多波束测深数据处理方法研究
多波束测深数据失真的原因及解决办法
0引言近年来中海油服物探事业部工程勘察作业公司开展了较多的多波束勘测项目，获取了相关海域的多波束测深资料，但在上述多波束勘测数据的后处理成图过程中也发现了一些问题，且这些问题具有一定的代表性。
今后勘探向深水发展，这些问题造成的误差势必更大，必须彻底解决这些问题才能制作符合规范要求的海底地形图件。
本文探寻了多波束测深数据失真的原因并提出相应的解决办法。
1外业测量因素及解决方法1.1多波束安装校准只有当多波束安装参数如横向角度偏差（Roll ）、纵向角度偏差（Pitch ）、艏向角度偏差（Yaw ）、探头相对于导航系统天线的轴向偏差（沿测线方向△X 、垂直于测线方向△Y ）、由运动传感器（motion sensor ）与换能器分离造成的运动传感器偏移误差等经过严格校准后才能获取到可靠的测深数据。
校准并不需要在已知水深地区进行，而是基于不同测量条件下地形数据全局吻合的理念。
Roll 偏差使得海底以前进方向为轴左或右倾斜；Pitch 的存在使得测量的结果发生前（后）位移；Yaw 误差会造成测深点以中央波束为轴位置发生水平旋转。
运动传感器的偏移误差限于运动传感器和换能器是分离的情况（大多数情况如此）。
由于运动传感器测量的姿态并不完全与换能器姿态一致，它们之间的偏差称之为运动传感器偏移误差，包含运动传感器纵轴与船坐标纵轴方向不一致带来的姿态误差，及由运动传感器的姿态误差带来的上下升沉误差[1]。
换能器的起伏与传感器的测量值间相差一个由纵摇和横摇引起的感生起伏（induced heave ），可通过横摇、纵摇及换能器与垂直参考单元之间偏移量、艏向间复杂的关系式加以表述[1，2]。
各参数校准的先后顺序非常重要，一般遵循GPS 时延、Roll 、Pitch 、Yaw 的校准顺序。
为了取得较好的校准效果，要根据校准参数选择在不同特征的地形上进行，且一般要求在水较深处进行。
双探头的多波束系统校准与单探头多波束系统校准并无本质不同，实质是分别对每个探头单独进行校准。
海洋测绘服务中的多波束测深技术在海底地貌研究中的应用
海洋测绘服务中的多波束测深技术在海底地貌研究中的应用海洋是地球表面上广阔的一片领域，而深不见底的海底世界更是人类探索的终极目标之一。
海底地貌研究作为海洋科学的重要分支，关注海底地貌的形成机制、演化过程以及对海洋环境的影响，对于揭示地球和人类未知领域的奥秘具有重要意义。
在海洋测绘服务中，多波束测深技术在海底地貌研究中具有重要的应用价值。
多波束测深技术是一种高分辨率、高精度的海底测深技术，通过多个波束同时发射和接收回波数据，可以精确测量水深以及海底地形的变化，并生成精确的三维地形模型。
多波束测深技术在海底地貌研究中的应用主要体现在以下几个方面：1. 海底地貌调查与识别多波束测深技术可以提供高分辨率的水深数据，通过对测量数据进行处理，可以重建出海底地形的三维模型。
这些三维模型可以用于海底地貌的调查与识别，帮助科学家们解读海底地貌的形成过程及其与海洋环境的关系。
海底地貌的观测和特征分析对于海洋地质、海洋生物学、海洋地球物理等领域的研究都具有重要意义。
2. 海底障碍物探测与定位海洋中存在着各种各样的海底障碍物，例如岩石、礁石、沉船等，这些障碍物对于海洋资源开发和航行安全都具有重要影响。
多波束测深技术可以提供高精度的海底地貌信息，通过分析海底地形数据，可以有效地发现和定位海底障碍物，帮助海洋工程、航海、港口建设等部门做出科学决策，确保海洋资源的有效开发和航行的安全。
3. 海底沉积物研究海底沉积物是海洋环境中的重要组成部分，其分布和特征与海洋生态环境、污染物扩散等问题密切相关。
多波束测深技术可以提供高精度的水深和地形信息，通过对测量数据中的回波信号进行分析，可以推测出海底沉积物的类型和分布。
这对于海洋环境保护、气候变化研究等领域都具有重要意义。
4. 海底地质构造研究海洋地质构造研究是海底地貌研究的重要内容之一。
通过多波束测深技术获取的高分辨率海底地形数据，可以帮助科学家们研究海底的地壳构造、断裂带、构造线aments等地质结构特征，探索海底地壳演化的规律与机制，对于理解地球内部的运动和变化具有重要价值。
海洋测绘中的水下地形测绘方法与数据处理技巧
海洋测绘中的水下地形测绘方法与数据处理技巧导言：海洋测绘是一门重要的科学技术，它涉及到对海洋的水下地形进行测绘和数据处理。
水下地形的测绘对于海洋资源的开发利用、海洋环境保护、航海安全等方面起着至关重要的作用。
本文将探讨海洋测绘中的水下地形测绘方法与数据处理技巧。
一、多波束测深技术多波束测深技术是目前海洋测绘中常用的一种水下地形测绘方法。
该技术利用多个声纳波束，以同时测量多个点，可以高效地获取水下地形数据。
多波束测深技术的优势在于其高分辨率和高测量速度。
在进行水下地形测绘时，科学家可以根据需要调整波束的方向和角度，以获得更多的数据。
同时，多波束测深技术还可以进行三维成像，从而更加直观地展示水下地形的特征。
二、剖线测深技术剖线测深技术是另一种常用的水下地形测绘方法。
该技术通过在海底或水下地形上拉设测深剖面，来获取水下地形数据。
剖线测深技术通常通过拖曳声纳仪或无人机等设备进行。
在进行测深的过程中，设备会实时记录声波的传播时间，并根据声波传播速度来计算距离。
通过多次的剖面测量，科学家可以获取到水下地形的三维数据，并进一步进行数据分析与处理。
三、数据处理与分析在测绘水下地形后，还需要进行数据处理与分析，以获取更多的信息和提高数据的可视化效果。
数据处理主要包括数据校正、插值和质量评估等。
首先，对测得的水下地形数据进行校正，消除可能出现的误差和不确定性。
接下来，通过插值技术将离散的测量点连接起来，形成连续的地形表面模型。
最后，进行质量评估，检查数据的准确性和完整性，并对不合格的数据进行处理。
数据处理的结果可以用于生成水下地形图或数字地形模型，为后续的研究和决策提供依据。
四、水下地形测绘的应用与挑战水下地形测绘在海洋资源的开发利用、海底管线的铺设、海底地震活动的研究等领域有着广泛的应用。
例如，它可以帮助科学家了解海底地表特征，寻找潜在的海洋矿产资源；同时，也能通过测绘海底地形和水文气象数据，提高海底管线铺设的准确性和安全性。
浅谈提高多波束测量精度的研究和对策
浅谈提高多波束测量精度的研究和对策摘要随着国家的战略发展，海洋资源越来越受到重视，不同于陆域的测量，海洋测量需要借助精密的水下测量设备才能准确的反应海底地貌，如何更加高效、准确的测量海底地貌急需被解决。
目前多波束全覆盖测量是业内公认的测量效率高、精度高的测量手段。
全文介绍了我们在多波束测量中遇到的常见问题及解决办法，为从事海洋测绘的技术人员提供参考。
关健词R2sonic 2024、CARIS HIPS、声速异常、测量船实际导航位置与多波束测量参考原点偏差、水位改正、姿态改正一前言多波束测深系统是单波束测深系统发展过来的，与传统的单波束测量相比，多波束测深系统能在测量船航线的垂直平面内一次获取256个测深点。
实现了从“点—线”测量到“线—面”测量，测量效率大大提高。
目前我国海洋测量中的多波束系统多为进口国外设备，学习资料较少，发现问题不能及时解决，严重影响测量效率。
下面以业内使用较多的R2Sonic 2024型多波束测深系统及CARIS HIPS多波束数据处理软件为例，遇到的有关声速改正等问题及解决办法。
二多波束测量中的问题1、多波束CARIS HIPS数据处理中的声速异常问题在平坦海底测量，使用多波束CARIS HIPS软件中导入数据进行声速改正后在线模式和块模式中能明显看出波束有弯曲，向上弯曲“哭脸形”或向下弯曲“笑脸形”如图1、图2，由于两侧边缘波束上翘或是下沉，块模式下无法对相邻测线进行准确拼接，影响了多波束数据水深的准确性，这是声速异常导致的水深不准情况。
当多波束换能器的表面声速大于实际声速时呈“哭脸形”，当表面声速小于实际声速时呈“笑脸形”。
原因可能是多波束换能器的表面声速测量有误差，在使用声速剖面仪测量声速剖面时仪器有误差，导致声速改正后条带弯曲，未真实反映出海底地形，降低了多波束测深系统的精度。
图1“哭脸”形图2 “笑脸”形遇到这种问题的解决办法其一是认为多波束换能器表面声速仪有问题，手动关闭R2sonic 2024多波束控制软件自动实时测量表面声速仪功能，测量前在测区附近范围内选择较深水域使用声速剖面仪进行声速剖面测量，在电脑导出声速数据后，直接手动将多波束换能器吃水深度的声速手动输入到R2sonic 2024控制软件中。
海底探测技术 第7章 多波束测深系统的工作原理及数据处理分析
发射换能器组成 发射探测波束 海底检测方法 海底覆盖宽度
脚印大小 测点分布 测深精度
适宜工作区
物理多波束 多个换能器阵 数量少（一般 小于5个） 振幅检测
小（一般小于 水深的两倍）
有
物理换能器决 定 精度高
河道测量
电子多波束 一个或二个换能器阵 波束多，一般大于90个
相干声呐 二个换能器阵 球面波无具体波束
海底探测技术
第一章 绪论 第二章 定位导航技术 第三章 声波探测的基本原理 第四章 声学海底探测设备的组成及分类 第五章 单波束测深设备的组成及工作程序 第六章 侧扫声呐工作原理及探测资料分析 第七章 多波束测深系统的工作原理及数据处理分析 第八章 浅地层探测系统的工作原理及资料分析 第九章 综合探测的实施原则及水下声学定位系统
电罗经
测深仪工作频率不同 操作人员较多
各测深仪吃水变化 数据处理繁杂
航向与船首方向不一致
波束角极小 水体声速曲线
物理多波束
测深仪工作频率不同 操作人员较多
水体声速为平均声速
各测深仪吃水变化 数据处理繁杂
航向与船首方向不一致
电子多波束
相干声呐（条带测深系统）
实现在不增加工作量前提下，得到丰富数据的目的
振幅检测+相位检测或仅有 相位检测 振幅检测
仅有振幅检测的小于水深的 可达水深的10倍以 两倍；振幅检测+相位检测 上 小于水深的8倍
有
仅有声呐水平波束
角
正下方测点多边缘波束少 测点可无限但正下 方无准确测点
正下方精度高，边缘精度低 边缘精度低，正下 方无测点，30～50 度角度区精度高
全海深
距水底小于50m地形 相对简单的海区
纵倾
川江航道多波束测量技术研究
川江航道多波束测量技术研究摘要：本文基于笔者多年从事航道测量的相关工作经验，以SEABAT8101多波束测深系统在川江航道测量中的应用为研究对象，论文首先分析了多波束测量的优势，进而探讨了多波束测深系统安装测试方法，定位导航实施方法，及测量步骤与数据处理思路，全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华，相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。
关键词：多波束测深系统航道数据处理导航多波束测深系统以其全覆盖、无遗漏的测量方式，能完成全覆盖水深测量、航行障碍物探测，在效率、精度、分辨率与水下地形成图质量上有了大幅度提高，整个系统从外业到内业全过程真正实现了自动化、智能化和数字化，彻底改变了传统的水下测量技术，具有广阔的应用前景。
1 多波束测量的优势与单波束相比，多波束具有无可比拟的先进性。
主要体现在：(1)测量以带状方式进行，波束连续发射和接收，测量覆盖程度高，对水下地形可100%覆盖，与单波束比较，波束角窄，对细微地形的变化都能完全反映出来，单波束是点、线的反映，而多波束则是面上的整体反映。
(2)多波束测深系统的测量成果更真实可靠。
由于是全覆盖，其大量的水深点数据使等值线生成真实可靠，而单波束是将断面数据进行摘录成图以插补方式生成等值线，在数据采集不够时，使得等值线存在一定偏差。
(3)多波束测深系统同步记录船体姿态信息，起伏、纵摇、横摇、船向等，由专用后处理软件对测量结果进行校正后，可使测量结果受外界不利因素影响减少到最低限度。
(4)多波束测深系统能对测量资料进行多种成图处理，可生成等值线图、三维立体图、彩色图像、剖面图等，同时还能对同一测区不同测次进行比较以及土方计算等。
(5)多波束测深系统可对同一测区生成不同比例尺的水下地形图，以满足不同的需要。
随着长江数字航道、智能航道的建设，电子航道图的更新需求，对航道测量的需求也提出了实现全过程自动化、智能化和数字化的要求。
目前长江航道测绘部门需要完成以下测绘任务：(1)数字航道建设，电子航道图测绘；(2)水下航道整治建筑物的监测和水毁情况的探测；(3)搜寻水下物体，如沉船位置探测，疏浚作业可疑物排除；(4)清淤施工区水下地貌信息采集；(5)用于航道科研目的的水文测量、水深调查；(6)航路改革、新辟航道的扫测等。
多波束测深系统在海洋工程测量中的应用研究
多波束测深系统在海洋工程测量中的应用研究在时代和科学快速发展的情况下，大部分海洋航道测试都使用了具有创新性和实际性的测量技术，在这种情况下多波束系统得到了非常广泛的应用，并且取得了非常好的效果。
基于此，本文首先对多波束系统进行介绍，之后对多波束系统的实际应用和应用实例进行深入研究，希望可以通过这种方式确保海洋航道测试的准确性。
标签：多波束系统;海洋工程;相关研究多波束系统中主要利用了条带类型的测量方法，这个系统可以对海底的实际情况进行测量，而且还能精准得出海底地貌数据。
若是可以有效对这种系统进行应用，那么就能加快地形测量技术发展的速度，而且还能提升海底测量的精准程度。
1 多波束系统概述多波束与传统的单波束相比具有一定的优势，特别是在海底构造测量的准确性和实际性方面，整体提升了海底测量的实际效果，而且也节省了工程开展的时间。
2 多波束测深系统的在海洋工程测量中的应用2.1在油田调查中的应用在一般情况下进行海上油田调查时，使用的测量设备都是单波测量设备，实际的测量过程中会受到遮挡物的影响，所以整体降低了GPS的精度，而且有时也无法进行定位。
除此之外，使用这种设备很难对桩柱附近的水深进行测量，所以在进行施工时不具有安全性。
但是在进行测量的过程中使用多波束测量系统，不光具有非常高的清晰度，而且也能在一定的距离内对油井的实际情况进行了解，准确得出实际的作业情况。
目前国内大部分油田工程采用EM3000系统，这种系统能够准确测出地图实际的阴影情况，而且还能非常清楚地看出安装后的地形状态，若是在进行施工的过程中使用单波束系统根本无法达到这种效果。
采油平台阴影地形图实际情况如图1所示。
图1 采油平台阴影地形图2.2 在锚地测量中的应用锚地测量的实际内容是，利用对海底测量得出此部分施工是否可以使用锚地操作进行。
在一般情况下，锚地施工都是依靠单波束系统进行，通过这种方式得出测量区域的深度、地貌以及地质情况，但是这种方法工作量大、耗能高以及施工时间长。
多波束测深技术
本科毕业设计论文题目多波束测深声纳系统的时延估计方法研究专业名称信息对抗技术学生姓名田腾指导教师卓颉毕业时间2011年06月一、题目多波束测深声纳系统的时延估计方法研究二、指导思想和目的要求多波束测深声纳系统中，观测区域某点的深度信息是由发射信号到达该点的往返时间决定的。
因此，回波信号时延估计的精确与否直接影响了深度的测量精度。
该题目要求学生在完成毕业设计时，了解多波束测深声纳系统的基阵信号处理及深度估计的处理流程；针对均匀线列阵，实现对观察区域反向散射回波信号的仿真；掌握远场窄带常规波束形成技术，并在此基础上，实现覆盖整个观测空间的多波束，进一步根据Dolph-Chebyshev加权方法对波束进行低旁瓣优化处理；运用MATLAB语言，基于能量中心收敛算法，对回波信号的时延进行精确估计。
通过毕业设计，使学生学会根据要求自主查阅相关文献资料，掌握MATLAB 语言的基本编程技能，掌握分析与解决问题的基本方法，获得科技论文的基本写作能力。
三、主要技术指标1.16元半波长的均匀线列阵；2.发射信号为单频脉冲。
四、进度和要求1－2周查阅资料、翻译外文文献；3－4周主动接收基阵回波信号处理模型的仿真与实现；5－6周常规波束形成及多波束形成技术的仿真；7－8周基于Dolph-Chebyshev加权的波束优化处理技术。
9－10周采用匹配滤波处理技术估计回波信号的时延信息；11－12周基于能量中心收敛算法对回波信号进行时延估计；13－14周撰写论文。
15－16周准备答辩五、主要参考书及参考资料1.田坦，水下定位与导航技术，国防工业出版社，2007.2.田坦，刘国枝，孙大军，声纳技术，哈尔滨工程大学出版社，2000.3.丁继胜,周兴华,刘忠臣,张卫红，多波束测深声纳系统的工作原理，海洋测绘,1999,(3)：15-22.4.胡鹏，丁烽，李然威，两种多波束系统测深算法的试验研究，声学与电子工程，2010，(1)：25-27.5.张志涌等，精通MATLAB，北京航空航天大学出版社，2003.学生___________ 指导教师___________ 系主任___________摘要多波束测深技术具有高精度、高密度、高效率、全覆盖等特点，它已成为海底地形探测方面的重点研究课题。
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目录
第一章 绪 论............................................................................................................................ - 1 1.1 测深技术的发展过程及现状........................................................................................- 1 1.2 国内外多波束测深系统.................................................................................................- 3 1.3 目前存在的主要问题.................................................................................................... - 4 1.4 本文的主要内容............................................................................................................ - 5 -
（2）对趋势面分析方法在多波束数据粗差探测之中的应用进行了一定的了解和研究。 由于多波束系统的构造复杂，测量平台和工作环境处于动态之中，造成了其数据之中的异常 值数量要比普通测量数据来得多。趋势面分析的方法是通过测点数据模拟水下地形趋势，对 偏离趋势过大的数据进行剔除，以此来实现多波束数据的粗差探测。经过在 MATLAB 中进 行实验验证，趋势面分析的方法具有能实现显著粗差的剔除、运算速度快、不需建立测量点 拓扑关系等等优点，尤其适用于处理数据量大、排列散乱的多波束测深数据。
毕 业 设 计（论 文）
多波束测深数据处理方法研究
专业年级 学号 姓名 指导教师 评阅人
测绘工程 09 级 0904040119 杜雨正 岳建平 岳东杰
2013 年 6 月 中国 南京
1
毕业设计题目：多波束测深数据处理方法研究
一、 意义 我国从 20 世纪 90 年代开始陆续从国外引进多套多波束测深系统，分别应用于海洋地形
(3)Understood the application of the curve simplification methods based on Ping data in multi-beam bathymetric data .Firstly,understood and analyzed the characteristics of the multi-beam bathymetric in data access and storage.On this basis,studied the simplifying idea based
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
五、仪器设备 计算机、打印纸等。
六、指导教师 岳建平 拟指导人数：1 人。
七、上交资料 程序、计算结果、论文。
1
摘要
多波束测深系统诞生于 20 世纪 60 年代，是一种可以全面覆盖水下地形的测量设备，其 高精度、高效率的优点使得它的出现将水深测量带入了一个崭新的领域。目前，多波束测深 系统不但在相关领域内得到非常广泛的应用，而且在人们的生产实践和各类工程的施工中发 挥着不可替代的作用。但是由于我国在这一方面起步较晚，各项技术还不够成熟，对于该系 统，特别是在数据的处理方面，还有很长的路要走。
(1)Recommended the source of gross error and methods which is frequently-used for dealing errors in multi-beam echo sounding and compared these methods.Enumerated some error sources influenced depth calculation and introduced how to deal with the sound velocity profile errors and gross errors in locator data
(2)Studied the application of the trend surface analysis in the gross errors detection of multi-beam sounding data.The complexity of multi-beam bathymetric system’s structure ,as well as its dynamic measurement platform and environment,makes the number of its gross errors far bigger than that of general measurement data.By simulating the underwater terrain,trend surface analysis isolates the data which are far away from the total trend as gross errors to complete data processing.And the test in MATLAB showed that the trend surface analysis has some good virtues,such as correct gross errors marking,less runtime,no need to establish the relations between the measured points,etc.,and is applicable to the gross errors detection in the mass and scattered multi-beam bathymetric data.
II
on the Ping data and carried out some tests with both the methods of restricting the vertical distance and Douglas-Peucker.The tests showed that this simplification idea has a good effect om the simplifying ratio,speed,as well as the accuracy of the simplified results,and is applicable to the simplifying processing of multi-beam bathymetric data stored by Ping. Key word: multi-beam bathymetric, data processing, trend surface analysis, gross error detection, data simplifying
This paper focuses on the composition,the principle of operation of a multi-beam system and mainly introduces kinds of errors in multi-beam echo sounding,just like systemic errors,random errors,gross errors and so on.Then we talk about both the criterion and the corresponding solutions of errors,Also detecting gross error in data sand simplifying the mass data had been analyzed and discussed at the same time.As follows are the main content and results of this paper:
三、时间安排 1．阅读参考文献 2．粗差探测方法研究 3．数据压缩方法研究 4．研究方法的应用分析 5．撰写论文
2 周； 3 周； 3 周； 2 周； 2 周。
四、参考文献 [1] 李家彪．多波束勘测原理技术与方法[M]．北京：海洋出版社．1999． [2] 陆俊．多波束探测系统在水下探测中的应用[D]．河海大学：硕士论文，2006． [3] 黄谟涛，翟国君，王瑞，等．海洋测量中异常数据的定位研究[J]．海洋测绘，1999． [4] 朱庆，李德仁．多波束测深数据的误差分析与处理[J]．武汉测绘科技大学学报，1998． [5] 吴学文，高金耀，包更生．走航测线数据跳点的剔除[J]．海洋测绘，2007，27．
多波束测深系统采用面式扫描进行测深数据的采集，能对测区进行全范围无遗漏测量， 这使其数据量无比庞大，因此，在数据的存储、实时显示和处理上对计算机形成极大的负担。 为此，有必要对数据进行一定的压缩，去掉冗余数据，减少数据存储量，提高数据处理的效 率。
二、研究内容 1．多波束测深系统的结构和原理，数据处理流程和方法； 2．多波束测深数据的误差来源及特点； 3．多波束测深数据的粗差探测方法研究； 4．多波束测深数据的压缩方法研究； 5．编制相应的计算分析程序。
本文主要对多波束系统的构成、工作原理进行了介绍；对多波束测量中的误差：系统误 差、随机误差和粗大误差以及误差的判别准则和处理方法进行了详细的介绍；对处理多波束 数据中的粗差和简化多波束数据进行了一定的分析和研究。主要研究内容和成果如下：
（1）介绍了多波束测深中主要的粗差来源、常用的粗差探测方法并将这些方法进行了 相互比较；列举了影响深度计算的主要误差源，并着重介绍了其中的声速剖面误差和定位数 据粗差的处理方法。