多波束測深數據殘余誤差精細處理

劉 賓，馮湘子

（1．中國海洋石油公司，廣州 深圳518000；2．中海油田服務股份有限公司，天津 塘沽300451）

多波束測深系統在現場作業時，如果參數有誤，或者安裝不夠精密，會造成較大誤差，而且大多誤差無法通過后期處理完全修正。

現有的商業軟件能對大部分的誤差分析和校正，包括時延、橫搖、縱搖、艏搖等。對于運動傳感器（MRU）安裝偏差造成的與橫搖縱搖呈線性相關的偏差，陽凡林等曾提出過解決方法，但是搭載便攜式多波束的探桿抖動造成的無規律隨機誤差尚未有解決方案。為此，本文提出解決此類問題的方案，并編寫了多波束數據提取和分析軟件。

1 多波束誤差的產生

1．1 安裝偏移

指在多波束測深系統安裝過程中產生的偏差，包括在平面上與船艏向的偏移Yaw、縱向上沿前后方向的偏移Pitch和沿左右方向的偏移Roll。

使用常規勘察船進行多波束測深作業時，一般將多波束換能器固定于船體底部。外業船側搭載便攜式多波束系統時，由于每次作業前后都要進行收放，且探桿穩定性差，出現的問題較多，可能每次放下設備后的姿態都有差異。按規范要求應每次收放都進行一次校正，如果校正不夠精確，則會造成安裝偏移誤差。

1．2 運動傳感器（MRU）偏移

常規勘察船的運動傳感器和多波束探頭都是固定的，很少存在此類問題。而在外業船作業過程中，運動傳感器一般在出港前進行安裝，如果安裝有誤或者參數設置錯誤（空間坐標偏差、安裝角度偏差、與船艏向偏差等）則會造成偏移誤差。

1．3 抖動誤差

常規勘察船的多波束換能器安裝在船底，作業時姿態比較穩定。外業船搭載便攜式多波束測深系統時，一般用鋼制探桿將多波束放入水中，探桿長數米，在航行過程中在水流的阻力作用影響下，由于連接處不夠緊密或者探桿的彈性形變，產生不規律的抖動。

2 實例分析

作業區域為我國南海，水深約90～100 m，作業方式為外業船搭載的便攜式EM302多波束測深系統，在沉船南北側同向做了兩條由西向東的測線。初步處理后的資料較差，如圖1所示，且測量誤差較大。

1圖1中的縱切剖面顯示存在安裝偏移 由橫搖誤差造成；

2）兩次測量測得的沉船位置相差十幾米，表明艏搖有誤差；

3）沿航跡方向上大的起伏與橫搖線性相關，說明運動傳感器與船艏向存在夾角；

4）大的起伏上還存在細小的錯動，說明探桿存在抖動。

圖1 多波束原始測深

2．1 安裝偏移修正

1）橫搖修正。以圖1的縱向剖面圖計算需要修正的橫搖角度：

式中：ΔD為同一坐標的深度差，ΔL為兩條測線間距。

2）艏搖校正。將兩次測量中發現的同一特殊地貌位置進行標定，計算艏搖：

式中：ΔL為兩條測線間距，d為同一地貌特征的平面距離。

2．2 運動傳感器（MRU）位置偏差校正

水深數據與運動傳感器數據（橫搖Roll、縱搖Pitch、起伏Heave）存在線性關系，說明運動傳感器存在偏差。設理論MRU與船艏向夾角α，根據α重新計算水深值并觀察三維圖或左右兩側水深剖面，調節α使水深與橫搖和縱搖的線性關系消失即可。

2．3 抖動誤差校正

本例中所使用的便攜式多波束測深儀使用鋼制探桿放入水中，前后由鋼纜固定，因此前后的抖動幾乎可忽略不計，僅在左右方向上的抖動較為明顯。觀察測線兩側70～110 m處地形較為平坦見圖2，以10 m為間隔取8組水深平均值。計算8組數據相對于理論海底的深度偏差，計算理論抖動角：

式中：θi為第i個脈沖的理論抖動角；Dij為第i個脈沖的第j個數據點的深度與理論海底的深度差；Lij為第i個脈沖的第j個數據點的橫坐標。

若一個脈沖內各抖動角基本相符（通過計算均方差判斷），則說明所測海底與平均海底之間存在此抖動角。以此抖動角將此次脈沖的各個水深點的水深D和橫坐標L進行修正，見圖3。

圖2 數據選取（后視圖）

圖3 抖動誤差修正示意圖

式中：D，L為原深度和垂直于航跡方向上的距離；D′，L′為修正后的深度和垂直于航跡方向上的距離；θ為理論抖動角。

整體校正后多波束數據質量有了很大地提高見圖4，其中整個測線均做了安裝偏移校正，可以發現校正后的兩條測線的差異已改正。此外，對黑色虛線內數據做了MRU校正和抖動誤差校正，可見其起伏和抖動已得到較大改善，而虛線外仍然存在明顯的起伏。

圖4 修正前（左）后（右）三維圖對比

3 結 論

1）在使用多波束測深系統進行作業時，現場質控非常重要。若在后期處理發現所測數據存在非常規誤差，只能在一定程度上減小誤差，無法精確修正。

2）使用目前的商業軟件進行多波束處理雖然操作簡單，但是無法接觸數據儲存結構，出現新問題時無從下手。本文開發的多波束數據提取、分析和修改輔助軟件，將原有的水深誤差減小至合理范圍內。

3）在所有的誤差中，安裝偏移影響最大、最常見、最容易修正。在要求不高的情況下進行安裝偏移的校正，即可滿足基本要求。

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