多波束ALL格式解析與后期處理

簡(jiǎn) 菁

多波束ALL格式解析與后期處理

簡(jiǎn) 菁

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中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部

Kongsberg Simrad公司生產(chǎn)的EM系列多波束測(cè)深儀將所采集的原始數(shù)據(jù)以ALL格式的二進(jìn)制方式存儲(chǔ)，這種存儲(chǔ)方式雖然較為節(jié)省空間，卻不方便數(shù)據(jù)處理和參數(shù)分析。有時(shí)在處理過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，也無(wú)法通過(guò)讀取和修改源數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。為便于數(shù)據(jù)處理及誤差分析，以VB6.0作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，編寫(xiě)ALL格式分析系統(tǒng)，通過(guò)讀取ALL文件中的數(shù)據(jù)，直觀顯示水深結(jié)果，并且提取需要的參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和校正。

1 ALL文件格式

ALL文件采用數(shù)據(jù)包的二進(jìn)制儲(chǔ)存方式，物探船上的GPS定位數(shù)據(jù)、MRU姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)、多波束的發(fā)射和接收數(shù)據(jù)都會(huì)按照時(shí)間順序，作為一個(gè)個(gè)的數(shù)據(jù)包儲(chǔ)存在ALL文件中，通過(guò)各個(gè)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)類(lèi)型（Type of Datagram）作為區(qū)分。不同的設(shè)備使用的儲(chǔ)存格式不盡相同，以水深數(shù)據(jù)包為例，EM3002采用Depth datagram格式，Type of Datagram=D，44h 68d（十六進(jìn)制為44，十進(jìn)制為68），而EM302則采用XYZ 88格式，Type of Datagram=X，58h 88d。

在大多數(shù)據(jù)包中開(kāi)始的幾十個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)是相同的：4字節(jié)用于記錄數(shù)據(jù)包的大?。∟umbers of bytes in datagram），1字節(jié)表示數(shù)據(jù)包的起始標(biāo)記（Start identifier，02h），1字節(jié)數(shù)據(jù)類(lèi)型（Type of datagram），2字節(jié)設(shè)備型號(hào)（EM model number），4字節(jié)記錄日期（Date），4字節(jié)記錄時(shí)間（Time），2字節(jié)記錄測(cè)線號(hào)（Ping counter），2字節(jié)記錄設(shè)備型號(hào)（Serial number），而在數(shù)據(jù)包的最后為1個(gè)字節(jié)的結(jié)束標(biāo)記（End identifier，03h），以及2個(gè)字節(jié)的檢測(cè)。

詳細(xì)的參數(shù)資料可以參閱《Kongsberg EM Series Multi-beam echo sounder EM datagram formats》，以下列出需要注意的幾類(lèi)。

安裝參數(shù) Installation parameters

記錄開(kāi)始或結(jié)束時(shí)會(huì)在ALL文件中增加此數(shù)據(jù)包，定義了在安裝多波束的時(shí)候設(shè)置的參數(shù)，包括定位系統(tǒng)（Position System）、換能器（Transducer）及姿態(tài)傳感器（Motion Sensor）的空間位置等。

測(cè)深Depth

記錄了初步計(jì)算后的水深，包括艏向（Heading of vessel）、可用波束N（Number of valid beams），并且記錄了每一個(gè)波束的縱向距離（Across-track distance）、橫向距離（Along-track distance）以及測(cè)深（Depth），在空間上可以表示出所測(cè)水深。此外還記錄了每個(gè)波束的方位角和俯角，可在不重新讀取源數(shù)據(jù)的情況下根據(jù)橫搖、縱搖等參數(shù)進(jìn)行校正（如CARIS一般僅使用測(cè)深數(shù)據(jù)包，在做校正的時(shí)候也不會(huì)去再根據(jù)源文件進(jìn)行重新計(jì)算）。

較新的數(shù)據(jù)格式為XYZ 88，除了部分?jǐn)?shù)據(jù)使用浮點(diǎn)型（float）來(lái)替換原來(lái)的有符號(hào)整型（signed）外格式基本類(lèi)似。此外，2005年底開(kāi)始使用的三種數(shù)據(jù)格式：XYZ 88、Raw range and angle 78、Seabed image data 89可支持單Ping大于254的可用波束數(shù)。

船姿態(tài) Attitude

記錄了一段時(shí)間內(nèi)的姿態(tài)變化，首先記錄起始時(shí)間，此后每個(gè)時(shí)刻的姿態(tài)數(shù)據(jù)只記錄起始后的時(shí)間（Time since record start），包括橫搖（Roll）、縱傾（Pitch）、涌浪（Heave）、艏向（Heading）等姿態(tài)參數(shù)。

原始射程與波束角 Raw range and beam angle

記錄原始數(shù)據(jù)，包括取樣頻率（Sampling frequency）、傾角（Tile angle ref TX array）、接收陣列波束角（Beam pointing angle ref RX array）、射程（Range in 0.25 samples）等。在這個(gè)數(shù)據(jù)包中記錄的時(shí)間是發(fā)射波束的時(shí)間，而不是接收的時(shí)間。

2 計(jì)算方法

在測(cè)量水深時(shí)所需要的最終數(shù)據(jù)只要橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)、水深即可。在ALL文件中主要儲(chǔ)存三部分內(nèi)容：測(cè)深、原始數(shù)據(jù)以及反射強(qiáng)度。其中測(cè)深數(shù)據(jù)基本可直接成圖，反射強(qiáng)度數(shù)據(jù)在本文中暫不研究。

測(cè)深計(jì)算

根據(jù)定位坐標(biāo)（Position）、艏向（Heading）、X（Along-track distance）、Y（Across-track distance）、深度（Depth），就可以計(jì)算出來(lái)，大多數(shù)情況下只用測(cè)深數(shù)據(jù)即可滿(mǎn)足需要，但是在需要調(diào)整數(shù)據(jù)時(shí)就必須用原始數(shù)據(jù)計(jì)算。

原始數(shù)據(jù)計(jì)算

根據(jù)參數(shù)計(jì)算波束腳印。在雙聲納模式下，會(huì)根據(jù)S1R和S2R參數(shù)對(duì)聲納頭分別有一個(gè)轉(zhuǎn)角偏移，而在單聲納模式中一般為0，此參數(shù)影響俯角。

①按接收波束的時(shí)間（發(fā)射時(shí)間+雙程旅時(shí)，中央波束和邊緣波束的接收時(shí)間是不同的），匹配船姿態(tài)數(shù)據(jù)以及定位坐標(biāo)，并根據(jù)姿態(tài)傳感器補(bǔ)償參數(shù)修正姿態(tài)參數(shù)。

②根據(jù)安裝參數(shù)，計(jì)算每個(gè)接收波束的狀態(tài)。

波束指向角= H + SH；

波束俯角= T + SR；

其中，H=艏向Heading V=聲速

T=傾角Tile angle

SH=換能器艏向Sensor heading

SR=換能器轉(zhuǎn)角Sensor roll

圖1 橫搖和縱搖對(duì)波束的影響

R=射程Range

F=取樣頻率Sampling frequency根據(jù)以上三個(gè)參數(shù)計(jì)算波束腳印相對(duì)于船的橫坐標(biāo)X、縱坐標(biāo)Y以及測(cè)深D。

③根據(jù)姿態(tài)校正波束腳印。橫搖校正：

縱傾校正：

其中，橫搖θ1、縱搖θ2，原方位角α。校正后方位角α1，俯角改變量α2。

④根據(jù)校正后數(shù)據(jù)成圖、提取參數(shù)或者導(dǎo)出水深值。

3 實(shí)例應(yīng)用

在處理某東海勘探項(xiàng)目中，有一部分?jǐn)?shù)據(jù)由X08船的EM3002多波束采集，在室內(nèi)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)存在規(guī)律性變化的波紋，通過(guò)南北向和東西向的測(cè)線對(duì)比，排除沙波的可能性，確定為儀器誤差（圖2）。通過(guò)整個(gè)區(qū)域的多波束資料認(rèn)定本區(qū)域內(nèi)水深變化均勻。

圖2 通過(guò)CARIS處理時(shí)的截圖

解決方案

①通過(guò)所編寫(xiě)軟件對(duì)中央波束和邊緣波束分別提取參數(shù)，包括左右兩個(gè)探頭在中央和邊緣的波束，共計(jì)4組水深。

②通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：水深隨姿態(tài)參數(shù)規(guī)律性變化，并且水深的左右晃動(dòng)也與姿態(tài)有關(guān)?？赏茰y(cè)姿態(tài)傳感器MRU艏向與船艏向有一定夾角。

③MRU艏向校正

設(shè)MRU與船艏向夾角為α，當(dāng)同時(shí)存在橫搖R和縱搖P時(shí)，它們與測(cè)量的橫搖R′和縱搖P′關(guān)系為則補(bǔ)償后水深應(yīng)為：

使用R、P來(lái)計(jì)算新的水深，調(diào)整α使得水深與橫搖縱搖不線性相關(guān)即可。

④在源文件中修改需要補(bǔ)償?shù)膮?shù)，輸出圖像和數(shù)據(jù)（圖3）。

圖3 原水深圖（左），校正后水深圖（右）

4 總結(jié)

1.在處理多波束資料的時(shí)候不應(yīng)完全依賴(lài)現(xiàn)有的商業(yè)軟件，應(yīng)對(duì)多波束文件格式、參數(shù)和理論有一定的了解，出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候才能及時(shí)的發(fā)現(xiàn)和解決。

2.多波束測(cè)深儀為精密儀器，在使用時(shí)應(yīng)極其注意參數(shù)的設(shè)置，一旦參數(shù)設(shè)置異常，無(wú)法通過(guò)后期處理完全消除，只能在一定范圍內(nèi)減小誤差。

3.編寫(xiě)了具有基礎(chǔ)功能的多波束處理軟件，功能上并不完善，但是可獲得所需要的、通過(guò)商業(yè)軟件無(wú)法提出的參數(shù)。

4.提出解決多波束誤差的后期處理方法。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.003