基于RTK三維水深測量技術的多波束測深系統設計

應超然

(浙江省水利河口研究院(浙江省海洋規劃設計研究院)， 杭州 310020)

0 引 言

多波束測探系統中融合多種高新技術，其中包含水聲學技術、電子及計算機技術、現代數字信號處理技術等。該系統實質上是一個條帶覆蓋測深系統，其中包含n條同步波束，構成一個扇面，在應用時，通過聲波發射和接收換能器進行發射、接收，從而獲取高密度水深數據。較單波束的探測儀測量范圍大，并且比其測深速度快，精度也較單波束的高。但是在測量過程中，會受到潮時差和潮差比等潮汐變化對水面高度的影響，探測過程中需要對驗潮站水位控制，該參數的測量多為專職人員測量，這種測量方法不僅會增加工作成本，還會由于人為測定誤差導致后期探測結果不準確。RTK即載波相位差分技術是一種智能信息處理技術，該技術在三維水深測量領域獲得應用，并且也得到較好的應用效果。該技術能夠對不一致的、不完整的數據做處理，直到挖掘到其中有用的信息后再停止計算，在挖掘后還能夠將有用的信息以簡潔的方式呈現給工作人員。基于RTK三維水深測量技術的這個優點，設計一個基于RTK三維水深測量技術的多波束測深系統，期望提高測量的效果。

1 多波束測深系統硬件設計

多波束測深系統硬件框架見圖1。

圖1 多波束測深系統硬件框架

通過圖1可知，系統中主要由處理機、信號源、發射機、接收機、采集模塊等組成，此次研究主要對接收機、采集模塊、電源模塊與數據發送模塊進行設計。

1.1 接收機電路設計

接收機主要對海底反射回來的回波信號處理[1]，并能夠將處理完成的信息發送到多通道采集系統中。接收機電路設計中采用AD8336芯片，該芯片具有高線性、單端輸入、微弱噪聲的特點，并具備以下性能：①增益縮放比例為50 dB/V；②供電電源電壓為3～12 V；③正常工作溫度范圍為-50℃～125℃；④可以設定增益范圍。

該芯片主要由電源供電接口以及增益控制接口等組成，在實際應用中，可以根據系統的使用需求，對芯片的端口電阻值進行改變[2]，以達到改變芯片輸出電壓范圍的目的。具體實現方法見表1。

表1 芯片增益范圍

通過表1可知，可以對前端放大器放大倍數改變得到最終需要的輸出增益范圍。

1.2 電源模塊

電源模塊對系統起到可靠性與安全性的作用。此次研究采用某公司生產的電源管理芯片[3]，型號為TPS75501KTTR，該芯片輸出電壓范圍較廣，能夠達到1.22～5 V。當電流減小至10 uA時，芯片會停止工作，保護電路。

由于電路存在高頻特性，若長時間應用會使其過熱，嚴重情況下還會影響其使用壽命，為此設置電壓監視芯片，以提供長期穩定的電源。采用TPS3307-33進行監視，主要特點如下：

1) 在使用時不需要在外接電阻[4]，因為其自身帶一個20ms的延時復位。

2) 工作溫度范圍廣。

3) 電壓溫度補償，占用PCB的面積少。

4) 適用多電壓處理體系，該芯片能夠同時對3個電壓監控。

1.3 采集模塊設計

采集模塊能夠將采集的信號傳遞給系統進行后續處理。在采集模塊設計中使用FPGA子卡[5]，通過對母板變換就能夠實現不同的功能，特點如下：

1) 包含8個時鐘鎖相環，并包含嵌入式存儲器。

2) 包含528個通用用戶I/O。

3) 6 k～150 k的邏輯單元。

4) 存儲速度高達200 MHz。

該器件功耗較低，并且具有高運算速度、高內存的優點，能夠滿足系統設計需求。

1.4 數據發送模塊設計

在數據發送時采用CY7B923高速數據發送芯片，該芯片集成度高、功耗低，外圍電路結構簡單[6]。主要特性如下：

1)在進行應用時，支持多種傳輸協議[7]。

2)正常運行時，兩種編碼方式，能夠直接傳輸不進行編碼，還可以對數據編碼編制成傳輸碼。

3)支持光纖以及同軸電纜接口。

4)提供3種傳輸速率，可以根據用戶自身需求選擇低速、標準和高速.

5)具有較強的自檢能力。

該芯片主要功能是將并行輸入數據轉換成串行差分位流輸出，在高速傳輸過程中，為增強抗干擾的能力，可以采用適當的耦合方式，實現信號的傳輸。

2 基于RTK的多波束測深系統軟件設計

2.1 三維姿態改正

RTK三維水深測量技術預先采用RTK測量得到GPS天線的三維坐標，在采用RTK技術測量水深，經過同步換算得到水深值，以完成水下地形數據的獲取[8]。其測量原理見圖2。

圖2 RTK三維水深測量原理

圖2中，H代表高程數據；h代表GPS天線到水面的高度；S代表探測儀測量的深度數據；B代表水深值；C代表水底高程。

以上簡要介紹了RTK三維水深測量的過程，但是為了實現最優位置的有效判斷，還需要在探測過程中做詳細處理。

首先，初始化處理RTK技術的算子方差，將其表示為：

(1)

然后，在算子方法初始化處理過程中，進行多次處理。隨著迭代次數的增加，會影響計算效果，為此需要不斷調整。在調整過程中，計算每個子群的適應度值，計算公式為：

(2)

最后，將上述計算得到的結果按照大小順序對探測得到的數據動態排序，排序后對數據轉換：

(3)

式中：ΔX、ΔY、ΔZ為數據變換過程中的平移參數；εX、εY、εZ分別為旋轉參數；ZS、YS、XS為源空間的直接坐標值。

通過上述過程對數據進行初始變換，但在計算過程中會受到潮流動態性的影響，導致計算結果不準確，為此需要做進一步的處理。

2.2 基于RTK的多波束測深實現

由于數據在采集過程中會受到儀器噪聲、海況等情況的影響，使采集到的數據存在誤差，從而使后續探測結果出現誤差。為此，需要對測深數據編輯，剔除粗差，將真實數據保留下來，數據處理過程見圖3。

圖3 數據處理過程

同時，對系統動態潮位改正，使潮位之間在各維速度方面彼此獨立，以實現動態調整。計算公式如下：

(4)

其中：

(5)

Gd(t)=0;Td=Td/k2

式中：k1、k2分別為常數；vid(t)為調節次數；Td為在第d維時數據的動態調整次數；E為閾值修正頻率。

基于上述過程，能夠保證算法得到全局最優解，直到得到最優的計算結果才停止計算，以此完成潮流誤差修正，完成多波束測探系統軟件的設計。

3 實例分析

為驗證基于RIK三維水深測量技術的多波束測深系統的有效性，以某海灣為實驗對象，該海灣內共有6條航道，該河段順直、河寬小，兩岸地形較為平緩，方便實驗。

3.1 實驗準備

在實驗之前，做好準備工作。實驗設備清單見表2。

表2 實驗設備清單

在三維激光掃描儀安裝上，需要采用精密的安裝支架，將其與接收機安裝在一起，使各個實驗設備形成一個整體。并且需要保證各個設備的穩定性，保證測量數據不受到影響。

在實驗中，將多波束測深儀器安裝到船體的左側，將其與船體上的螺絲與扣環固定連接，使其在船舶發生抖動時保證穩定性；將電源作為發電機，同時采用額定功率為700 W的UPS對發電機輸出電源穩壓處理；在數據采集上，將基站架設到試驗區域的最高點，保證該儀器周圍沒有明顯的遮擋物，沒有電信號的干擾。測深數據采集過程見圖4。

圖4 測深數據采集過程

為使實驗結果更具對比性，預先采集該探測區域內的數據，同時為了保證結果對比嚴謹，采集10次數據，取其平均數作為對比的實際數據。

3.2 測深精度對比

采用所提出的系統對該實驗海灣內6個航道深度測量，為了增加對比性，先在距離基準站較近位置實驗。深度測試結果見圖5。

圖5 距離基準站10 m時深度對比結果

在此基礎上，對比距離基準站為40km時深度測量的精度，見圖6。

圖6 距離基準站40 m時深度對比結果

分析圖5和圖6能夠看出，在距離基站10 m時，所提出的多波束測深系統與實際的深度值相差較小；在距離基站40 m時，所提出系統的測深結果與實際值的差值雖有增多的情況，但是誤差最多不多于0.3 m。雖然基準站和觀測條件變差，所提出的系統也能夠保證較高的測深精度。

3.3 測深效率對比

進一步對比測深系統的應用效果，分析該系統的測深效率，結果見表3。

表3 測深效率分析

通過分析表3能夠發現，在深度測量上，所提出的系統在距離基準站0 m、時間為9:00-10：00時花費的時間是最少的；隨著基準站距離增加，測量時間越來越晚，測深的時間也隨之增加。這說明測深系統會受到測量時間段的影響，但是增加的時間較少，效率仍然較高，在可以接受的范圍內。

4 結 語

本文完成了測深系統的設計，并在實驗部分驗證了該系統的有效性。同時，也能夠證明RTK三維水深測量技術的應用是有效的，不僅提高了測量的精度，還提高了測量的效率。實驗結果表明，應用RTK技術后有效提高了測深效果，完成了多波束測深系統的設計目標，能夠為多波束測深系統在實際應用中提供一定的幫助。