多波束测深系统内部参数的设定与校准.doc

多波束测深系统内部参数的设定与校准白大鹏 梅赛 于得水 陆凯 （国土资源部 海洋油气资源与环境地质重点实验室 青岛海洋地质研究所，青岛 266071，中国）摘要：本文以EM710RD多波束测深系统为例，利用全站仪对换能器、定位天线、MRU等关键目标进行高精度测量，并建立以船体重心为坐标原点的坐标系统。通过利用测量所获得的测量数据，来实现对多波束系统内部参数的设定与校准，并对设定与校准过程进行了详细介绍，特别针对系统设置中的难点进行了阐述和分析，从而为多波束测量外业工作提供更多的帮助和参考依据。关键词：多波束测量系统；EM710RD；系统内部参数；安装校准。作者简介：白大鹏（1977-），男，河北邯郸人，硕士，工程师，主要从事海洋地球物理、海洋测绘工作，E-mail:；通信地址：青岛市福州南路62号基金项目：国家青年科学基金（40906033）1引言随着我国海洋地质调查工作的深入开展，各种调查方法与技术得到了广泛的应用。相比陆地调查工作，海洋地质调查工作更多的依赖于各种调查方法和手段。而各种调查手段中，又尤以声学探测技术的应用更加突出和广泛。用于海底地形精密和快速探测的多波束水深探测技术（简称多波束测深技术）就是应运这种需求而迅速发展起来的高新声学探测技术1 2。与传统的单波束回声测深系统相比，多波束测深系统具有扫幅宽、全覆盖，高效和高精度的特点，可完成全海洋的高精度海底地形探测任务，它一出现就受到海洋科学、工业和军事界的高度重视3。在我国近海海洋区域地质调查任务当中，有多个图幅、多个区块需要进行详细地质地貌调查，以查明探测区域的地形地貌及分析海底底质类型等，李双林等4还将多波束技术用于海底烃类检测的工作中。系统在使用时换能器的安装与校准是一个重要的环节，直接影响多波束数据质量的好坏，必须进行规范的安装与校准才能获得高质量的测量数据，也就是说多波束测深系统在测量前必须要对船舶横摇(Roll)、纵倾(Pitch)和航向(Heading)的偏移进行校准，目前国内已经制定了相应的规范来指导多波束测量的外业工作，也有相关的文献介绍多波束系统的校准5-9，但在实际操作过程中，如何获得高质量的测量数据，并最大限度的提高测量的精度，尤其是如何精确的解决系统内部参数的设定与校准，还是一个困扰很多人的问题。系统内部参数的正确设定首先要保证系统内部参数的精确测量。目前国内应用的多波束测量系统按照安装方式分类主要分为便携式和固定式安装两种，本文就以固定式安装EM710RD多波束系统为例展开论述，详细介绍该多波束系统的安装、测量及参数的设定及校准，为多波束外业工作提供参考，尤其对初步从事多波束测量工作的同志提供帮助。2多波束系统的安装与测量2.1多波束系统的组成EM710RD是挪威Kongsberg公司于2005年面市的第四代多波束测深系统10。该系统用于600m水深以内的水底地形测绘。多波束测深系统均由由如下主要单元组成：发射换能器阵， 接收换能器阵，处理单元，操作站，定位及姿态处理单元。2.2多波束系统的安装与测量多波束系统安装主要指系统各个换能器的安装并精确测量相对位置，并建立坐标系统，系统内部参数的正确设定首先要保证系统内部参数的精确测量11 12。系统的安装采用固定式安装，安装和系统参数的测量都必须在干船坞内进行。测量时采用Leica TCR1203 全站仪及光学小棱镜进行高精度测量，测量误差+/- 2mm，角度误差0.005。需要测量的技术参数包括：1） MRU的安装参数（包括MRU的YAW、ROLL、PITCH的旋转角度和位置参数）；2） 换能器的安装参数（包括换能器的YAW、ROLL、PITCH的旋转角度和位置参数）；3） Seapath定位系统的安装参数（包括天线的YAW位置参数）。2.2.1 MRU的安装与测量MRU姿态传感器安装于船体的重心位置，并以MRU顶端中心为坐标原点建立坐标系统（图3所示）。图1 船体坐标系统示意图经测量，MRU的安装参数分别为，YAW的旋转角度为0.49，ROLL的旋转角度为0.26，PITCH的旋转角度为0.07。坐标为（0，0，0）。2.2.2多波束换能器的安装与测量EM710RD多波束系统换能器的安装，要求非常严格，与便携式所不同的是，该系统焕能器是由挪威生产厂家负责安装，固定安装于船底的中部，与MRU位置在Y方向非常接近，。如图3所示。安装过程中需要对多波束换能器进行实时的调平，并精确测量安装位置信息及参数，一经安装则一般不需要移动。多波束换能器的发射换能器TX和接收换能器RX需要分别测量并计算。经测算，多波束TX换能器的安装参数分别为：TX底面中心点相对原点的坐标为（X=-0.831m，Y=0.048m，Z=5.018m）。多波束TX换能器YAW的旋转角度为0.05，ROLL的旋转角度为0.13，PITCH的旋转角度为0.15。多波束RX换能器的安装参数分别为：RX底面中心点相对原点的坐标为（X=-0.757m，Y=-0.845m，Z=5.024m）。多波束RX换能器YAW的旋转角度为90.71，ROLL的旋转角度为0.10，PITCH的旋转角度为0.33。2.2.3 Seapath定位系统安装与测量Seapath定位系统的两个天线安装于船体主桅的高处，原则上应该为最高处，周围无遮挡，但在实际操作过程中，最高处一般无法实现安装与固定，故通常选择主桅的较高处，且周围无遮挡即可满足要求。Seapath定位系统由两个天线来实现坐标定位与船艏向的确定，GPS1#指向GPS2#的方向即为船艏向，如果条件允许，天线的安装可按照船舶轴线方向安装，但通常由于安装条件的限制，天线的基线都是垂直于轴线方向安装，因此在艏向校准的时候就会出现约90的校准值。经过测算，GPS1#位于左舷，位置坐标为（X=-1.931，Y=3.099，Z=-12.981），GPS2#位于右舷，坐标为（X=0.570，Y=3.047，Z=-12.981），基线相对艏向的旋转角度为-91.18。测量前利用SCC软件连接Seapath200系统，将基线长度设置为2.500，基线长度精度设置为0.030, 天线高度差设置为0.00，通过软件测量，每5秒记录一组数据，连续记录两小时，将获得的航向、基线长度、基线长度误差批量数据进行统计，获得基线长度误差。校准后基线长度精度则改为0.003，将上述数据输入Seapath200系统中。3多波束系统内部参数的设定与校准多波束系统内部参数的设定需要通过两种方式来进行设定，一是通过SCC（Seapath Control Center）软件连接Seapath系统，通过软件控制各系统单元来实现参数的设定；二是通过SIS操作系统来实现内部参数的设定。两种设定方式均必须分别进行设定，才能实现系统参数的设定。3.1 SCC软件连接Seapath系统SCC软件为最新版控制Seapath系统各诸元的操作软件(图2所示)，通过9针对9针RS232串口联机线来实现连接，串口线要求跳线为：23；3-2；4-6；5-5；6-4；7-8； 8-7。跳线正确，则可以轻松实现联机。连接成功后会弹出SCC软件对话框，首先对船体参数进行设置，将船只的长宽高等数据输入相应的参数栏内，在将重心点到船尾（aft）、中心、吃水线的距离参数输入相应的参数框内。然后依次将GPS、MRU等经过精确测量的参数输入相应对话框中，设置完毕点击download按钮传输给Seapath系统。图2 SCC软件参数设置示意图3.2 SIS系统内部参数设定多波束换能器测量参数必须在SIS系统的安装参数中进行设定，将经过精确测量的安装参数输入相应的位置，即可完成整个多波束系统内部参数的设定。（图3图4所示）图3 SIS系统内部参数的设定（位置信息）图4 SIS系统内部参数的设定（角度偏差）应特别注意，在进行系统参数的设定时，要准确把握参数的正负值，否则就会出现较大的偏差。经过精确测量的系统参数设定后，需要在出海正式作业前进行多波束系统的偏差校准，包括ROLL、PITCH、HEADING、时间延迟等。多波束系统的校准已经有相应的规范指导外业工作，并有多篇文献进行介绍7，本文不再累述。4结论与建议多波束系统内部参数的设定与校准，需要具备相对较高的专业知识水平及掌握精确测量的要点，经过精确测量的系统参数一经设定，则在海上试验时，则不需要做过多的改正工作，通常只需要做非常微小的改正即可达到测量精度的要求。故通常要求测量船在干船坞内或非常稳定的环境下进行系统参数的测量，当建立坐标系统后，所有测量参数均需在该坐标系统内进行测量。通常我们选择以船舶的重心点安装MRU，以MRU的顶面中心点为坐标原点建立坐标系统。系统测量参数经过测算后，将测量参数输入系统时分两个步骤：一是通过软件连接seapath系统进行参数设定；二是在SIS操作系统内进行参数设定，两种方式缺一不可。需要引起注意的是，在参数输入时应非常重视正负值的区分，否则将会出现很大偏差。这就需要工作人员认真分析，准确判断，最终才能很好的完成内部参数的设定。参考文献：1 李家彪.多波束勘测原理技术与方法M.北京:海洋出版社,1999.2 金翔龙.海洋地球物理研究与海底探测声学技术的发展J .地球物理学进展,2007,22(4).3 刘经南.多波束测深系统的现状和发展趋势 J .海洋测绘,2002,2(5).4 李双林,董贺平,肖菲.海底烃类渗漏的地球物理识别J. 海洋地质动态, 2007 ,23 (11)14 21.5 全小龙.浅谈多波束测深质量控制J. 人民长江, 2007 ,38 (9).6 吴英姿, 徐新盛，乔力争.多波束测深系统的精度评估方法研究J.海洋技术,2003,22(3).7 刘方兰,张志荣,余平.多波束系统横摇、纵倾参数的校正方法J.吉林大学学报（地球科学版），2004，34（4）：621-624.8 阮锐,邵海涛.多波束测深系统内部参数的检测与分析J.海洋测绘,2001,(4):5154.9 王闰成.多波束测深系统的安装校准J.海洋测绘,2003,(1):3437.10 Kongsberg SimradEM710Operator manualMNorway:Kongsberg Simrad,2001254275.11 李家彪,郑玉龙,王小波等.多波束测深及影响精度的主要因素J海洋测绘, 2001, (1): 2632.12 张海涛,唐秋华. 多波束测深系统换能器的安装校准分析J.海洋通报,2009,28(1):102107.修改说明：文章中蓝体字部分为修改内容。加了通信地址和基金项目，另外文献也进行了补登。请责编留意。谢谢。Multibeam Echosounding System of Internal Parameters Setting and CalibrationBAI Da-peng MEI Sai YU De-shui LU Kai(Key laboratory of marine Hydrocarbon Resources and Environmental Geology,Ministry of land and resources,Qingdao Institute of Marine Geology ,Qingdao, 266071,China)Abstract：ToEM710RDmulti-beamsoundingsystem,forexample, the use oftotal stationForhigh-precisionmeasurementofthekey objectivesofthetransducerpositioningantennaMRU ,and the establishment ofthecoordinate systemto the hullcenter of gravityastheorigin of coordinates.Throughtheuseofmeasurement dataobtainedbythemeasurement setup andcalibrationofthemulti-beamsysteminternal parameters, andsetthe calibration process isdescribed in