EM950多波束系统简介.doc

海洋地质. 2000第2期
Simrad EM950多波束测深系统及其相关设备的简介
刘胜旋
（广州海洋地质调查局第二海洋地质调查大队 510760）

摘要 本文主要介绍挪威Simrad公司的EM950型多波束测深系统，对系统的各个关键部件如换能器、底部检测单元、操作单元等进行了较为详细地介绍，同时还对系统参数测试的步骤进行了详细的描述，最后是与系统相配套使用的其它相关设备。
关键词 Ping(声脉冲)，陶瓷感应棒（ceramic stave）,Pitch，Roll，Swath(条幅)，OPU，DPU

一 引言

多波束测深(Multibeam Echo Sounding)系统的出现，为研究海底地形地貌、寻找沉没于水中的飞机船舰、进行水下考古、铺设海底管线、航道岸提测量、工程疏浚的土方计算等一系列工作提供了可靠的手段。为了顺利完成“我国专属经济区和大陆架勘测”专项（简称“126”专项），我国多家从事海洋地质研究的单位于1998年从挪威Simrad 公司分别引进了多套EM系列多波束测深系统。其中国土资源部（原地矿部）广州海洋地质调查局引进了一套EM950型及一套EM3000型的多波束测深系统。现结合一年来的使用经验系统地介绍一下EM950型多波束测深系统的技术指标、工作性能、各种参数的校正及相关设备等内容。

二 Simrad EM950多波束测深系统

(一) 基本技术指标
Simrad EM950 是一种高分辨率海底地形测深系统。它的主要技术指标为：
发射频率： 95kHz
脉冲宽度： 0.2ms
测深范围： 探头以下3－400米
波束宽度： 2.3°×3.3°
覆盖宽度： 最高可达7.4倍水深
波束数： 120个（每个脉冲60个）
测深精度： 15cm或0.25%水深
EM950采用95 kHz的发射频率，这个频率兼顾了在海水和淡水中的工作能力。其在海水中的吸收系数大约为30dB/km，当所测水深大于140m时，可以得到1000m的水平覆盖宽度。在淡水的吸收系数大约为2—3dB/km。当在河口或河口附近等含有大量泥沙的水域中工作时，因其发射频率的特殊性，它的测程并不会因吸收衰减而受到太大的影响，但会因水中悬浮微粒的漫射或者反射而受到较为明显的影响。随着频率的增加，反射会以4次幂的速度而增加。因此，EM950在上述水域中工作时，它的性能、效果要比以200 Hz频率工作的多波束测深系统好得多。例如，在每升水中含有1克泥沙、微粒直径小于0.1mm的水域中，EM950以150°的发射角，刚好能工作于30米的水深范围，并且，底部反射强度不低于 –35dB。而在同样的水质条件下，以与EM950相同的波束宽度、200 kHz发射的多波束测深系统在3米深的水域里就开始丢失波束，并且，在30米深的水域里其覆盖宽度只有60°。

(二) 换能器

Simrad EM950换能器采用接收与发射一体化的设计方式。换能器的形状为半径为45°、开角为160°圆柱扇形。它包含有128个陶瓷感应棒，每个陶瓷感应棒在前后平面方向又包含有5个感应器，因此，在横向上，每个陶瓷感棒的间隔为1.25°。波束形成器在前后方向平面的开角固定为3.3°,波束的中心方向垂直于换能器的表面，但是由于旁瓣的影响，其接收、发射波束的有效宽度在前后方向均为2.3°。在横向上，接收波束的宽度为3.3°，除那些波束指向角大于59.4°的波束外，其余的波束都垂直于换能器的表面。换能器应该安装在尽可能深且尽可能向前的地方，以避开水中汽泡的影响。换能器既可以安装在一个焊在船壳上的流线型护罩内，也可以安装在伸缩的外壳单元内。如果是非固定安装，船速必须限制在10节以内。
传感器上的陶瓷感应棒通过各自的电源放大器直接受控于发射信号处理器。该信号处理器通过设置放大信号之间的相位和进行振幅调节然后形成波束。声波频率、128个发射器电源放大器的控制信号的计算也是受埪于该信号处理器。而船姿、Roll 、Pitch、声速则作为该处理器的输入参数。
接收处理步骤包括：探头的128个陶瓷感应棒上的带时间增益控制（TVG）的前置放大器进行前置放大、滤波、数模转换、经过横向偏角补偿后形成波束、对60个波束进行数字滤波和计算它们的振幅与相位。最后是将这些原始数据与三维涌浪补偿器数据、罗经数据经过两条同轴电缆传送给底部检测单元。

(三) 底部检测单元（DPU）与操作单元（OPU）

在底部检测单元与操作单元里，使用的是一台工业标准总线（ISA）计算机。该计算机使用的是Intel实时操作系统，以便充分利用80486微处理器的功能来处理EM950产生的大量的数据。这些软件大部分都是用C语言或PL/M语言等高级语言编写的，这就使得它与其它设备有着很好的兼容性。底部检测单元与操作单元里用以太网(Ethernet)连接起来而形成一体。
底部检测单元从接收系统获得原始数据后，对它们进行处理以获得每一个波束从探头底部到海底的旅时间。
操作单元的作用是从底部检测单元接收到波束的旅行时间后，然后进行水深、定位点转换以及其它处理。操作单元通常需要从外部系统精确地接收导航定位、时间标签（Time-Tap）等数据，最后把这些数据如水深定位点数据、水深数据、海底影像数据等通过以太网传送给SUN工作站的数据记录系统。
操作单元通过菜单可以进行所有的设置控制：参数设置、发射模式设置、最近一个声脉冲的横向水深剖面显示、船迹方向任一波束的纵向水深剖面显示、SVP剖面的显示与编辑以及船姿、航向、定位点等等。对于任一个波束，我们还可以显示它的随声脉冲而变化的回声测深图（Echogram）、波的振幅数据、相位数据等。
声速探测器测量到声速数据后可以被操作单元直接读取，也可以在另一台计算机编辑好以后通过以太网或串行口传送给操作单元。SVP剖面也可以在操作单元上直接输入、编辑、显示等。在声线弯曲计算过程中，最多只能用到100个不同的声速数据，因此，当我们所测的声速剖面数据大于100个时，我们必须通过编辑适当地去掉一些数据后才能使用。

(四) 与相关设备的联接

图1 EM950系统及其相关设备连接图
导航计算机及SVGA分屏器
驾驶台显示器
ULTRA2工作站
ALDNE9315声纳图像打印机
AM SVplus声速计
声纳接收发射机
EM950换能器
AML 表面声速传感器
TSS DMS05 涌浪补偿器
ANSCHUTZ20 数字罗经
SECEL NR103 DGPS 接收机
OPU DPU
Simrad EM950多波束测深系统是由换能器、底部检测单元、操作单元、声纳接收发射机、导航定位系统、涌浪补偿器、表面声速传感器、声速剖面探测器、声纳图像打印机和数字罗经等设备组成。它们之间的连接见图1。
DGPS接收机接收到导航定位数据后,通过以太网经由OPU、DPU再传给Sun Ultra2 工作站，而后由工作站形成实时电子导航图传给导航计算机，再通过分屏器传至驾驶台。工作站还负责数据记录、质量监控、海试时进行Roll、Pitch、Time Offset校正，软件还可以实时生成彩色等值线图和显示高分辨率海底影像图。三微涌浪补偿器负责船姿补偿校正。船的航向则是由涌浪补偿器和数字罗经的信号共同作用而校正。

(五) 工作模式

在3－400米的水深范围内,系统的脉冲长度为0.2秒。对于每一个声脉冲（Ping），都可以形成60个波束，它们之间的间距为2.5°(等角度模式), 或者为水平等距离模式。下一个脉冲时，所有的波束都向左或右平移半个波束间距，这样交替地发射，每两个声脉冲就可以得到120个波束。水平等距离模式发射时，发射角可以为150°、140°和128°，条幅宽度最大可达7.4倍水深（见表1）。对于75°开角发射模式，可以用于高精度测量。
当EM950采用等角度模式发射时，波束之间的距离从中央波束到外缘迅速地增大。因此，如果我们想要对一个测区进行均匀地采样测量，就不能采用这种工作模式。另外，由于外缘波束的距离过大而导致EM950后处理系统不能正确地处理时，也不能采用这种发射模式，这时只能采用等距离模式发射。但是，随着水深的增加，有可能出现丢失波束的现象，这时可以采取减小发射角的办法以获取完整的波束数及提高测量质量。另外，EM950可以依据水深、底质情况和接收到的有效波束，自动的选择一种最佳的发射模式(只限于水平等距离模式)。对于每一个波束它们的采样间距为15cm（振幅采样）或30cm（干涉相位采样）。
EM950的四种等距离发射模式的基本情况如下表所示, 其中的倍数关系由于各个海区的物理、化学性质不同而有可能发生变化。

表1 EM950等距离发射波束性能表

发射角度
条幅宽度
水平波束间隔
适用水深范围
150°
7.4*depth
6.3%*depth
3－200m
140°
5.5*depth
4.6%*depth
100－250 m
128°
4.1*depth
3.4%*depth
150－400m
75°
1.4*depth
1.3%*depth
10—400m

为了进行堤岸测量，这里有三种可选的测量模式：河道模式（Channel mode）,右舷模式（Port Bank mode），左舷模式（Starboard Bank mode）。在河道模式中(如图2)，每两个脉冲有76个波束以124°的扇形发射角向中央位置发射，条幅宽度为5.0%倍水深。另外，每边有22个波束以1.5 °的波束间距、33°的扇形发射角向两边发射，这样，总的发射角为190°。
水面
33°
33°
124°
图2 河道模式
水面
75°
62°
33°
图3 右舷模式
为了方便单边堤岸领域方面的应用，操作员可以选择左舷或右舷模式。对于堤岸模式(如图3),在向岸的一面，有22个波束以1.5 °的波束间距、 33°的扇形发射角向岸边发射，剩余的98个波束以137°的扇形发射角向中央发射：条幅宽度为5.2%倍水深。当岸边非常陡峭时，这样的几何结构模型可以取得非常好的测量效果。

三 海上实验

对于任何一套精密仪器，其参数正确与否，是影响整个系统性能和精度的主要因素。因此，在正式工作、生产前，都必须正确、严格地测定它们的各项参数。EM950也不例外，在其每一个航次前，或有关键硬件设备更换时，都应进行参数测定。需要测定的参数有：Roll（横向偏角）、Pitch（纵向偏角）、Time Offset（时间延迟）、Gyro（航向偏角）。另外，在以上四项参数测定前，还需要作SVP（声速剖面）校正。
1. Roll Calibration
A
B
海底
图4 Roll校正侧视图
B
A
C
校准线
测线
D
图5 Roll校正俯视图
如图4 ，选择一处比较平坦的海区布置一测线AB，测得正确的SVP数据后输入系统，然后以正常的航速（10节）、相对的方向沿AB线行驶一个来回，得到两个文件1和2。然后用系统自带的Roll Calibration模块打开文件1和2，作一条垂直于AB的线段CD（图5），通过调整Roll参数，使得该剖面上的水深点重合得最好（图6、图7），最后得到Roll参数。Roll参数只是一个修正值，用原来的校正参数加上该修正值，即为新的校正参数。
图6 Roll 参数校准前
图7 Roll参数校准后
2. Pitch与Time Offset Calibration
B
A
海底斜坡
图8 Pitch校正侧视图
C
B
测线
A
D
斜坡
图9 Pitch 校正俯视图
图10 Pitch 参数校准前
图11 Pitch 参数校准后
找一个有斜坡的海域，布设一条垂直于该斜坡的测线AB（图8），先以正常的航速（10节）、相对的方向沿AB线行驶一个来回，得到两个文件3和4。再以一半的速度（5节）、相对的方向沿AB线行驶一个来回，得到两个文件5和6。然后用系统自带的Pitch Calibration模块打开文件3和4，作一条平行于AB的线段CD（图9），通过调整Pitch参数，使得该剖面上的水深点重合得最好（图10、图11），最后得到Pitch参数修正值。用原来的校正参数加上该修正值，即为新的校正参数。
再选择文件3、6或4、5（航向必须相反），作与上面相似的步骤，首先输入上一步得到的新的Pitch校正参数，然后调整Time Offset参数，即可得到Time Offset修正值，
用原来的校正参数加上该修正值，即为新的校正参数。
3. SVP Calibration
找一海底平坦的海区，布两条相互垂直的测线（图12），以正常的航速行驶得到文件7和8，利用文件7和8，我们可以沿下
测线
①
②
③
⑥
⑤
④
⑦
⑧
⑨
条幅宽度
图12 SVP校正示意图
列步骤研究、判断SVP校正是否合理：
1) 检查一条测线的中央波束与另一条
测线的中央波束（第⑤区），因为它们
测的都是相同的一点，应该有相同的
水深值。如果水深值不一致，则有可能
是其它错误引起。

2) 检查一条测线的外缘波束与另一条测线的外缘波束（第①、③、⑦、⑨区），如果第1)步没有问题，则它们应该分别有相同的水深值。如果不一致，则可以肯定SVP校正有错误。
3) 检查一条测线的中央波束与另一条测线的外缘波束（第②、④、⑥、⑧区），如果第1)、2)步没有问题，则两条测线的波束在②、④、⑥、⑧区测得的水深值应分别相等。如果不等，则SVP是错误的。

4. Gyro Calibration
水面
海底参考点
图13 罗经校正侧视图
图14 罗经校正俯视图
把第1、2、3步得到的正确参数输入系统后，找一个有突出标志物的海区或码头（图13），在标志物的一旁航行，用右舷波束测量标志物，得到文件9；在标志物的另一旁反向航行，同样用右舷波束测量标志物，得到文件10。第一次航行时，由于存在航向偏角g，固本应在R位置的水深点偏移到了R1（图14）；同样，反向航行时，R位置的水深点偏移到了R2。测量R1与R2之间的距离为d，航迹与目标点R之间的距离r（应平行于条幅）。则航向偏角可由下式算出：
g = arctan()

四 其它相关设备

1 TSS DMS05 三维涌浪补偿器(Heave Compansation)

当调查船航行时，由于受到风力、海浪、海流等因素的影响，船体必然现成一个绕X、Y、Z轴旋转的复杂的三维运动，这个运动的结果是极大地改变了波束的发射与接受方向。如果不实时进行校正，则难以保证野外资料的准确性和可靠性，甚至接收不到有效资料。三维涌浪补偿器通过采用高灵敏的三维加速度传感器来获得船体的运动幅度数据，然后实时地进行补偿，以消除调查船在波浪中的飘摇对测深数据的影响。维涌浪补偿器在浅水高精度调查中尤为重要。

2 DGPS 导航定位系统

Sercel NR103 DGPS是法国Sercel公司生产的，其差分距离最大可达800Km，定位精度优于10m，该接收机有10个并行接收通道，可以同时对10个空间卫星进行伪距离校正计算。差分基准站数据传输使用两个发射频率，通过HF载波将本站经过计算得到的伪距离偏差量传送给接收机，接收机根据接收到的差分校正信号的质量自动选择一个频率的信号来修正伪距离的误差，达到提高测量精度的目的。但是由于天气、距离等因素的影响，该类型的接收机在部分时间段内差分信号很不稳定，甚至较长时间内都接收不到差分信号。因此，在后来的航次中又采用了SeaStar 广域差分GPS和Omni Star广域差分GPS。

3 AML SVplus 声速探测器

在浅水多波束调查中，声速剖面（SVP）是否正确是野外数据采集可靠性、正确性的一个极为关键因素。AML SVPlus声速计采用高灵敏度的探测器,可同时测量水深、声速值、温度、压力等参数。该声速计的主要技术指标为：
量 程：1400—1550m/s
精 度：0.06m/s(R.M.S)
分辨率：0.015m/s
采样率：最快1次/秒
声速计通过RS-232串口与微机相连，然后用附带的软件对声速计进行参数初始化，例如文件名、数据采样方式、采样间隔等。其中采样方式可分为等时采样、声速梯度变化采样、压力梯度变化采样等，通常设为每秒1次的等时采样方式。通过对全区27个所采集的SVP文件进行成图、分析后，我们可以发现，在浅水区域，声速的传播速度大约为1500—1550m/s之间，并且声速主要是随着水温的变化而变化。通过计算它们的算术平均速度、水层加权平均速度，发现两者之值在同一位置都极为相近，相差不过1m/s。大部分都为1527m/s左右，最大值为1535m/s，最小值为1514m/s。通过以上的统计分析，这些数据对我们以后的各项工作将具有许多实际的指导意义。例如，当野外作业、室内资料整理缺少确切的声速数据时，我们可以使用平均值而不是使用固定的1500m/s。
另外，为了避免声线弯曲计算错误，底部检测单元在进行时深转化时必须准确知道换能器附近的声速值，因此系统还包括了一个表面声速传感器，该传感器就安装在换能器附近。

五 结束语

多波束测深是当今世界上方兴未艾的测深技术，究其原因，其一是其采用了一系列的新技术大大地提高了测量精度；其二是多波束测深系统可以做到全覆盖测量，并且大大地提高了工作效率，降低成本，这一点是单波束系统无法比拟的。但是，目前在我国应用的较成熟的多波束测深系统基本上从国外进口的，如果不抓紧时间消化吸收，使之更好地应用于其相关领域，或参考其先进、独到之处，设计开发我国的多波束测深系统。否则过了几年以后，这些新技术将变成了旧技术，又需花巨额经费来更新升级，不能不说是一个巨大的浪费。

参考资料：
1． 王海 等 远距离实时差分GPS精度和作用距离 《海洋测绘》1996年第3期
2． 双鞠容 DGPS在Seabeam2112多波束地形测量系统中的应用 《海洋地质》1997年第2期
3． Neptune and Cfloor Postprocessing Course 1998年
4． OPERATOR MANUAL Simrad Neptune Postprocessing System 1995年Base version
5． OPERATOR MANUAL Kongsberg Simrad EM950 Multibean echo sounder 1998年
6． 徐 行 SA12区块EM950多波束海底地形勘测生产技术总结 1998年
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