航道水深测量技术新进展

2013-06-03 16:47:00    来源:

摘要:航道动态变化和泥沙运动会在短时间内改变航道的几何形状,对船舶的航行产生危险。水深测量提供了准确的航道内部水深变化的信息。
熊晋健1,杨 保2,周 立2
(1中国矿业大学环境与测绘学院,江苏徐州221116;2淮海工学院测绘工程学院,江苏连云港222005)

1.航道水深测量信息获取技术
 
    1.1水深观测设备
    为了获得高时空的分辨率和覆盖面数据,目前对浅水航道水深进行测量的手段主要是利用船载声纳测量设备和机载激光测量设备等;对航道平面位置进行测量的方法主要是借助于GNSS在测量水深时记录测量点的经纬度信息来确定水深点的位置。
   1.1.1船载声纳测量设备
    多波束测深设备根据原理又可分为束控多波束(又称电子多波束)和相干多波束。电子多波束测深系统由发射换能器和接收换能器组成。通过呈扇形发射和接收多个波束的声能信号在特定角度下测量反射(散射)信号往返时间的方法,可得到对应不同角度的多个水深数据。而相干多波束测深系统是由侧扫声纳发展而成,计算水深的方法基于在特定时间下测量反射(散射)回波信号的角度。
    多波束测深设备已经成熟。随着多波束测深技术的普及与应用以及其观测数据的大量积累,目前特别值得重视和急待研究解决的主要问题是对多波束测深数据如何实施高效的处理和管理,以及怎样对测量成果的可靠性进行评估。我国自主研制的多波束测深系统仍处于测试阶段,在许多方面还需要作进一步的改进和完善。更集成化的系统功能和更小型化通用化的系统硬件平台是未来主要的发展方向,另外还需加强系统的可靠性、稳定性以及抗恶劣环境的性能,以便能够在小吨位的测量船上进行推广和使用。
    1.1.2双波段机载激光雷达
    机载雷达(LiDAR,Light/Later Detection and Ranging)是激光探测及测距系统的简称。用于对水下地形探测的机载LiDRAR系统,是向水体发射2个波长的激光脉冲:近红外(1064nm)激光和蓝绿波段(532nm)激光。由于近红外波段激光被海水反射可以探测水面,而蓝绿波段激光在海水中传播衰减最少,这样就可以去探测海底,从而获得被测点的水深值。该技术是基于海水中存在一个类似于大气探测窗口,即海水对0.47μm—0.58μm 之间波长范围内的蓝绿光的衰减系数最小,蓝绿波段的激光在通过海水时有着较强的穿透力以及几号的方向性。
    目前国际上有LADS(机载激光测深),SHOALS系列(扫描水文运行机载激光雷达测量)等几种LiDAR测深系统。根据最近几年机载Li-DAR测深技术的发展能够看出,机载激LiDAR测深系统未来主要发展方向是提高激光器的重复频率,提高测量最浅水深的能力,加大光学孔径,在海陆一体化测量的基础上,集成光学成像功能,增加对沿岸地形进行摄影测量的功能,以提高水下地形测量的效率。
    机载LiDAR测深是快速机动高效实施沿岸浅水区测量的手段之一。但由于技术复杂,研制难度大,国际上也只有加拿大、瑞典国家等有成熟的商品问世,并成功应用于航道测量作业。目前我国还处在跟踪研究阶段。
    1.2测深环境信息采集设备
    要保证水中换能器获得高精度的水深数据,紧靠系统本身的高精度是不够的。为此必须有相应的测深环境信息采集设备以保证航道水深数据得到各类修正。相关的采集设备包括:三维姿态测量系统、声速仪、验潮仪、换能器定位系统和导航罗经等。
    1.2.1三维姿态测量设备
    三维姿态测量系统是提供换能器实时三维的姿态变化信息的设备。目前,与测深仪配套使用的姿态传感器大致可分为三类:(1)一维姿态传感器,它仅仅是对波浪进行补偿,只能测量波浪的上下起伏,如TSS公司生产的HS50;(2)三维姿态传感器,除了可以测量波浪的上下起伏以外,还能同时对船舶的倾斜(包括横摇与纵摇)进行观测,如TSS公司生产的DM05;(3)一体化方位姿态传感器,它可以同时观测波浪的上下起伏、船舶的横摇纵摇以及真航向的信息,如法国iXSEA公司生产的OCTANS Surface。 OCTANS Surface是一款用于水下的三维姿态仪,整合了陀螺罗经功能,是目前市面上比较先进的运动姿态传感器,也是唯一经过IMO认证的测量级罗经。它内部集成了3个光纤陀螺以及3个加速度计,可以给出载体的六自由度运动姿态以及真北方位角;它还内置了自适应的升沉预测滤波器,在任何情况下都能实时的提供精确可靠的姿态数据。
    2.2.2声速测量设备
    海水声速测量通常采用表面声速仪以及声速剖面仪。目前这些仪器仪大多采用环鸣法测量声速,测量声波在一个已知的距离内往返多次的时间,即用接收到的反射回波信号去触发发射电路,再发射出下一个脉冲,由此不断循环下去。如美国ODOM 公司的Digibar Pro系列,Reson公司SVP系列以及国产的海鹰加科的HY1200系列,这些都采用的是“环鸣”技术,能够自动地补偿各种影响海水中声速传播的因素,如海水的含盐度、温度以及深度等。
   
2.航道水深测量信息处理技术
 
    在数据采集的过程中,不可避免地存在着各种噪声和环境的干扰,因此选用合理的方法和技术去消除这些误差和噪声,并对数据进行优化处理,得到准确的水深测量成果是数据处理的核心任务。而怎样保证测量数据的精度及其可靠性,是所有测量仪器都需要关注的问题。
    2.1多波束水深测量数据处理技术
    多波束水深测量是目前高精度海底地形测量技术中比较主流的技术,水下测量工作也在异常测深数据处理、声速改正、实时水位以及后处理软件等方面均开展了相关研究和进展。
    2.1.1测深算法
    目前对测深方面提出了多种算法,如WMT(Weight Mean Time)算法、相位差检测算法、BDI(Bearing Directiong Indicator)算法等,这些算法的性能比较稳定,因此已被广泛使用。但是这类算法从原理上限制了海底深度测量分辨率的提高。为了提高分辨率,又有人提出了多子阵检测的方法。但是该算法需要用到窄波束来适应海底地形变化的需求,而且即使采用了窄波束,随着探测深度的增加,海底脚印也会逐渐变大,仅仅依靠窄波束来满足对海底目标的高分辨探测仍然是不现实的。由于在侧扫声纳中的成功应用,因此国际上又开始把目光关注点逐渐转移到相干测深方法,并进行了一系列的相关研究工作。从已有的设备来看国外已经有了几款具有相干特点的多波束测深声纳,如GeoSwath Plus测深系统,就是使用了相干原理的多波束产品。
    2.1.2声速改正算法
    多波束声速改正的问题一直是研究重点。各国学者对声速改正的问题也进行了大量研究,提出多种声速改正方法,例如常梯度声线跟踪法、等效声速以及误差修正法等。常梯度声线跟踪法的计算精度最高,但是计算过程繁琐;等效声速断面法的计算精度虽然仅次于常梯度声线跟踪法,但是参考深度的要求相对比较苛刻;误差修正法的计算精度相对于前两者稍差,但是也能满足IHO(国际航道测量组织)对测深精度的要求,并且计算过程相对简单;声速声线跟踪法是精度最差的,且计算过程也比较复杂。朱小辰等在常梯度声线跟踪法的基础上,推导了多波束声速改正的精确模型,并通过与CARIS软件处理结果的实例,比较验证精确模型的有效性。由于多波束测深数据量庞大,数据编辑工作非常繁杂,需要研究快速可靠的包括异常数据自动检测在内的数据处理方法。
    2.1.3 水位改正
    在水位改正方面,很多人开始研究利用GPS技术来代替传统的海洋潮汐观测方法,提出了基于精密单点定位技术(PPP)的远程GPS验潮,可以弥补现有实时动态差分GPS(RTK)无验潮模式受距离限制的缺点。同时还分析了影响GPS验潮精度的各种因素,并且针对具体的试验区域,将远程GPS验潮方法在不同距离内的观测结果与验潮仪的观测结果分析比对。另外也有研究使用基于GAMITTrack的双差动态定位模块来计算海洋潮汐的方法。
    2.1.4 软件开发
    在软件方面,现在对水深数据的采集与处理方面效率更高,通用性更强。美国Hypack航道测量数据采集和处理系统可以实现从测线的布设、多源数据的采集、实时改正数据处理到最后的成图,实现全流程的操作功能。美国TRITONImaging公司则拥有世界最先进的海底成像和绘图的软件,可以实现对多波束数据、侧扫数据、几何干涉声纳、地震数据等的可视化显示、质量控制、编辑成图以及解释。美国iXblue公司的数据采集与解释软件DELPH系统,可以对包括侧扫、声纳、地震磁力、浅地层剖面数据进行采集和解释。
    另外,大多数的软件能够处理多种不同设备得到的多源数据:例如,Atlas公司生产的HYSWEEP数据处理软件,其能够支持数十个不同测量系统的测量数据处理。由此可见,目前航道测量数据处理软件的通用性很强,这样不仅有利于测量标准的统一,而且还极大的提高了航道测量数据处理的效率。
    2.2机载LiDAR测深数据处理技术
    机载LiDAR测深系统所获取的数据主要包括LiDAR测距波形数据、GPS数据、姿态数据以及时间同步数据。其数据处理的基本流程是,首先从激光波形数据中提取飞机到海面及海底的相对斜距,然后结合GPS数据、姿态数据以及时间同步数据解算出飞机到海面及海面至海底的瞬时斜距。最后,根据潮位观测数据,将海面至海底的瞬时斜距归算成海图图载水深。
    基于机载LiDAR测深几何空间结构,欧阳永忠、黄谟涛、翟国君等提出了三种深度值归算的改正模型,即无修正模型、波浪潮汐改正模型以及惯导辅助修正模型。针对机载LiDAR测深出现异常数据比较多的问题,提出了采用抗差M估计选权迭代法进行异常数据检测,并且给出了检测的判别模型以及计算流程。根据机载LiDAR测深条带连接必须有部分重叠的要求,提出了机载LiDAR测深数据系统误差的趋势面模型,采用两步法解决机载LiDAR测深数据中的系统误差补偿问题,极大简化了机载LiDAR测深条带数据融合计算过程。

3.结论与展望
 
    随着计算机和通讯技术的发展,航道水深测量装备正在朝着系统功能更加集成化,系统外观更加小型化和轻便型方向发展。测深的仪器可接入定位、定向以及姿态设备,具备测深功能的集成系统已经开始应用,测量精度也将会进一步提高。随着测量理论研究和测量手段的发展,测量精度将明显提高。具有面状测量功能的多波束测量系统将被广泛应用,各种水声校准设备的使用也将提高测深设备的测量精度。数据采集和处理软件将得到进一步的发展,功能将满足不同用户的特殊要求。测深设备上,国外的技术还是有非常大优势的,但是随着从国外积极引进高精度的测深设备的深入和我国海洋测绘整体水平的发展正逐步提高,逐渐缩小了与国外先进测量技术的差距。未来在水深数据信息的采集、分析与处理以及后期的应用管理中,我国还需要加大研究和开发的力度。
 

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