分机具有标准的r s 4 2 2 接口实现串行通讯。 7 计算机 计算机是条带测深仪的控制核心，系统的一切工作都在它的控制下进行， 除测深外，数据存储、联网以及数据处理等亦由计算机完成，计算机的显示 信息由同屏分显器送到指控中心显示，测深信息亦在计算机控制下由打印机 实时打印。 8 工作站 工作站与绘图仪共同组成预处理与拼图系统( 这一部分下面还有专门的 详细介绍) ，导航、定位与深度数据经工作站处理后生成水深透写图、等深线 9 哈尔滨_ 丁稃大学硕十学位论文 图和三维立体图，并由绘图仪绘制成各种海图。 2 3 条带测深仪工作原理 条带测深仪在工作中利用发射基阵向海底发射超宽声波束，并利用安装 在船舷两侧的接收基阵接收海底反向散射信号。接收与发射基阵均为直线阵， 共同组成一个米尔斯交叉阵。发射基阵与测量船艏艉线平行，因此发射波束 在艏艉方向上窄，正横方向上宽，声信号被投射到测量船下方与艏艉线垂直 的一个狭长的区域。接收基阵与艏艉线垂直，因此接收波束在艏艉方向上宽， 正横方向上窄，正好与发射波束垂直相交，从而实现海底地形的采样。海底 地形采样如图2 2 所示。 图2 2 米尔斯交叉阵工作原理 条带测深仪系统的发射机阵与接受机阵呈“t ”形结构组合，这就是米 尔斯交叉阵。两套组合阵分别安装在测量船前方船底附近的左右舷两侧，发 射基阵平行于船的龙骨，接收基阵垂直于发射基阵，其“t ”形组合面与水 平面成4 5 。角，以船的龙骨为中心组成“v ”形阵，采用“v 形阵结构使发 射与接收基阵的声轴外移，增加边缘波束信号的强度，有利于增加测量的覆 盖宽度。如图2 3 所示。 哈尔滨 r 稃大学硕十学 _ 7 ：论文 图2 3 条带声基阵的结构和安装 发射基阵发射的声波束投射在海底与船艏艉线垂直的一个1 3 0 0 2 0 的条 形区域上，接收基阵在平行于船龙骨方向上形成2 4 个2 5 0 3 0 的预成波束与 发射波束垂直正交，接收到的是交叉区域的海底反向散射信号，从而实现对 于海底地形的空间采样。因此，左右两套基阵共形成4 8 个2 。3 。的测量波束。 实际测量时左右“t ”形阵交替工作，每次选取1 6 个预成波束。浅海测 量时各波束分布见图，4 5 0 范围内为高精度区，共1 0 个波束，波束间隔为o 1 倍海深，其余6 个波束分布在4 5 0 一6 3 4 3 0 的范围内，波束间隔小于等于0 1 倍海深。 亍 h j 卜 r h h b h 图2 4 系统波束间隔分区示意图 信号源模拟器产生激励信号( c w 脉冲或f m 线形调频脉冲) 控制发射 机进行发射，激励信号的相位与幅度由计算机实时控制以使发射的波束有足 够的强度且始终保持垂直向下。接收基阵接收海底反向散射信号经放大、归 一化处理及数字波束形成和时延检测后可以求得采样点的深度，这样每一次 测量能够获得4 8 个采样点的深度数据，测量船走完一条测线，即完成海底的 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 一个条带地形的测量。条带的宽度浅海时( 水深1 5 0 r e ) 为四倍海深，深海 时( 水深 1 5 0 m ) 为两倍海深，从而大大提高了测量作业的效率和质量。 2 4 本章小结 本章首先介绍了多波束条带测深仪在国内外的发展状况，然后介绍了我 国首台条带测深仪的测深原理，并详细给出了测深仪的系统框图以及各个部 分的功能。最后介绍了测深仪的工作原理。 哈尔滨t 程大学硕十学付论文 第3 章多波束数据预处理技术 3 1 数据预处理 由于测量设备本身、数据传输或者人工操作噪声源干扰等原因，测量数 据中会包含某些错误观测量，工程上称为异常值或野值。这些异常值会给数 据处理带来很大的误差，必须预先剔除。对数据中异常值的剔除，从剔除的 方式来分有人工手动剔除和计算机自动剔除两种方式。人工手动剔除是指通 过将数据显示出来，利用人的经验知识来判断出异常数据，并进行标注、剔 除。计算机自动剔除是指利用一定的判定准则，将数据自动地区分为异常值 和正常值的方法。人工方式对有明显错误的异常值的判断比较成功，国外最 初在进行多波束数据处理的时候，大多数采用的就是这种方式，但是这种方 式缺点明显，就是效率很低，特别是对数据量较大时候，这种缺点尤为明显； 计算机方式效率高，但是有时候判断不够准确，可能会发生误判或者漏判的 现象。通常的做法是将两者结合起来运用”。 3 2 坐标转换 3 2 1 坐标系统的介绍 1 w g s 8 4 坐标系统 w g s 8 4 坐标系统是目前g p s 所采用的坐标系统，是通过精确计算全球定 位系统跟踪站来实现的，是由美国国防部制图局建立，于1 9 8 7 年取代了当时 g p s 所采用的坐标系统( w g s 7 2 坐标系统) 而成为g p s 目自订所使用的坐标系 统。 w g s 8 4 坐标系使用协议地面参考系( c t r s ) 的坐标4 1 ，原点位于地球 的质心，z 轴指向b i h l 9 8 4 0 定义的协议地球极方向，x 轴指n b i h l 9 8 4 0 的起 始子午面和赤道的交点，y 轴与x 轴和z 轴构成右手系。w g s 8 4 系所采用椭 球参数为：日= 6 3 7 8 1 3 8 m ；f = 1 2 9 8 2 5 7 2 2 3 5 6 3 。 2 19 5 4 年北京坐标系 1 9 5 4 年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系。该坐标系源 自于原苏联采用过的1 9 4 2 年普尔科夫坐标系。建国前，我国没有统一的大地 l3 哈尔滨t 程大学硕十学佗论文 坐标系统，建国初期，在苏联专家的建议下，我国根据当时的具体情况，建 立起了全国统一的1 9 5 4 年北京坐标系。该坐标采用的参考椭球是克拉索夫斯 基椭球，该椭球的参数为：a = 6 3 7 8 2 4 5 m ；厂= l 2 9 8 3 1 1 5 1 1 1 6 1 。 2 0 世纪5 0 年代，在我国天文大地网建立初期，为了加速社会主义经济 建设和国防建设，迅速发展我国的测绘事业，全面开展测图工作，迫切需要 建立一个参心大地坐标系。为此，1 9 5 4 年总参谋部测绘局在有关方面的建议 与支持下，鉴于当时的历史条件，采取先将我国一等锁与苏联远东一等锁相 联接，然后以联接处呼玛、吉拉林、东宁基线网扩大边端点的苏联1 9 4 2 年普 尔科沃坐标系的坐标为起算数据，平差我国东北及东部地区一等锁，这样传 算来的坐标系，定名为1 9 5 4 年北京坐标系。由此可见，1 9 5 4 年北京坐标系 可以认为是苏联1 9 4 2 年普尔科沃坐标系在我国的延伸”。 但是，严格来说1 9 5 4 年北京坐标系和1 9 4 2 年普尔科沃坐标系还存在有 一些小的差异，例如，其中高程异常是以苏联1 9 5 5 年大地水准面重新平差结 果为起算值，按我国天文水准路线推算出来的；大地点高程是以1 9 5 6 年青岛 验潮站求出来的黄海平均海水面为基准等。 3 高斯克吕格投影 高斯一克吕格( g a u s s k r u g e r ) 投影简称“高斯投影，又名“等角横切 椭圆柱投影”，地球椭球面和平面间正形投影的一种。德国数学家、物理学 家、天文学家高斯( c a r lf r i e d r i c h g a u s s ，1 7 7 7 18 5 5 ) 于十九世纪二十年代拟 定，后经德国大地测量学家克吕格( j o h a n n e sk r u g e r ，1 8 5 7 1 9 2 8 ) 于1 9 1 2 年对投影公式加以补充，故名。该投影按照投影带中央子午线投影为直线且 长度不变和赤道投影为直线的条件，确定函数的形式，从而得到高斯克吕格 投影公式。投影后，除中央子午线和赤道为直线外，其他子午线均为对称于 中央子午线的曲线。设想用一个椭圆柱横切于椭球面上投影带的中央子午线， 按上述投影条件，将中央子午线两侧一定经差范围内的椭球面正形投影于椭 圆柱面。将椭圆柱面沿过南北极的母线剪开展平，即为高斯投影平面。取中 央子午线与赤道交点的投影为原点，中央子午线的投影为纵坐标x 轴，赤道 的投影为横坐标y 轴，构成高斯克吕格平面直角坐标系。 高斯克吕格投影在长度和面积上变形很小，中央经线无变形，自中央经 线向投影带边缘，变形逐渐增加，变形最大之处在投影带内赤道的两端。由 哈尔滨t 程大学硕士学何论文 于其投影精度高，变形小，而且计算简便”( 各投影带坐标一致，只要算出 一个带的数据，其他各带都能应用) ，因此在大比例尺地形图中应用，可以 满足军事上各种需要，能在图上进行精确的量测计算。 按一定经差将地球椭球面划分成若干投影带，这是高斯投影中限制长度 变形的最有效方法。分带时既要控制长度变形使其不大于测图误差，又要使 带数不致过多以减少换带计算工作，据此原则将地球椭球面沿子午线划分成 经差相等的瓜瓣形地带，以便分带投影。通常按经差6 度或3 度分为六度带或 三度带。六度带自0 度子午线起每隔经差6 度自西向东分带，带号依次编为 第1 、2 、6 0 带。三度带是在六度带的基础上分成的，它的中央子午线与 六度带的中央子午线和分带子午线重合，即自1 5 度子午线起每隔经差3 度 自西向东分带，带号依次编为三度带第1 、2 、1 2 0 带。我国的经度范围 西起7 3 0 东至1 3 5 0 ，可分成六度带十一个，各带中央经线依次为7 5 0 、8 l o 、 8 7 0 、1 1 7 0 、1 2 3 0 、1 2 9 0 、1 3 5 0 ，或三度带二十二个。六度带可用于中小 比例尺( 如1 ：2 5 0 0 0 0 ) 测图，三度带可用于大比例尺( 如l ：1 0 0 0 0 ) 测图， 城建坐标多采用三度带的高斯投影。 高斯一克吕格投影是按分带方法各自进行投影，故各带坐标成独立系统。 以中央经线投影为纵轴x ，赤道投影为横轴y ，两轴交点即为各带的坐标原 点忙0 1 。纵坐标以赤道为零起算，赤道以北为正，以南为负。我国位于北半球， 纵坐标均为正值。横坐标如以中央经线为零起算，中央经线以东为正，以西 为负，横坐标出现负值，使用不便，故规定将坐标纵轴西移5 0 0 公里当作起 始轴，凡是带内的横坐标值均加5 0 0 公里。由于高斯克吕格投影每一个投影 带的坐标都是对本带坐标原点的相对值，所以各带的坐标完全相同，为了区 别某一坐标系统属于哪一带，在横轴坐标前加上带号，如 ( 4 2 3 1 8 9 8 m 2 1 6 5 5 9 3 3 m ) ，其中2 1 即为带号。如图3 1 所示。 千扦 彝 1 冀 _ 鼷参一 鬟移、 s i r l b l i ( a ) 横椭圆柱图( b ) 投影平面图 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 图3 1 高斯克吕格投影示意图 ，i i l l 。i t i 疗i l l i 矿1 l i t i t m o1 2 ，i 妒i l l 图3 2 高斯投影带的平面图 3 2 2 坐标系统的转换 g p s 采用w g s 一8 4 坐标系，它是一种大地坐标系，可提供较准确的经纬 度以及高度等信息。而国内标准地图坐标系一般为b j 5 4 坐标系，g p s 所采 用的坐标系和我国常用地图的坐标系并不相符。如果直接将g p s 的坐标信息 和地图相匹配，其误差远大于g p s 定位所产生的误差。所以在空间计算中， 要想准确地将g p s 和地图坐标信息相匹配，就必须将接收信息在不同坐标系 中进行转换处理，这样才能将误差减为最小。 整个定位过程中的转换关系为忙 2 2 1 ：g p s 接收到的大地坐标转换为北京 5 4 大地坐标，然后通过高斯克吕格变换转换为高斯平面坐标，经过高斯投影 后得到的坐标与电子地图所采用的坐标系并不一致，还必须通过坐标平移、 旋转、缩放等过程才能转换成电子地图平面坐标，然后再由平面坐标转换成 像素点坐标。如图3 3 所示。 g p s 数据 大地坐标 高斯投影 斗 地图匹配 转换 图3 3g p s 数据的转换过程 1 g p s ( w g s 8 4 ) 坐标向大地坐标( b j 5 4 ) 转换 g p s 椭球体与整个地球的大地水准面是“最佳密切”的，几何中心与地 球重心重合，即为地心坐标系统。在我国测量与制图中，使用1 9 5 4 年北京坐 1 6 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 标系，其几何中心不与地心重合，故又称为参考大地坐标系统。在海上使用 卫星接收机测定船位的大地经纬度( b ，三) 为w g s 8 4 坐标系，必须将它归算到 b j 5 4 坐标系，才能把船位准确地标入以北京坐标系为基准的海图上来。如图 3 4 所示口川。 ； = 萎爹 + l 薹。乏l 霎 + 爹 c3 - 5 ， = b + a b l 新= l + l ( 3 6 ) = h + a h 式中： b 、l 、h 原来椭球体上某点大地坐标： b 新、l 新、h 新待求的椭球体上该点大地坐标； a b 、l 、h 将原来某点的坐标化到新坐标系的改正量； 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 b 大地纬度，是过该点的椭球法线与赤道平面的央角，该点在赤道 以北取正值，以南取负值； i 大地经度，格林威治子午线所在的平面与通过该点的大地子午线 所在平面之间的二面角，格林威治以东为正值。以西为负值；h 沿通过该 点的椭球法线，从椭球面到该点的距离，即高程：h = n + h ； 其中，n 该点处水准面和椭球面间的间隙，水准面在椭球面以上为 正值以下为负值： h 海拔高度，从水准面到该点的距离，该点位于水平面以上为正值， 以下为负值。 上式中a b 、a l 、a h 采用莫洛登斯基( m o l o d e n s k y ) 公式。莫洛登 斯基标准公式用如下方程表示： b = 一r s i n b c o s l a y s i n b s i n 三+ z c o s b + 日r p 2s i n b c o s b ) 口 + a f r m ( a b ) + r ( b a ) s i n b c o s b ( 凡+ h ) s i n l z x l = - z k x s i nl + a y c o s l i ( 如+ h ) c o s b s i n 1 。i a h = a x c o s b c o s l + a y c o s b s i n l + a z s i n b - a a ( a r ) + a f ( b a ) r s i n 2b ( 3 - 7 ) 莫洛登斯基简化公式用如下方程表示： 衄：- a x s i nb c o sl - a y 8 i 棚8 i 儿化c o 阳 r u a s i nl 。)ff a a ) s i n2 b b = s i nll 、 、 j “= - & ys i n l + a y c o s l ( r u c o s b s i n l ) ( 3 8 办= a x c o s b c o s l + a y c o s b s i n l + a zs i n b + ( a a f + f a a ) s i n 2b a a 上述两组公式中的符号含义如下： b ”、以秒为单位的大地纬度、经度的改f 量； 从、】，、心两个坐标系统原点之间的平移参数； a 、卜旧椭球体的长、短半径； 厂= ( a b ) a 旧椭球体的扁率； p 2 = ( a 2 一b 21 a 2 旧椭球体第一偏心率平方； 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 a a = a 新一a 1 日； a f = 店一后； r = 口( 1 _ e 2s i n 2b ) 2 旧椭球体的卯酉圈曲率半径； r m = a ( 1 - e 2 ) ( 1 _ e 2 s i n 2b ) 2 旧椭球体的子午圈曲率半径； s i ni 。把秒化为弧度的因子，等于4 8 4 8 1 3 6 8 x 1 0 。6 弧度。 表3 1 和表3 2 列出了w g s 一8 4 坐标和b j 一5 4 坐标的基本常数。 表3 1w g s 一8 4 椭球基本常数 参数符号值 长半轴a6 37 8 2 4 5 m 扁率倒数 1 f2 9 8 2 5 7 2 2 3 5 6 3 第一偏心率平方 e 20 0 0 6 6 9 4 3 7 9 表3 2b j 5 4 椭球基本常数 参数 符号 值 长半轴 a6 3 7 8 1 3 7 0 m 扁率倒数 1 f2 9 8 3 0 0 0 7 7 3 第一偏心率平方 e 20 0 0 6 6 9 3 4 21 2 大地坐标b j 5 4 与高斯克吕格投影平面坐标之间的转换 ( 1 ) 大地坐标b j 5 4 向高斯一克吕格投影平面坐标的转换 g p s 在w g s 8 4 大地坐标系转换至i b j 5 4 坐标系后，还不能直接应用于电 子地图中。矢量电子地图是经过大地坐标投影后所得到的一种平面坐标，要 使大地坐标定位值与电子地图匹配，还需进行投影变换。这罩采用高斯克吕 格投影转换。 式( 3 9 ) 为大地坐标向高斯一克吕格投影平面坐标的转换公式： 7 + 7 +一 bor 一眩 “ 十 一 研 巧 “ 一 0 n c脓 耶 豇 膨 氏 ，一2 一d 扣 一弘 西 + ，(、 = x 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 s b 1 + 吉f c o s 2b ( 1 一r 2 + 矿) fc o s 4b ( 5 1 8 t 2 + f 4 + 1 4 r 2 1 i( 3 9 ) 5 8 产刮 其中：一= a ( 1 - e 2 ) 彳b - b s i n ( 2 b ) + c s i n ( 4 b ) - d s i n ( 6 b ) + e s i n ( 8 b ) 彳：1 + 三p 2 + 竺e 4 + 坐e 6 + 业堕9 8 46 42 5 61 6 3 8 4 6 + 2 2 0 5 p 8 4 0 9 6 丝堕p s 1 6 3 8 4 d = 堡p 。+ 堕p 8 3 0 7 24 0 9 6 e ：_ 三生已s 1 3 1 0 7 2 _ 志户郴胪玉o s 2 b b 、l 以弧度为单位，l 为经差，其中a 为椭球体长轴半径，e 为