多波束水深測量誤差分析及校正

楊海峰+黃承孝

摘 要：多波束水深測量技術效率高，可靠穩(wěn)定，覆蓋面積廣。但多波束測深系統(tǒng)的聲學原理以及海水具有不均勻性，聲波在進行傳播期間會出現(xiàn)線折射，而波束測點也會因此出現(xiàn)位置的計算不準確。因此，該文通過分析主要的系統(tǒng)參數(shù)誤差，進一步深究并提出對應的測定方法和完善措施。

關鍵詞：多波束 水深測量 誤差 校正

中圖分類號：P283 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）05（c）-0095-02

該文從需要測定的系統(tǒng)參數(shù)中選取部分進行誤差分析，主要包括橫搖偏角（Roll bias）、縱傾偏角（Pitch bias）、時間延遲（Time Offset），除此之外，還需進行聲速剖面（SVP）校正。

1 聲速剖面誤差及校正

海水本身具有不均勻的性質(zhì)，因此聲波在傳播的過程中，會受到海水鹽分密度、水壓以及水溫等多方面影響，繼而產(chǎn)生對應性的改變。如聲速會因海水的鹽分密度、水壓、水溫的上升而加速，這里最密切相關的還是水溫，其次是水壓，再是海水鹽分密度。

為了能夠更好地保障多波束測深的精準性、可靠性，通常采取較多的聲速剖面，進行科學合理的時間安排以及空間上的布置，有目的地適當對聲速剖面的空間分布密度進行調(diào)整。如在靠岸水較淺范圍內(nèi)，就需要考慮鹽度情況，這個時候可適當調(diào)整或者加大聲速剖面在空間上的分布密度，考慮到海域的晝夜溫差較大，應加大聲速剖面在時間上的分布密度。

2 導航定位時間延遲誤差及校正

2.1 誤差分析

通常定位系統(tǒng)都是和測深系統(tǒng)同步進行的，否則就會令測深點發(fā)生偏移，進而影響所測得的海底地形正常圖形，這個過程叫做定位時間延遲誤差。

圖1（a）、圖1（b）為系統(tǒng)延遲效應對測深產(chǎn)生的影響。圖中箭頭為測線航行，P為真實位置，P′為記錄位置，△為位移。由圖1（a）可知，如果所測量的船沿方向是一致時，系統(tǒng)性延遲會使全部水深點位移△，進而造成海底地形出現(xiàn)位置差異；圖1（b）為測量船以正反方向相互交替測量，這個時候系統(tǒng)性延遲會使正向測量的水深值右移△，反向測深值左移△，這個時候海底地形呈現(xiàn)條帶狀交叉錯位。位移△的大小與航速成正比，例如：當延遲△t=0.6 s、V=12節(jié)時，位移值將達3.7 m。因此，像一般沿岸及港口等重大工程測量中通常在精度要求上比較嚴格，考慮到船速比較大的問題，需要事先想到時間的延遲效應。

2.2 誤差校正

（1）同一目標探測法。

在規(guī)定的海域選擇一處明顯標志物，以一固定測線速度一致往返觀測兩次，獲得同一目標的兩個偏移位置P′和P″（見圖2），可得延遲位移△為：

△=P′P″/2

測定船速V，得到定位系統(tǒng)的時間延遲為：

△t=△/V

但此方法的前提是需要規(guī)范避免縱傾角誤差。

（2）剖面重疊法。

在規(guī)定的海域內(nèi)選擇一處明顯的目標或是斜坡，計劃設置一條測線，通過目標或是與斜坡所垂直，以較低的航速V1（如4節(jié)）沿測線測量，得到目標P的偏移位置P′；然后以較高的航速V2（如10節(jié)）沿同一方向測量，得到目標P的偏移位置P″（見圖2（a））。畫出兩條測線的縱向剖面圖，如圖2（b）兩條虛線所示，以水平的方向移動兩條虛線至完美重疊，得到位移距離2△，則時間延遲△t=2△/（V2-V1）。

△t得到之后，接下來是修正導航真正的定位時間，可直接輸入實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或后處理系統(tǒng)完成。但最好是使用剖面重疊法測定，較其他參數(shù)之前測好。

3 橫搖偏角、縱傾偏角誤差及校正

3.1 誤差分析

與傳統(tǒng)單波束探測有所不同，多波束是條幅式面狀測量，船身在運行中搖晃的時候，其換能器和水面之間會產(chǎn)生夾角，從而在很大程度上對探測造成干擾，考慮到這個情況，所以需要在波束形成之時將其校正到水平面。將夾角進行分解為縱傾角、橫搖角兩個方向的假想夾角，這也是多波束測深的兩個關鍵參數(shù)。換能器與水平面縱向的夾角為縱傾角（Pitch），換能器與水平面垂直龍骨方向的夾角為橫搖角（Roll）。由于這兩個參數(shù)角當中含有一個動態(tài)分量和一個靜態(tài)分量，分別稱為縱傾偏角和橫搖偏角。動態(tài)分量形成是風、涌、波浪等因素造成的，利用涌浪補償器可以調(diào)整。靜態(tài)分量的發(fā)生因安裝過程所造。

橫搖偏角的參數(shù)測定應先于縱傾偏角，并且要選擇一處地形較為平坦的海域進行，關于縱傾偏角產(chǎn)生的影響可暫不予以思考；否則先進行縱傾偏角的測定，會因選擇的區(qū)域較陡峭，橫搖偏角本身不明確而導致地形發(fā)生異變，而縱傾偏角本身也會受之影響。所以，一般聲速剖面測定校正完成在測定參數(shù)之前。

3.2 橫搖偏角的測定

選擇海域位置需廣闊、平坦，計劃設置一條測線AB，于無外部強烈因素干擾的情況下，以正常平穩(wěn)的速度勻速航駛（如10節(jié)）進行往返測量，選擇符合要求的兩條測線（航向相反，航跡較直且重復性較好，時間相隔短），利用多波束系統(tǒng)的橫搖偏角對模塊進行調(diào)整，在垂直測線方向截取剖面（CD線），調(diào)整橫搖偏角，兩剖面達至完美重合，此時值為橫搖偏角。

3.3 縱傾偏角誤差校正

選擇一處有斜坡的海域，計劃設置一條直線使它垂直于等深線方向，為測線AB（圖3），當海面正常，無外部環(huán)境影響干擾的情況下，以正常的航速（如10節(jié)）往返測量，選擇符合要求的測線，然后用多波束系統(tǒng)的縱傾偏角校正模塊，在測線方向截取剖面（CD線），對縱傾偏角加以適當調(diào)整，使兩剖面完美重合，此時的值為縱傾偏角。

4 結語

該文通過對聲速剖面誤差、導航定位時間誤差、橫搖偏角和縱傾偏角誤差的各方面因素進行了全方位分析，提出相對應的校正措施。但這并不代表可以萬無一失地保障測量數(shù)據(jù)的無誤，在實際當中，很多誤差都是隨機出現(xiàn)的，會受到各種各樣的原因影響，甚至有的目前還未考慮到，這些誤差之間相互作用、相互影響，又會形成新的誤差，在很大程度上給誤差來源判斷增加了難度，所以，需要相應的技術人員培養(yǎng)足夠的經(jīng)驗，努力提高自身的業(yè)務水平，盡量規(guī)避測量出現(xiàn)誤差，或者出現(xiàn)誤差可以準確判斷并及時以相應的措施進行校正，希望此次的研究分析成果可以幫助到使用者。

參考文獻

[1] 古保春.淺析多波束測深系統(tǒng)安裝誤差校正研究[J].珠江水運， 2016（5）：64-66.

[2] 焦永強.多波束的校準方法及其成果分析[J].測繪地理信息， 2014，39（6）：10-13.

[3] 于家成，徐學強.基于地形平均斜率的多波束數(shù)字水深處理[J].系統(tǒng)仿真學報，2015，27（5）：990-996.