SHALLOW WATER MULTIBEAM SONAR PERFORMANCE,RESULTS FROM A MODERN HYDROGRAPHIC SURVEY SYSTEM

浅水多波束声呐在现代水文测量系统中的表现

介绍

根据与美国国家大气和海洋管理局（NOAA）的分支机构——海岸调查办公室的合同，科学应用国际公司（SAIC）在1995年四月至九月期间进行了一次水文调查活动，这是首次采用多波束侧扫声呐。调查活动使用了SAIC的综合水文调查系统（IHSS），该系统集成了一个Reson SeaBat多波束声呐和一个Klein侧扫声呐。

调查活动在Long Island Sound和Martha’s Vineyard附近水深5.5米至60米区域进行。合同的要求包括实现100%多波束覆盖和200%侧扫覆盖；在450侧扫角度，试验测得数据要符合IHO（国际海道测量组织）标准，在更大的可用角度，数据要符合2倍的IHO标准；非交叉轨迹的多波束“脚印”要大于3米；波束间隙不大于3m 3m；20m以内水深，空间分辨率小于1m，20-30m水深空间分辨率小于2m，超过30米水深，分辨率下降1%每米。

本文讨论了多波束声呐以及相关传感器和IHSS的选取、配置和校准，使测量满足IHO标准。为了将多波束声呐应用到水文测量，许多事情（波束精度、覆盖、校准器的应用、数据量和吞吐量）都需要讨论。一些实时处理工具被用来修改SAIC的IHSS，文章描述了第一次的调查活动。

多波束声呐的选择

SAIC开发了误差模型和覆盖模型来决定误差容限和描述声呐性能。误差模型是建立在Pohner[1]的工作基础之上的，该模型分析了绘图系统各部分误差以及估计了它们对系统总误差的贡献值。输入到模型的单个传感器误差包括它的位置、姿态、朝向、声速、时间同步、延时。该模型的价值在于能够让个人明白怎样提高单个传感器的精度，从而提高整个系统的性能。覆盖模型控制波形尺寸、波束宽度、船速，以及根据SAIC的调查计划软件制定调查计划。

根据合同要求以及误差模型和覆盖模型的结论，具有双换能器的SeaBat9002多波束声呐被选取。这个选择基于SeaBat的更新速率和测量精度。双换能器的配置允许的最大测量角度1500.此外Reson系统的波束模式是1.50的交叉轨迹，同时可附带1.50、2.40、100的沿迹调查，这使得波束覆盖适合各种深度。在这些调查深度，使用了两个宽带的发射波。波束发射频率1.5Hz--7.5Hz，使得沿迹波束覆盖不会影响调查速度。

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选择Reson的另一个有意义的根据是，在给定的侧扫角度下，其产生的数据符合IHO以及2 IHO标准。误差模型根据Huff et al[2]和Du et al[3]研究成果估计了Reson的精度。如图一所示，重复试验和采用Eeg模型[4]对实时数据的误差分析表明，数据精度超过了原先的误差模型的估计值。

除了SeaBat9002声呐，SeaBat6042处理器也被用来将角度测量信息转化为声压信息。根据SAIC的要求，对SeaBat6042处理器做了改进，使它能够进行实时折射修正以及几何修正。其它的改进包括一个高精度定时接口，一个能将数据快速转移到计算机的网络适配器。SeaBat9002声呐安装在一个直径8公分的不锈钢柱，可以水平放置或者垂直放置。一旦安装固定，它与参考罗经保持垂直不变。

系统配置

多波束声呐通过一个接口连接着IHSS，IHSS是SAIC的核心系统之一，基于UNIX或者OS操作系统。这些系统接有许多导航声呐和海洋用声呐。IHSS与ISS-60有很大的联系，最早应用于美国海军。

IHSS使用惠普712 UNIX工作站，通过接口与Reson SeaBat6042和计算机连接，能够提供定时和导航信息。所有的相关的数据采用GPS系统时钟同步。时间延时测试表明，所有采集到的用来测深的数据同步精度达0.01秒或者更好，所有用来水平位置定位的数据，同步精度达0.2秒或者更好。

水平位置的控制采用的差分GPS定位，通过一个私人的维护站提供校准。为了提供独立的定位精度评估，第二个差分GPS定位----美国海岸警卫队使用的，被投入使用。IHSS通过对两组定位导航数据实时比较，如果差别大于门限值则会发出警告。姿态信息通过TSS 335B提供，船艏数据则是通过MK32罗经提供。

误差模型表明，多波束声纳最大的测量误差来自于声速的变化，由于测量地区是近岸河口地区，水中物理特性变化迅速。试验配置了Seabat CTD，来实时监控声速。数据经过SeaBat SeaCat STDs分析过之后，生成的声速剖面被下载到Reson 6042处理器中。

IHSS还配置了一个Klein 595侧扫声纳和一个Polaris Eoscan系统。IHSS为两者提供定时和导航信息。侧扫声纳的连接和覆盖信息通过Eoscan处理之后，送入IHSS。数字化的数据直接在Eoscan中magneto-optical媒介上取对数。 工程测试

适合浅水条件的阵列校准程序修改自NOAA深水标准校准程序。这些程序

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用来修正多波束声纳阵列与罗经传感器的相对垂直，验证所有的天线和换能器的偏移量得到了有效的补偿。无论什么时候，任何一个系统组成单元发生了变化，阵列校准程序都会运行。SAIC开发的统计软件用来自动测量纵摇、横摇、船艏等偏移量，以便能用一个小时内测得的数据来确定偏移量。自动化程序还能提供几百个独立的测量值，用来计算合成的偏移角度，结果比纯手动计算结果要好很多。

在移除了最初的偏移角之后，横摇偏移量在0.20以内，要求标准是0.10.纵摇和船艏的偏移量在1.00以内，要求是1.50.在要求的空间分辨率内，对单个的测量值，尤其是深度，每个测量值的偏移量都符合要求。横摇偏移量的变化值和它本身的测量值一样满足指定的精度，纵摇偏移量在声纳测量范围内也是满足期望值的，船艏偏移量也符合导航的需要。

在联合调试时期，将各单元的修正结果输入SeaBat 6042处理器，进行了1.50、

2.40和100的波束精度测试。精度测量采用三种不同的方式。第一种方式，用每个换能器垂直测量的海底深度与铅垂线测量的深度进行比较。与铅垂线测量结果相比，采用不同宽度的分辨率0.05米的波束测量的结果平均有0.06米差别。铅垂线测量的结果比声纳测量结果要大，然后对这个偏移量进行了补偿。

第二种方式，采用的是重复性测试，和Crews[7]描述的方式相似。在一个100m 100m区域内，以每个声纳发射的五个波束中心作为参考平面。将120个波束的测量结果与参考平面相比较。这些差异用来计算平均误差、方差、均方差。这种方式测量的误差与误差模型预测的误差的比对结果如图一所示。

NOAA采用的是第三种方式来定义IHO标准，以及检验SAIC用前两种方式测量的结果。这种方式也被纳入到SAIC的校准和分析软件中，就是将多波束数据与前文所提到的参考平面相比较。任何在参考波束5米以内测量值都会用来

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比较，根据不同的波束角和不同参考波束分类比较。需要指出的是，尽管单个参考波束间的测量结果有较少的相关性，但是由于多波束测量的密集性，每个参考点附近都有成千上万的测量结果。根据NOAA的标准，对于一个给定的波束，如果90%的波束潮汐修正值与参考点的潮汐修正值差别在50厘米以内，则该波束是符合IHO标准的。如果只有有80%，则是符合2 IHO标准。第三种方式用来确定水文调查中符合IHO和2 IHO标准的波束宽度。这些三个角度的沿迹测试结果如表一。

水文调查系统中IHSS特征

为了能够使用多波束数据进行实时误差评估，一套校准设备被投入使用。一些参数设置、船体吃水深度、实时潮汐校准数据被输入到IHSS，换能器和天线的偏移量和误差输入到SeaBat 6042处理器。通过测量螺旋桨的转速来设定参数和吃水深度，因为船体垂直位移与螺旋桨转速成函数关系。所以螺旋桨转速也作为一个参数输入到IHSS中，以及前面的垂直位移。IHSS的设计，使得它也能将潮汐的估计补偿值整合到多波束数据中。

IHSS采用通用传感器格式（CSF），能够追踪记录有多波束所有偏移量、监视、导航、声速信息的文件当数据在IHSS中取对数后，所有信息都会保存在Reson 6042处理器中，包括船只动态吃水和潮汐校准数据。根据以下原则，有些波束会被遗弃：

2 IHO标准。 在工程测试中，是否满足1 IHO、

海底“足迹”是否超过了所允许最大范围。

在幅度或者线性测试中，SeaBat标记的值是否值得怀疑。

每一个脉冲信号都会根据其导航的质量、纵摇、横摇、船艏等数据标记；脉冲信号对水文调查的状态（在线或者离线）反映也会被标记。实时显示和绘图程序，以及处理程序根据这些标记来选择或者遗弃某一脉冲信号或者波束。GSF还能在文件内部记录数据和文件的历史处理信息。这样，一个多波束文件的从收集到处理，直接记录在文件内部。

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另外一个实时信息设备能够产生一个调查报告文件（SRF），来控制系统和数据的质量信息。程序记录每个传感器产生的大量用来报告传感器状态的信息；还有操作员产生的信息或者事件，都保存在SRF中。数据经过严格地分类，操作员需要清楚那些报告严重错误的信息。另外，采用彩色码、直角坐标系来实时导航并绘制海底轮廓图。

多波束水文测量中IHSS处理工具

使用多波束声纳进行水文测量，需要修改和合并深水多波束声纳技术，以及传统的水文测量技术。在准备和实时调查前，我们已经讨论很多事情，包括精度、覆盖、校准的应用、数据量、数据吞吐量以及连接性分析。为了完成这些事情，SAIC开发了很多工具来处理水文测量环境中的多波束。本节简要地讨论了这些处理工具。

多波束校准器和误差：数据处理的第一步包括单个数据流的误差分析。一个水文管理系统（HMS）根据SRF文件提供一个整体的误差信息。导航和其它传感器的误差，如果可能，则会被校正，如果不可能，受影响的波束或者脉冲竟会被标记上舍弃的标志。其他的处理程序允许评估和再标记多波束数据，在符合1 IHO、2 IHO标准的基础上。在观测到潮汐的基础上再应用新的潮汐校准也是可能的。

应用了自动误差分析和校准器之后，手动检查多波束数据异常值也是很有必要的。因为水文调查是一件很严格的事情，而且那些所谓的异常值也很有可能在接下来的调查和异常分析中起到作用。SwathEdit工具有直接检测多波束数据的能力。前文描述的自动分析程序标记数据；如果操作员觉得那些被标记为舍弃的数据不应该被忽视，如果可以修改，则可以修改。通过与已经被证实有效的、模拟的侧扫声纳数据相比较，来确认一个声纳的接触和波束宽度是否异常。

数据相关性：多波束声纳和侧扫声纳数据的独立分析是很有必要的，为了确定数据的有效性。此外，还需要其它的工具把所有的数据放在地理环境中，来校准声纳深度测量、声纳相关性等信息。一套基于地理信息系统程序的设备——多波束水文分析工具（MBHAT），用来促进空间数据的相关性。MBHAT提供最终声信号和覆盖数据，也能识别不符合要求的多波束数据和侧扫数据。多波束文件中的测深数据是可追踪的，侧扫数据也是有记录的，这样，异常值就能够被有效地识别出来。MBHAT还被用于前文所述的精度和校准分析。

经过校准和编辑，多波束数据读入到MBHAT中，基于被标记的脉冲和波束进行覆盖分析。如果发现了覆盖的间隙，新的调查路线就会在MBHAT中生成；这些新的调查路线会被输入到导航系统。侧扫覆盖也做了相似的分析，基于声呐

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的高度和设定值的范围。

多波束深度数据可以采用可选择的间隔读入到MBHAT中。例如，1米的间距是用来分析声纳间的联系，17.5米的间隔是用来在一个1:10000的比例产生可选择的测量值。任何网格层允许以多种格式对多波束数据进行灵活的分析。MBHAT最有用的工作是用彩色深度条或者等高线来观察声纳间的联系，这个联系是与深度有关的。这些深度层也用来估计水文数据。

数据量和吞吐量：此次工程研究中，Reson多波束声纳数据采集速率大约25Mb/小时，脉冲发射频率3.75--7.5Hz，平均每天工作16小时，一天产生的数据量400Mb，每条船工作10天，数据量4Gb。侧扫声纳在MO磁盘中每小时产生120Mb数据。此外MBHAT系统文件大约750MB。

数据吞吐量与数据量和数据处理效率有很大的联系。由于精度和可追溯性的要求，传统的水文测量是很需要劳动力的。采用多波束测深侧扫声纳产生的数据较传统的单波束调查系统多了三个量级，但是由于使用了当时运算速度最快的计算机，数据处理效率有很大的提高。然而，像波形编辑和模拟侧扫等步骤还是需要人工完成，且费时费力。MBHAT虽然能对数据进行分析，但是还是需要水道学专家进行审查，以便日后的调查研究。

在船上的数据处理效率如下：通过SwathEdit对多波束校准和误差分析需要一对一的操作；侧扫人工处理部分，也是需要一对一操作采集数据。多波束声纳和侧扫声纳数据的综合来进行覆盖分析，绘图以及相关性分析，对于熟练的人来说，需要12小时每天。

岸上的处理工作包括独立数据的检查；校准器的审计；潮汐校准的应用；各种附加条款的审查；最终报告的生成和数据生成。岸上的处理时间和船上的处理时间相近。

结论

本次调查结果表明，对于较高的精度和覆盖要求，多波束声纳对于水文测量来说是很有价值的工具。校准器和误差分析对于提高精度很有效果。校准器的高效利用，以及实时数据采集过程中挑出有用的数据对于最小化工作量十分有必要。由于校准器的使用是冗长的以及易错的，它的维护工作十分严格。调查时间和误差条件必须实时自动识别和维护，这个过程是十分严格的。

由于数据量，以及保证调查的精度，所处理的数据只有1/6--1/5被采纳。为提高效率，人工步骤应该最小化，自动化处理过程应该最大化；但是，还是需要水道学专家对数据做出评价，尽管自动处理工具提供了数据信息。采用地理信息系统（GIS）校准数据，水道学专家的工作会得到很大的改善，GIS能够提供精

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度测试、覆盖估计、声源选择。

致谢

没有水道学专家Walter Simmons领导整个SAIC调查团队，本文将不可能完成。由衷地感谢Jeff Parker，为他在MBHAT研发中个人所做出的努力，以及Jill Schoenherr，她在质量监督和岸上设备管理中尽职尽责。我们也由衷地感谢Reson公司的Burr Bridge，他耐心而又不辞辛苦地改进SeaBat 6042.

By Toby