劉兆權(quán)
(中交一航局第二工程有限公司,山東青島266071)
多波束測(cè)深精度評(píng)估
劉兆權(quán)
(中交一航局第二工程有限公司,山東青島266071)
以港珠澳大橋島隧工程KONGSBERG EM2040多波束測(cè)深系統(tǒng)為例,首先對(duì)多波束測(cè)深系統(tǒng)理論精度進(jìn)行評(píng)估,然后采用相對(duì)測(cè)深精度及絕對(duì)測(cè)深精度比對(duì)的方法分別進(jìn)行精度評(píng)估,并通過(guò)港珠澳大橋島隧工程基床掃測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證。此種多波束測(cè)深精度評(píng)估方法可為其他多波束測(cè)深系統(tǒng)的精度指標(biāo)確定提供參考。
多波束;相對(duì)測(cè)深精度;絕對(duì)測(cè)深精度;精度評(píng)估
多波束測(cè)深系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于大型工程中,但由于多波束測(cè)深系統(tǒng)受設(shè)備、安裝方式等綜合性影響,多波束測(cè)深系統(tǒng)的精度一直無(wú)法提供明確指標(biāo)。本文以港珠澳大橋島隧工程KONGSBERG EM2040多波束測(cè)深系統(tǒng)為例,介紹了多波束理論精度計(jì)算及實(shí)際測(cè)深精度及位置精度評(píng)估方法,并通過(guò)港珠澳大橋島隧工程基床掃測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證。此種方法可為其他多波束測(cè)深系統(tǒng)的精度指標(biāo)確定提供參考。
多波束測(cè)深系統(tǒng)大致上可以分為多波束聲學(xué)系統(tǒng)、多波束數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、外圍輔助傳感器、成果輸出系統(tǒng)[1]。多波束聲學(xué)系統(tǒng)指多波束換能器探頭,負(fù)責(zé)波束的發(fā)射與接收;多波束數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要用于將波束的形成和將接收到的聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),并反算測(cè)量距離[2];外圍輔助傳感器主要包括GPS、姿態(tài)傳感器、光纖羅經(jīng)、表面聲速儀、剖面聲速儀等,目前姿態(tài)傳感器及光纖羅經(jīng)一般采用兩者相結(jié)合的OCTANS光纖羅經(jīng)姿態(tài)運(yùn)動(dòng)傳感器;成果輸出系統(tǒng)綜合各類測(cè)量軟件進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的后處理及最終成果的輸出。
港珠澳大橋島隧工程采用KONGSBERG EM2040多波束測(cè)深系統(tǒng),EM2040多波束測(cè)深儀的發(fā)射頻率200~400 kHz,測(cè)深條帶覆蓋角度140°,寬深比可達(dá)5.5倍,最大量程可達(dá)600 m,波束數(shù)256個(gè),沿航線波束角0.7°,垂直航線波束角0.7°,最大航速可達(dá)10 kn,最大發(fā)射頻率(ping)可達(dá)50 Hz,脈沖長(zhǎng)度很短,小于25 μs,測(cè)深精度滿足IHO國(guó)際海道測(cè)量特級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[3]。通過(guò)各種輔助設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)改正,確保了采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
多波束測(cè)深系統(tǒng)的發(fā)射基陣和接收基陣采用相互垂直的結(jié)構(gòu),發(fā)射基陣平行于船體的艏艉線,接收基陣垂直于船體的艏艉線。實(shí)際測(cè)量時(shí),多波束的發(fā)射和接收是按照一定的模式進(jìn)行的,通常,發(fā)射波束的橫向大于縱向,接收波束寬度縱向大于橫向。
多波束測(cè)深儀工作原理見(jiàn)圖1。換能器陣發(fā)射扇形聲波波束,照射測(cè)量船正下方的一條狹窄水域。聲波在水中傳播,碰到該水域底部泥沙等界面時(shí)發(fā)生反射,因各反射點(diǎn)距離換能器的遠(yuǎn)近不同,回波返回的時(shí)間亦不相同;到達(dá)換能器的回波中包含了水下地形的起伏等信息[4]。對(duì)各回波信號(hào)進(jìn)行固定方向的多波束形成、能量累積、幅度檢測(cè)等處理,即完成一次測(cè)量。此時(shí)根據(jù)對(duì)應(yīng)角度的波束可以計(jì)算出各反射點(diǎn)到換能器的距離信息,再經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的三角變換即可同時(shí)測(cè)出多點(diǎn)的深度信息。通過(guò)GPS、姿態(tài)傳感器、聲速剖面儀等輔助傳感器對(duì)波束進(jìn)行絕對(duì)位置、姿態(tài)等相應(yīng)改正,即得到海底地形情況。
圖1 多波束條帶測(cè)深系統(tǒng)工作原理示意圖Fig.1The principle diagram of multi-beam swath bathy metric system
圖中ω即為掃海寬度,掃海寬度由最邊緣波束之間夾角α決定的。多波束測(cè)深儀具有較大的寬度,因此多波束測(cè)深儀在掃測(cè)效率上要高于單波束測(cè)深儀。多波束測(cè)深儀的另一項(xiàng)重要指標(biāo)就是量程,即設(shè)備能測(cè)量的最大和最小深度,它是由系統(tǒng)所采用的聲波頻率、發(fā)射功率、基陣的結(jié)構(gòu)等決定的。
多波束測(cè)深系統(tǒng)引起誤差的主要因素包括多波束換能器量程引起誤差、多波束輔助傳感器引起誤差,包括姿態(tài)測(cè)量誤差、聲速測(cè)量誤差及GPS測(cè)量誤差,下面分別對(duì)這些誤差進(jìn)行分析。
3.1 多波束換能器量程誤差
多波束換能器誤差見(jiàn)圖2,其中H為水深,R為斜距,θ為波束發(fā)射角,θBW為波束角。
圖2 多波束換能器誤差示意圖Fig.2The schematic of error of multi-beam transducer
多波束換能器的測(cè)距分辨率σ計(jì)算公式為:σ=cτ/2
根據(jù)波束幾何關(guān)系,可求得多波束測(cè)深儀的空間分辨率。
橫向分辨率:δx=cτ/2sin θ
垂直分辨率:δz=cτ/2cos θ
縱向分辨率:δy=HθL
式中:θL為縱向波束角。
本測(cè)深儀τ取最佳值25 um,則計(jì)算可得本測(cè)深儀最大垂直分辨率:δz=1.875 cm。
3.2 姿態(tài)測(cè)量誤差
測(cè)量船姿態(tài)對(duì)測(cè)量誤差造成影響主要在兩個(gè)方面,船橫搖(roll)造成誤差,船縱搖(pitch)造成誤差。
測(cè)量船姿態(tài)誤差對(duì)多波束測(cè)深高程的影響表達(dá)式為:dz=Ltan φ dr+Ltan pdp。
式中:L為水深,φ為波束入射開(kāi)角,dz為船體姿態(tài)測(cè)量誤差對(duì)多波束測(cè)深高程的影響。
姿態(tài)傳感器安裝后均進(jìn)行嚴(yán)格校正,可認(rèn)為姿態(tài)僅受偶然誤差影響,考慮到本工程中參數(shù)設(shè)置,量程限制一般為70 m,波束入射開(kāi)角一般選取60°,縱搖取10°,根據(jù)姿態(tài)傳感器測(cè)量誤差dr、dp均為0.01°計(jì)算,則船體姿態(tài)測(cè)量誤差對(duì)多波束測(cè)深高程的影響為:
3.3 聲速剖面測(cè)量誤差
由于海水作用,聲速剖面在海水中并不是沿直線傳播,而是在不同介質(zhì)層的界面處發(fā)生折射,因此波束在海水中的傳播路徑為折線。為了得到波束腳印的真實(shí)位置,必須沿著波束的實(shí)際傳播路線進(jìn)行聲線跟蹤,通過(guò)聲線跟蹤波束投射點(diǎn)在船體坐標(biāo)系下的實(shí)際坐標(biāo)[5]。聲速剖面測(cè)量誤差主要源于儀器的系統(tǒng)誤差和環(huán)境變化的影響。環(huán)境變化引起的聲速剖面測(cè)量誤差很難通過(guò)一定的量值進(jìn)行標(biāo)定。儀器的系統(tǒng)誤差引起的聲速剖面測(cè)量誤差Δz可通過(guò)如下方式計(jì)算:儀器的聲速測(cè)量誤差按儀器標(biāo)稱精度0.3 m/s計(jì)算,測(cè)區(qū)內(nèi)最大深度按照45 m計(jì)算,則:
3.4 GPS RTK測(cè)量誤差
本工程水深測(cè)量采用無(wú)驗(yàn)潮方式,通過(guò)RTK進(jìn)行高程控制測(cè)量,RTK通過(guò)載波相位差分技術(shù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)獲取三維坐標(biāo),可有效保證大比例尺測(cè)圖的精度。通過(guò)多波束換能器與GPS天線盤相對(duì)位置關(guān)系,即可將多波束換能器測(cè)深數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為海底高程。RTK控制精度為20 mm+10-6D(D為距離),本工程中流動(dòng)站與基準(zhǔn)站最大距離為7 km,則GPS RTK測(cè)量誤差φz為:φz=20 mm+7 mm=2.7 cm
3.5 多波束理論精度
綜上,應(yīng)用誤差傳播率計(jì)算可得本套多波束測(cè)深系統(tǒng)理論精度ψz:
4.1 相對(duì)測(cè)深精度評(píng)估
多波束測(cè)深系統(tǒng)相對(duì)精度評(píng)估方法是通過(guò)一定的規(guī)劃測(cè)線的測(cè)量,確定系統(tǒng)水深測(cè)量精度的方法。這種方法是多波束測(cè)深系統(tǒng)自身測(cè)量數(shù)據(jù)間進(jìn)行的精度評(píng)估,可以確定除了系統(tǒng)偏差外的綜合誤差,是一種多波束測(cè)量水深精度的有效評(píng)估方法。由于多波束測(cè)深系統(tǒng)的一些傳感器誤差對(duì)測(cè)量水深的影響自中央波束向邊緣波束增加,即中央波束精度明顯高于邊緣波束精度。因此,進(jìn)行中央波束與兩側(cè)波束水深的偏差統(tǒng)計(jì)是評(píng)估多波束測(cè)深系統(tǒng)相對(duì)精度的有效方法[6]。
選擇合適的測(cè)量天氣進(jìn)行多波束相對(duì)測(cè)深精度檢查,要求試驗(yàn)海區(qū)沒(méi)有突變地形,坡度較緩。測(cè)線規(guī)劃原則是布設(shè)兩條平行的主測(cè)線,根據(jù)掃測(cè)區(qū)域水深狀況確定測(cè)線間距,確保測(cè)線間距要達(dá)到條帶寬度的50%重疊,同時(shí)布設(shè)2條檢測(cè)線與主測(cè)線垂直。主測(cè)線及檢測(cè)線見(jiàn)圖3。
圖3 主測(cè)線及檢測(cè)線示意圖Fig.3Schematic of inline and inspection line
多波束掃測(cè)完成后,將掃測(cè)的2條主測(cè)線和2條檢測(cè)線重疊區(qū)域內(nèi)水深點(diǎn)進(jìn)行水深的誤差統(tǒng)計(jì)。采用HYPACK中TIN Model進(jìn)行Tin to Tin差值計(jì)算,選取多次多波束掃測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行差值統(tǒng)計(jì),根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果做出主測(cè)線和檢測(cè)線偏差統(tǒng)計(jì)圖見(jiàn)圖4,以差值的平均值和中誤差為指標(biāo)評(píng)定多波束測(cè)深的相對(duì)精度。
圖4 主測(cè)線和檢測(cè)線測(cè)深偏差統(tǒng)計(jì)圖Fig.4The deviation chart of inline and inspection line
經(jīng)計(jì)算,主測(cè)線與檢測(cè)線的水深測(cè)量偏差的平均值為1.5 cm,中誤差為5.6 cm。
4.2 絕對(duì)測(cè)深精度評(píng)估
為了進(jìn)一步評(píng)定多波束測(cè)深系統(tǒng)絕對(duì)精度,以沉管管頂比對(duì)點(diǎn)為基準(zhǔn),計(jì)算多波束測(cè)深系統(tǒng)絕對(duì)精度。具體方法為:首先于預(yù)制場(chǎng)內(nèi)將管頂比對(duì)點(diǎn)同管內(nèi)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定,得到管內(nèi)測(cè)點(diǎn)及管頂上點(diǎn)相對(duì)關(guān)系。沉管安裝后通過(guò)管內(nèi)貫通成果及管節(jié)內(nèi)部點(diǎn)同管頂比對(duì)點(diǎn)相對(duì)關(guān)系推算出管頂測(cè)點(diǎn)高程,最后通過(guò)多波束掃測(cè)點(diǎn)同管頂反算高程進(jìn)行比對(duì)。管內(nèi)及管頂測(cè)點(diǎn)示意圖見(jiàn)圖5。
待安管節(jié)于沉管預(yù)制場(chǎng)內(nèi)對(duì)管節(jié)內(nèi)部點(diǎn)及管節(jié)頂部點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定,確定其相對(duì)關(guān)系。設(shè)xoy為隧道坐標(biāo)系,XOY為管節(jié)坐標(biāo)系,xp、yp為點(diǎn)P在隧道坐標(biāo)系中的坐標(biāo),Xp、Yp為點(diǎn)P在管節(jié)坐標(biāo)系中的坐標(biāo),a、b為管節(jié)坐標(biāo)系原點(diǎn)o在管節(jié)坐標(biāo)系中的坐標(biāo),α為隧道坐標(biāo)系x軸相對(duì)于管節(jié)坐標(biāo)系X軸的旋轉(zhuǎn)角(順時(shí)針為正,逆時(shí)針為負(fù))。則管節(jié)坐標(biāo)換算到隧道坐標(biāo)系的計(jì)算公式為:
沉管安裝后,于陸地至沉管管內(nèi)進(jìn)行貫通測(cè)量,通過(guò)管內(nèi)貫通數(shù)據(jù),得到管內(nèi)測(cè)點(diǎn)隧道坐標(biāo)及高程,通過(guò)管節(jié)坐標(biāo)系與隧道坐標(biāo)系相對(duì)關(guān)系可以推算出管頂比對(duì)點(diǎn)隧道坐標(biāo)及高程。
采用多波束進(jìn)行掃測(cè),根據(jù)多波束測(cè)深數(shù)據(jù)得到比對(duì)點(diǎn)處多波束掃測(cè)高程,并將結(jié)果同管頂標(biāo)定反算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。通過(guò)多次多波束掃測(cè)計(jì)算多波束測(cè)深系統(tǒng)差值,做出差值統(tǒng)計(jì)圖見(jiàn)圖6。并以差值的平均值和中誤差為指標(biāo)評(píng)定多波束測(cè)深的絕對(duì)精度。
圖5 管內(nèi)及管頂測(cè)點(diǎn)示意圖Fig.5The measuring point schematic view of the inner tube and tube top
圖6 多波束掃測(cè)結(jié)果與管頂標(biāo)定反算結(jié)果偏差統(tǒng)計(jì)圖Fig.6Deviation calculation between multi-beam sweeping survey and top tube calibration survey
通過(guò)多次管節(jié)多波束掃測(cè)高程同管頂反算高程比對(duì),計(jì)算得多波束測(cè)深系統(tǒng)掃測(cè)高程與管頂反算高程的偏差的平均值為1.2 cm,中誤差為4.3 cm。
4.3 絕對(duì)測(cè)深位置精度評(píng)估
多波束測(cè)深位置精度評(píng)估方法同多波束絕對(duì)測(cè)深精度評(píng)估方法相同。
首先在待安沉管管頂安裝測(cè)深位置精度比對(duì)板,比對(duì)板高度依次為3 cm、35 cm、10 cm、5 cm,比對(duì)板表面為1 m×1 m鋼板。比對(duì)板安裝位置見(jiàn)圖7。
圖7 多波束平面比對(duì)板安裝圖Fig.7Multi-beam planar alignment plate installation diagram
為了防止水流影響,比對(duì)板與沉管間采用中空方式。沉管安放前將比對(duì)板同管內(nèi)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定,得到沉管內(nèi)部點(diǎn)同管頂比對(duì)板坐標(biāo)的相對(duì)關(guān)系,標(biāo)定方法同多波束測(cè)深絕對(duì)高程比對(duì)點(diǎn)標(biāo)定方法一致。
沉管安放后,于陸地至沉管管內(nèi)進(jìn)行貫通測(cè)量,通過(guò)管內(nèi)貫通數(shù)據(jù),得到管內(nèi)測(cè)點(diǎn)隧道坐標(biāo)及高程,根據(jù)沉管管節(jié)坐標(biāo)系及隧道坐標(biāo)系相對(duì)關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)化,推算出管頂測(cè)深儀比對(duì)板隧道坐標(biāo),此坐標(biāo)作為比對(duì)板實(shí)際坐標(biāo)。采用多波束對(duì)沉管管頂進(jìn)行多次掃測(cè),通過(guò)多波束掃測(cè)數(shù)據(jù)確定比對(duì)板多波束掃測(cè)位置坐標(biāo)并同實(shí)際坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì),并將比對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
因3 cm、5 cm比對(duì)板無(wú)法精確判斷出比對(duì)板邊界,僅對(duì)10 cm、35 cm比對(duì)板斷面線進(jìn)行平面位置統(tǒng)計(jì)分析,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。
平面位置差值統(tǒng)計(jì):10 cm比對(duì)板斷面邊界平均差值為11.5 cm,35 cm比對(duì)板平均差值為12.6 cm。
表1 平面差值比對(duì)統(tǒng)計(jì)表Table 1The comparison between the plane difference value
港珠澳大橋島隧工程隧道基槽開(kāi)挖后,首先進(jìn)行塊石的拋填及夯平,然后進(jìn)行碎石基床鋪設(shè)。碎石基床鋪設(shè)厚度為1.3 m,壟頂寬度1.8 m,壟溝寬度1.05 m。碎石基床壟頂部標(biāo)高允許偏差為±40 mm,這對(duì)碎石基床的驗(yàn)收工作提出相當(dāng)高的要求。沉管安裝前首先對(duì)碎石基床進(jìn)行多波束掃測(cè),將掃測(cè)各壟數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,即可計(jì)算碎石基床縱傾及首尾偏差;沉管安裝后,對(duì)管節(jié)進(jìn)行管內(nèi)貫通測(cè)量,計(jì)算管節(jié)安裝后縱傾及首尾端豎向偏差,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 管節(jié)E27碎石基床掃測(cè)貫通及設(shè)計(jì)標(biāo)高比對(duì)Table 2The comparison of gravel bed through measurement and design elevation of tube E27
多波束掃測(cè)擬合后結(jié)果同貫通測(cè)量結(jié)果比較:首端豎向偏差相差7.6 mm,尾端豎向偏差相差13.2 mm,縱傾值相差0.004%。
本文以KONGSBERG EM2040多波束測(cè)深系統(tǒng)為例,首先介紹了理論測(cè)深精度的計(jì)算方法,然后通過(guò)相對(duì)測(cè)深精度及絕對(duì)測(cè)深精度的方法對(duì)多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)深精度進(jìn)行精度評(píng)估,同時(shí)提出了絕對(duì)測(cè)深位置精度評(píng)估方法,并于港珠澳大橋島隧工程中對(duì)掃測(cè)精度得到驗(yàn)證。此類多波束精度評(píng)估方法可為同類工程中多波束測(cè)深精度的評(píng)估提供參考。
采用驗(yàn)潮方式進(jìn)行多波束高程控制的多波束測(cè)深系統(tǒng),其理論測(cè)深精度中高程控制可由驗(yàn)潮精度及涌浪精度代替。在無(wú)絕對(duì)測(cè)深比對(duì)區(qū)域進(jìn)行絕對(duì)精度比對(duì),可加工比對(duì)板進(jìn)行常規(guī)測(cè)量及多波束掃測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)。
隨著多波束測(cè)深精度的提高以及國(guó)內(nèi)大型水下工程的建設(shè),多波束在水下工程中發(fā)揮的作用也越來(lái)越大。將多波束測(cè)深系統(tǒng)精度進(jìn)行評(píng)估后,可以通過(guò)多波束測(cè)深數(shù)據(jù)為大型、精細(xì)水下工程控制提供數(shù)據(jù)參考。
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LIU Zhao-quan
(No.2 Eng.Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Qingdao,Shandong 266071,China)
Taking the island&tunnel project of HZMB KONGSBERG EM2040 multi-beam bathymetric system as an example,we firstly evaluated the accuracy of this system theory,then used the method of comparison of relative sounding accuracy and absolute sounding accuracy to evaluate the accuracy respectively,and through the bed data of the island&tunnel project of HZMB to verify the accuracy.This method can provide reference for determining accuracy index of other multi beam sounding system.
multi-beam;relative sounding accuracy;absolute sounding accuracy;accuracy assessment
U652.2
B
2095-7874(2017)05-0063-05
10.7640/zggwjs201705014
2017-03-14
劉兆權(quán)(1980—),男,山東青島人,高級(jí)工程師,測(cè)繪工程專業(yè),主要從事測(cè)量工作。E-mail:825349113@qq.com