【编者按】文章简要介绍了多波束测深系统的基本组成及测深数据处理的基本流程，重点论述了多波束测深数据处理涉及的几项关键技术，详细分析评述了近期国内外在该研究领域取得的主要突破和进展，展望了多波束测深技术下一阶段的发展方向，针对国内应用需求，提出了一些具有前瞻性的研究开发建议。本文发表在《海洋测绘》2016年第4期上，现编发给朋友们阅读了解。陆秀平，男，1973年出生，江苏兴化人，博士，主要从事海底地形地貌测量技术装备研发及数据处理理论方法研究。文/陆秀平 黄谟涛 翟国君 黄贤源 黄辰虎
一、引言
早在20世纪末期，国际海道测量组织(International Hydrographic Organization，IHO)就明确宣布：21世纪，海道测量将由传统的以航道利用为主的航海图海道测量转变为以获取水域基础空间地理信息为目的的海底(水下)地形测量[1]。海底地形测量是海战场环境建设和海洋开发活动中极其重要的前期性工作。高精度海底地形地貌信息是保障海上船只航行及海军舰艇作战训练安全的必备资料，也是海洋工程、资源开发和海洋科学研究等多个应用领域的重要基础信息。海底地形测量工作内容主要包含平面导航定位与测深两个方面，目前投入实际应用的海底地形探测手段主要包括：单波束、多波束、相干声呐、机载激光和卫星遥感测深。单波束和多波束测深是当前获取水域基础空间地理信息最常用的两种技术手段，经过多年的发展和积累，我国已经建立起一整套比较完善的单波束回声测深作业技术方法体系、数据处理理论体系和成果开发应用体系;多波束测深是集声纳测深和计算机技术于一体，再配以高精度GPS导航定位技术、姿态补偿技术、数据后处理技术、自动成图技术和人机交互解释技术，最终构成一个高技术的集成系统[2]。关于此项新技术，我国多年停留在跟踪研究的初级阶段，多波束测深技术体系建设工作在21世纪初才刚刚起步。由于多波束测深系统组成结构复杂，工作模式特殊，技术要求高，作业难度大，因此，从海上作业、数据处理到产品制作等各个方面，国内外研发部门和用户都面临诸多新的挑战，迫切需要进行专题技术研究和攻关[3]。特别是海量测深数据处理环节，其涉及的关键技术问题繁多，解决得当与否直接决定多波束测深成果的质量，故一直是该领域国内外学者关注的重点。
二、系统组成与数据处理流程
多波束测深系统是由多个子系统组成的综合系统，一般由声学子系统、数据采集子系统、数据处理子系统和外围辅助设备四部分组成。其中，以换能器为核心的声学子系统主要负责波束的发射和接收;数据采集子系统完成波束的形成，将接收到声波信号转换为数字信号，记录声波往返换能器面和海底的时间;外围设备主要包括定位传感器、姿态传感器、声速剖面仪和电罗经，其主要功能是实现测量船瞬时位置、姿态、航向的测定以及海水中声速传播特性的测定;以工作站为核心的数据处理子系统，主要负责声波信号、定位、船姿、声速剖面和潮位等观测信息的综合处理，最终完成测点波束脚印坐标和深度值的计算[2-4]。图1为典型多波束测深系统的组成框图。
图1 典型多波束测深系统组成示意图多波束测深技术在测深原理、测深方式、系统构成、声线跟踪和误差校改等各个方面都具有鲜明的特点，已经形成全新的海底地形测量技术架构。多波束测深的最终目的是得到地理坐标系下的海底地形或者地物信息，由于多波束测深系统采用了广角度定向发射、多阵列信号接收和多个波束形成处理等多种现代电子技术，因此，无论是数据处理过程，还是数据处理内容，多波束测深都要比单波束复杂得多，困难得多。图2为多波束测深数据处理基本流程框图。
图2 多波束测深数据处理基本流程
三、关键技术与研究进展
⒈ 声线跟踪计算技术声线跟踪计算技术是多波束测深数据处理最重要的技术环节之一，也是多波束测深区别于单波束测深的一个最显著的技术环节。声线跟踪计算是指根据波束入射角、声波往返程时间和声速剖面数据，计算波束脚印在船体坐标系下平面位置和深度的过程。由于海水的作用，声波在海水中不是沿一条直线传播，而是在不同介质层的界面处发生折射，因此声波在海水中的传播路径为一折线。为了得到波束脚印的真实位置，必须沿声波的实际传播路径跟踪波束轨迹，该过程即为声线跟踪。通过声线跟踪得到波束脚印在船体坐标系下的空间位置的计算过程又称为声线弯曲改正。在声线弯曲改正中，声速剖面观测数据扮演着十分重要的角色，因此要求声速剖面必须准确地反映测量海域声速的传播特性。一般在每天测量前后都需要对声速剖面进行测定，遇到特殊变化海域，还需要加密声速剖面采样站点，并相应减小站内采样水层的厚度。声线跟踪是建立在已知声速剖面参数基础上的一种多波束测深三维空间位置计算方法。将声速剖面内相临两个声速采样点划分为一个层，层内声速变化可假设为常值或常梯度，由此产生两种类型的声线跟踪计算模型，即基于层内常声速假设下的声线跟踪模型和基于层内常梯度假设下的声线跟踪模型。根据以上两类声线跟踪模型，只要知道各水层的厚度，便可获得层内波束传播的水平位移和时间参量，而水层厚度(即深度)又是我们需要确定的参量。为了解决这一矛盾，实际应用中一般采用所谓深度追加法实现声线跟踪精密计算，其具体计算过程这里不再详细介绍。为了简化声线跟踪计算过程，国内外学者又先后推出了声线跟踪误差修正法和等效声速剖面法。
两种方法的原理都是基于这样的事实：①具有相同传播时间、表层声速和剖面声线积分面积的声速剖面族，对应相同的波束脚印归算结果;②波束脚印归算中的深度和水平位移相对误差只跟各个层面的入射角、声速和相对面积差有关，与其它参数无关。误差修正法是通过选择一个简单的声速剖面(如零梯度声速剖面)作为参考声速剖面，根据两者的相对面积差，建立参考声速剖面与实际声速剖面之间的联系，进而修正参考声速剖面的波束脚印归算结果。等效声速剖面法是通过选择一个剖面声线积分面积与实际声速剖面积分面积相同的常梯度声速剖面(称为等效声速剖面)，以零梯度声速剖面作为参考声速剖面，采用误差修正和类似于常梯度声线跟踪的方法，即可获得最终的波束脚印位置和深度。以上几种声线跟踪计算方法各有特点，相比较而言，由于常梯度声线跟踪法的理论假设与实际情况比较吻合，因此计算精度相对较高，但计算过程比较复杂。等效声速剖面法计算过程相对要简单一些，计算精度也能满足作业标准要求，因此，具有实际应用价值。其他两种方法虽然计算过程比较简单，但计算精度难以满足要求，因此应用中很少使用。与声线跟踪计算精度相关的因素有：实际声速剖面的代表性;层内声速变化规律假设的合理性;表层声速误差;假定参数的选择(如等效声速剖面法中的参考深度);计算模型误差。
⒉ 异常数据探测技术多波束测深是在测量平台不断运动状态下进行的一种动态测量，这是海洋测量区别于陆地测量的显著特点。由于测量平台受海浪起伏、风、流等海洋环境效应的干扰，多波束测深数据采集过程难免出现假信号，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，这就是海洋测量信息获取过程中的粗差问题。由于工作模式特殊，多波束测深出现粗差的概率要远远大于单波束测深。所谓粗差指的是那些比正常值大得多或小得多的异常数据，显然，对这类异常数据，必须设法在数据处理过程中加以删除。但需要指出的是，海洋测深过程除会出现前面所指的粗差型异常数据(称为伪异常数据)以外，还存在另一类性质的异常数据，即所谓真异常数据，它们是海底地形局部剧烈变化的真实记录，这些信息对保证航海安全、海洋工程设计等都具有十分特殊的意义，因此不可将它们从数字成果中剔除。为了提高测量成果的可靠性，多波束测深数据处理过程特别增加了条带数据编辑技术环节，其主要工作内容是对异常数据进行探测和处理。由于多波束观测数据量非常庞大，异常数据检测和判别十分困难，因此，数据编辑在多波束测深数据处理过程中占有很重要的地位，其工作时间一般是海上作业时间的2～3倍。目前，数据编辑模式主要有人机交互式编辑和自动编辑两大类。人机交互式编辑采用人机交互界面，直观性较强，可靠性较高，但工作效率较低，编辑结果与操作者能力有关，具有一定的主观性。自动编辑采用数学处理方法，工作效率高，但处理结果的可靠性与所采用的数学方法有关，具有一定的不确定性。在实际应用中，采用人机交互和数学处理相结合的数据编辑方法，可取得更好的处理效果。
⒊ 条带数据拼接处理技术多波束测深系统是一个由多传感器组成的综合测量系统，测深数据质量不但取决于测深传感器自身的先进性，还与其他辅助测量设备的技术性能和海洋环境效应有关，多波束测深误差具有显著的多源性。除前面提及的粗差外，多波束测深还会受到一系列系统性和随机性误差的影响，产生这类误差的主要因素有：①仪器观测误差，如回波信号检测误差、声线跟踪计算误差等;②测深传感器安装校准剩余误差;③定位引起的位置误差;④GPS天线与换能器中心不重合引起的偏心误差;⑤静态与动态吃水改正误差;⑥声速剖面观测与代表误差;⑦姿态传感器观测误差;⑧姿态改正误差;⑨测深与定位不同步引起的时延误差;⑩潮汐改正误差。在上述误差源中，由于它们各自的变化特性和量值大小各异，它们对测深结果的影响方式也各不相同，有的影响是直接的，有的影响可能是间接的;有的影响是系统性的，有的影响可能是随机性的。尽管在数据处理过程中，可以通过建立相应的数学模型和补偿方法来减弱上述误差源的影响，但由于各种干扰因素变化复杂，各类剩余误差的影响是难免的。多波束测深系统是一种条带状测深设备，为了实现全覆盖海底地形测绘，在设计多波束测带间距时，一般要求相邻条带之间要有一定(譬如10%)的重叠区域，以确保较为完善地显示海底地形地貌和有效地发现水下障碍物，同时为精度评估提供必要的内部检核条件。但由于受各类剩余误差的影响，多波束测深数据难免出现系统性偏差，特别是在边缘波束部分，从而势必导致相邻条带重叠部分数据之间的不符。为了获得覆盖整个测区的连续光滑的测深成果，必须对重叠区的采样数据进行融合处理，即对条带数据作拼接处理，这是多波束测深数据处理工作的一个重要组成部分。对各类误差源的作用机制进行深入分析，建立相应的误差补偿模型，是实现条带数据合理拼接的基本前提。
⒋ 主要研究进展如前所述，海洋资源开发、海洋权益维护和军事活动等各类应用需求极大地推动了多波束测深技术的发展，同时也促进了多波束测深数据处理关键技术的突破。关于多波束测深技术的发展和应用，文献[5]～[7]曾做过比较详细的论述和总结，文献[2]最早将该技术介绍到国内，为推动我国多波束测深技术的发展发挥了积极作用，文献[8]对多波束测深技术研究进展情况进行了综述，指出该技术正在向着全海深测量、高精度测量、高分辨率测量和集成化与模块化方向发展。此后，我国学者在涉及多波束测深数据处理多个关键技术领域，开展了大量的研究工作。文献[9]～[17]等从不同侧面，对多波束测深误差、设备安装校准、参数校正、数据质量评估等问题进行了比较深入的探讨;文献[18]研究了精密多波束测量中的时延确定方法;文献[19]～[29]等分析研究了声速剖面对多波束测深的影响及其改正方法;为了削弱声速剖面代表误差对多波束测深精度的影响，文献[30]提出利用实测声速剖面数据、温度与盐度剖面数据，采用两种方法分别建立区域空间声速模型;文献[4]、[31]～[34]等相继提出了声线跟踪计算和测点空间位置归算的改进方法;文献[35]在对目前常用的声线跟踪计算模型进行分析研究基础上，推出了一组更加精密的声线跟踪计算公式;文献[36]和[37]分析研究了多波束测深中的潮汐改正技术;为了满足沿岸浅水多波束测深需求，文献[38]提出了能够顾及潮时差变化的多验潮站多边形潮汐分区改正数学模型，设计了海量多波束数据处理通用的虚拟单验潮站改正模式。为了满足近海多波束测深需求，作者将TCARI模式引入水位改正，提出了基于余水位配置的海洋潮汐预报方法。在此基础上，建立了多波束测深水位改正标准作业流程，并研制开发了实用化的水位改正软件模块。
在多波束测深异常数据检测方面,国内外学者已先后提出了多种算法。在处理多波束测深数据时，文献[39]和[40]提出通过比较每个测点(作为被检测点)的观测值与其周围测点加权平均值的差异，来判断异常值的存在;文献[41]提出使用AR模型确定异常水深位置;文献[42]提出通过统计检验剔除异常数据;文献[43]提出利用统计分析方法判别异常点;文献[44]探讨了中值滤波算法在多波束测深异常数据检测中的应用;文献[45]～[47]提出了综合运用不确定度指标、中值滤波、Kalman滤波和水深信息局部相关性分析等多种手段，进行异常数据探测的CUBE(Combined Uncertainty and Bathymetry Estimator)算法，该算法已实现商业化，并作为CARIS软件中的一个重要模块，在实际作业中得到了推广应用。国内方面，文献[48]和[49]提出了基于趋势面的数据滤波方法;文献[50]～[52]将抗差估计理论应用于测深异常数据的检测;文献[53]探索了小波变换应用于多波束测深异常值检测的可能性;文献[54]提出了基于测点密度的图像滤波法;文献[55]分析比较了各类多波束测深异常数据检测算法的有效性;文献[56]通过算例验证了应用CUBE算法剔除多波束测深粗差的实际效果;文献[3]研究剖析了CUBE滤波算法检测异常数据的基本原理及其数学模型，证明CUBE滤波算法与传统加权网格化算法在形式上具有等价性;在此基础上提出了基于多波束测深不确定度的抗差加权网格化算法和抗差趋势面滤波算法，深入分析比较了两种抗差算法与CUBE滤波算法的技术特点、内在联系和区别，由此提出了联合采用抗差趋势面滤波和抗差加权网格化算法，进行多波束测深异常数据检测与定位的综合性方案。如前所述，由于测深系统和海况的复杂性，造成多波束测深数据中包含许多系统性偏差，引起这些偏差的原因主要与海洋动态环境、传感器安装校准不准确、辅助传感器与声纳系统整合不完善，以及对海水声速结构了解不精细等因素有关。受此影响，相邻条带重叠区水深将出现不符，无法实现条带光滑拼接。针对此问题，国内外学者主要围绕多波束声线折射误差校正问题，开展条带边缘数据精细化后处理工作。文献[57]和[58]在该领域做了大量的研究和试验，取得了较好的效果;国内方面，文献[59]提出使用两步平差方法，以单波束测深数据作为控制，实现多波束测深条带之间、多波束与单波束测深数据之间的融合处理与拼接;文献[60]提出通过多波束测深边缘波束误差的综合校正，来改善相邻条带重叠区测深数据的不一致性;文献[61]提出利用平坦海区多个条带的正投影校正换能器横摇安装残差，采用常梯度等效声速剖面模型校正声线折射误差，以中央波束测深数据作为控制，强制调整边缘波束测深值，达到整体光滑拼接的目的;文献[62]提出使用等效声速剖面原理实现多波束条带数据拼接;文献[63]对多波束测深残余折射处理方法进行了对比分析研究;针对多波束测深相邻条带数据不符问题，文献[3]分别构建了多波束测深相邻条带数据融合处理模型和多波束与单波束测深数据融合处理模型，提出了系统偏差补偿效果显著性检验方法。为了解决数据融合处理模型解算过程中的奇异性问题，提出了基于误差验后补偿理论和测深不确定度的两步平差计算方法。文献[64]分析了残余误差对多波束测深影响的变化规律，提出了一种基于地形变化长波项与短波项相结合的残余误差综合削弱方法。
四、结束语
根据当代海洋测量技术发展的需要，国际海道测量组织(IHO)已在1994年9月的摩纳哥会议上制定出了新的海道测量标准，即IHO S-44标准，并规定在高级别的水深测量中必须使用多波束全覆盖测量技术。随着多波束测深技术的应用范围不断深入和扩展，其独特的高效率测量方式已经越来越被更多的用户所认识，人们对这种测深技术的要求也越来越高。为了满足这种需求，仪器设备生产厂家一直致力于多波束测深系统结构和技术性能两个方面的突破。经过最近二十多年的飞速发展，其仪器设备不论是结构设计还是观测精度，都已经达到相当成熟和相对稳定的阶段，不同类型仪器之间的性能差异也越来越小，目前在国际市场上，几乎所有的商用多波束测深系统观测精度都能达到甚至超过IHO S-44标准。在这种新的形势下，如何实现多波束测深数据的精细化处理，自然就成为这个领域大家共同关注的热点问题。
最近一个时期，虽然国内外学者在多波束测深数据处理多项关键技术研究方面，取得了一定的进展和突破，但有关多波束测深数据精细化处理问题还远没有彻底解决，特别是相关文献提出的数据处理新模型在投入实际应用之前，还有大量的实验验证和研究分析工作待开展。我国的多波束测深技术研究工作起步相对较晚，直到20世纪80年代末才研制成功少量的试验样机。最近几年，虽然陆续有国内生产厂家推出了商品化的多波束测深系统，但其作业性能的稳定性和可靠性还有待实际作业的检验。这里需要特别指出的是，目前我国涉海部门使用的多波束测深系统、配套的测量数据采集设备及数据处理软件几乎全部依赖国外进口，进口软件价格昂贵，版权控制严格，明显不利于在基层作业部门大规模推广使用。因此，在突破多波束测深数据处理关键技术基础上，尽快推出一套具有我国自主知识产权的、具有商品化水平的多波束测深数据处理软件系统，是我国海洋测绘领域工程应用和学科发展的当务之急。文献[3]虽然已经完成了多波束测深数据处理软件系统基本框架的构建，总体设计比较合理，研究起点比较高，开发过程比较规范，质量控制比较严格，但由于多波束测深数据处理软件系统研制与开发是一项比较庞大的系统工程，涉及面较广，集成难度较大，同时受时间、人力和物力等多种因素的限制，该软件系统至今仍处于功能测试、验证和优化完善阶段，离商业化应用还有一小段距离。尽管要跑完这一小段距离很艰难，但无论是对于工程应用还是技术创新需求，完成这一艰巨任务都是必需的。 对于当前的应用需求，我们认为，除了要尽快推出多波束测深数据处理软件系统外，多波束测深前端的数据质量控制、后端的质量检核评估和多类别数字产品制作等，应当成为下一阶段我国多波束测深技术发展研究的重点方向。数据质量控制涉及仪器设备技术性能检验和校准技术手段的创新，需要有一整套精密的声学设备和较好的基础设施作支撑，期待在这样的需求牵引下，结合其他测量要素的应用需求，尽快建立起国家级的海洋测绘技术重点实验室。数据质量检核评估涉及测深精度评估理论方法及其相关技术手段的创新，需要有代表性的海上精密测深标准场做支撑，同样期待在这样的需求牵引下，结合其他测量要素的应用需求，尽快建立起军民共用的海洋测绘多要素标准场。多类别数字产品制作涉及应用需求论证、海量数据特性分析及服务保障模式的创新，单一形式的多波束测深数据成果显然不能充分反映这种新型高分辨率测深技术手段的潜在效能，也无法较好地满足各个领域对海底地形信息的应用需求，迫切需要在多波束测深数据产品的多样性研发方面做出原始创新，取得一定的突破，并在多种应用需求的推动下，逐步建立起完整的新型海底地形测量作业生产和服务保障体系。
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