多波束海洋測繪的誤差來源及控制探討

王曉琳

摘 ?要：該文基于筆者多年從事多波束的相關(guān)工作和相關(guān)研究，在閱讀大量相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對多波束測深方法做了較為全面的解釋，分析了參數(shù)校正方法，重點(diǎn)研究了誤差來源及控制思路，希望這些研究成果和經(jīng)驗總結(jié)為從事相關(guān)工作的同行提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：多波束 ?水深測量 ?精度 ?影響因素

中圖分類號：P229 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）10（b）-0037-02

多波束勘測技術(shù)作為一項全新的高精度海底地形探測手段，其在20世紀(jì)80年代的發(fā)展有著十分獨(dú)特的歷史背景和技術(shù)背景。一方面，傳統(tǒng)單波束測深儀要實(shí)現(xiàn)高精度地形測量，面臨兩大難題。一是采用窄波束技術(shù)，但波束的變窄需以換能器加大為代價，從而增加了測深儀的價格和安裝的費(fèi)用;二是加密測線，但又使測量成本大幅度地提高。因此在傳統(tǒng)測深技術(shù)框架下要尋找精度和價格平衡的支點(diǎn)十分困難。另一方面，高精度定位系統(tǒng)和運(yùn)動傳感器、高性能計算機(jī)技術(shù)、高分辨率顯示系統(tǒng)以及采集技術(shù)的數(shù)字化和相關(guān)的信號處理技術(shù)，已得到迅速發(fā)展。定位精度達(dá)到了10m或更高，高速的計算機(jī)使大量復(fù)雜的運(yùn)算在瞬間完成已成為可能，數(shù)字化采集技術(shù)與信號處理技術(shù)相互結(jié)合、互相推動，從而使測深技術(shù)打破原有技術(shù)框架，進(jìn)行新的技術(shù)構(gòu)思成為可能。由于多波束技術(shù)采取廣角度發(fā)射和多信道定向接收，獲得水下高密度條幅式海底地形數(shù)據(jù)，從而徹底刷新了傳統(tǒng)測深技術(shù)的基本概念，突破了傳統(tǒng)單波束測深技術(shù)的局限，大大提高了海底地形勘測的精度、分辨率和工作效率，實(shí)現(xiàn)了測深技術(shù)史上的一次革命性突破。多波束勘測技術(shù)形成了新的海底地形測量技術(shù)框架，使其在測深原理、系統(tǒng)構(gòu)成、射線幾何學(xué)、誤差來源、校改正技術(shù)和勘測方法等方面形成了鮮明的特點(diǎn)。

1 ?多波束測量參數(shù)校正研究

為了保證多波束測深的精度，除了應(yīng)具有符合IHO精度指標(biāo)要求的多波束系統(tǒng)及其外圍設(shè)備外，在測量過程中還必須進(jìn)行嚴(yán)格的各項內(nèi)部影響因素的校正和各項外部影響因素的改正。

參數(shù)校正是指多波束系統(tǒng)為消除系統(tǒng)內(nèi)部的固有誤差而引人的誤差改正的基本方法，即多波束系統(tǒng)的參數(shù)校正方法，并通過系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定，達(dá)到消除內(nèi)部誤差的目的，如圖1所示。

1.1 橫搖偏差校正

橫搖偏差校正是針對多波束系統(tǒng)的換能器在安裝過程中可能存在的橫向角度誤差而引人的一種校正方法。當(dāng)換能器橫向安裝角度與理論設(shè)計角存在偏差時，海底地形將受到嚴(yán)重彎曲。雖然各多波束系統(tǒng)橫搖偏差校正的具體計算方法有所不同，但其處理原理是一致的。假定在一個絕對平坦的海底進(jìn)行一條測線的數(shù)據(jù)采集，分別對左、右舷換能器同方向波束的測深數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，可以獲得一條由各種到達(dá)方向波束的平均深度值組成連續(xù)的測量海底。橫搖偏差校正的計算方法是使該連續(xù)的測量海底的坡度縮小為零。實(shí)際校正中，由于存在其他干擾因素，因此校正計算一般不能一次完成，計算過程需不斷重復(fù)，直到海底地形坡度小于垂直參考單元橫搖精度的1/2，即一般達(dá)到0.025°。

由于在橫搖偏差校正中不能保證測區(qū)海底地形絕對平坦，一般存在著輕微的坡度，因此在應(yīng)用上述方法計算海底坡度時必須考慮海底固有坡度和橫搖偏差引起的“海底坡度”的分離。分離的方法是進(jìn)行往返測線的數(shù)據(jù)采集，換能器同舷波束兩個測線方向的計算坡度差值的1/2為海底固有坡度，而兩坡度的均值為換能器安裝偏差引起的海底畸變，并以此坡度角進(jìn)行橫搖偏差校正。

由于導(dǎo)航延遲和縱搖偏差均造成測點(diǎn)的前后位移，而航向角偏差在平坦海底只造成波束橫向排列角度的旋轉(zhuǎn)，因此在平坦海底進(jìn)行橫搖校正不會受其他偏差的影響，即橫搖偏差校正獨(dú)立于其他校正，故應(yīng)予首先進(jìn)行。

1.2 電羅經(jīng)偏差校正

導(dǎo)航延遲、縱搖偏差和電羅經(jīng)偏差則與橫搖偏差不同，這些偏差在平坦海底區(qū)測量時不會產(chǎn)生假的水深值，但都會產(chǎn)生測點(diǎn)的位移，因此這些偏差對測量的影響往往是綜合的、彼此相關(guān)的。這意味著必須選擇特殊的邊界條件來區(qū)分這些效應(yīng)，并按一定次序來完成校正。

電羅經(jīng)偏差的存在將會造成測點(diǎn)位置以中央波束為原點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)位移，即這種位移具有在中心波束處為零，但在邊緣波束處增至最大的特點(diǎn)。根據(jù)這一特點(diǎn)，在測區(qū)選擇一個線性目標(biāo)進(jìn)行往返測線測量，如果多波束系統(tǒng)確實(shí)存在電羅經(jīng)偏差（即航向偏差），則電羅經(jīng)偏差角將使線性目標(biāo)以中央波束為原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)相同的一個角度。由于往返測線航向相反，從而造成線性目標(biāo)在兩測線數(shù)據(jù)疊加后成為交叉的兩條線而不是單獨(dú)的一條線。電羅經(jīng)編差就等于這兩條線之間的夾角的1/2。

1.3 導(dǎo)航延遲校正

導(dǎo)航延遲與船只航行速度有關(guān)，它引起測點(diǎn)沿航跡方向的前后位移。因此，進(jìn)行導(dǎo)航延遲校正的合適目標(biāo)是突起巖石、疏浚航道、尖角等。為了使校正達(dá)到高精度，測量時測區(qū)水深應(yīng)較淺，以減小電羅經(jīng)和縱傾偏差效應(yīng)。并且應(yīng)以中心波束穿越目標(biāo)，以減小電羅經(jīng)偏差效應(yīng)。以相同的測線來回穿過目標(biāo)幾次，選擇最高的可能船速（要求船速不變），以減小電羅經(jīng)和縱搖偏差效應(yīng)。測量中扇區(qū)開角應(yīng)較小，以增加發(fā)射更新率（數(shù)據(jù)密度）。測量完成后疊加兩個方向的所有測線，標(biāo)出兩個不同方向測線測得的目標(biāo)。如果多波束系統(tǒng)存在導(dǎo)航延遲，則兩個方向測線測得的同一目標(biāo)是分離的。若兩個方向測線目標(biāo)之間的距離為L，則導(dǎo)航延遲（N）為：

N=L/2v ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：v為船速。

1.4 縱搖偏差校正

換能器縱向安裝角度存在偏差也會引起測點(diǎn)沿航跡前后發(fā)生位移。縱搖偏差校正應(yīng)選擇一個孤立目標(biāo)進(jìn)行，測量方法仍是以相同的測線來回穿過目標(biāo)幾次。測量中船速應(yīng)保持不變并盡可能低，以減小導(dǎo)航延遲效應(yīng)及增加位置分辨率。測區(qū)水深應(yīng)盡可能大，以減小導(dǎo)航延遲效應(yīng)和增加角度分辨率。測線布設(shè)應(yīng)以中心波束穿越目標(biāo)頂部，以減小電羅經(jīng)偏差效應(yīng)。扇區(qū)開角以增加發(fā)射更新率。測量后疊加兩個方向的所有測線，標(biāo)出兩個不同方向測線測出的目標(biāo)。如果存在縱搖偏差，則孤立目標(biāo)在往返測線多波束數(shù)據(jù)疊加圖上將出現(xiàn)兩個分離的目標(biāo)。

2 ?誤差來源及控制

多波束測深的外部影響因素是指在多波束測深過程中因水介質(zhì)的運(yùn)動和探測基面的變化所引起的影響多波束側(cè)深的因素。它主要涉及潮位（參考基準(zhǔn)面）變化、換能器吃水變化和水介質(zhì)聲速變化3個方面，因此多波束相應(yīng)的數(shù)據(jù)改正應(yīng)包括潮位改正、換能器吃水改正和水介質(zhì)聲速剖面改正這3項。其中潮位和換能器吃水改正一般通過預(yù)報或?qū)崪y數(shù)據(jù)直接進(jìn)行深度改正，聲速改正由于介質(zhì)聲速不僅受水團(tuán)運(yùn)動而經(jīng)常發(fā)生復(fù)雜變化，而且不同的聲速結(jié)構(gòu)將直接影響波束射線的空間路徑，因此是各項數(shù)據(jù)改正中最重要、同時也是最難控制的影響因素。下面主要討論聲速結(jié)構(gòu)及其時空變化對測量精度的影響，并在實(shí)例數(shù)值分析的基礎(chǔ)上指出其作用機(jī)理及其相應(yīng)的技術(shù)措施。

多波束測量系統(tǒng)依賴海水介質(zhì)對聲波的傳播和海底的反射和散射，它把接收到的信號按旅行時經(jīng)過聲速剖面折算成深度和側(cè)向水平距離，因此海水介質(zhì)的聲速剖面特征和結(jié)構(gòu)變化對測量及其精度控制來說具有十分重要的地位。

2.1 聲速剖面結(jié)構(gòu)變化的影響

一般海水介質(zhì)聲速結(jié)構(gòu)可以分解成如下4種類型，即等速的均勻?qū)咏Y(jié)構(gòu)、隨深度增加聲速線性增加的遞增型結(jié)構(gòu)、隨深度增加聲速線性減少的遞減型結(jié)構(gòu)和兩個不等速均勻?qū)酉嗷クB置的躍層結(jié)構(gòu)。造成聲速結(jié)構(gòu)具有不同類型的原因是海水介質(zhì)的層化程度和不同水團(tuán)的疊置狀況。一般來說，具體的聲速剖面往往是上述4種結(jié)構(gòu)類型的復(fù)雜組合和疊加。不同的聲速結(jié)構(gòu)具有不同波束旅行路徑，聲速結(jié)構(gòu)的差異將通過聲線彎曲直接影響海底探測精度，導(dǎo)致海底形態(tài)的畸變。

2.2 聲速剖面時間變化的影響

隨著水團(tuán)運(yùn)動和層化的改變，即使同一地點(diǎn)在不同時間聲速剖面也有較大的變化。與聲速剖面結(jié)構(gòu)變化的影響一樣，聲速剖面的時間變化也對多波束測量精度有著重大的影響。

2.3 聲速剖面空間變化的影響

由于水團(tuán)性質(zhì)的不同和流場、流態(tài)的差異，聲速剖面在同一時間的不同地點(diǎn)也不盡相同，有時這種變化還相當(dāng)大，尤其在河口沖淡水區(qū)域。在研究加拿大Halifax Appoaches河口區(qū)聲速部面中，發(fā)現(xiàn)相距10km的兩點(diǎn)除表層聲速相同外，聲速剖面的其他部分已表現(xiàn)出明顯的結(jié)構(gòu)差異。聲速改正誤差模型分析表明，若不引入新的實(shí)地聲速剖面，則到達(dá)角大于60°的波束均不符合精度要求。為保證精度，就必須使用窄的扇區(qū)開角，否則就必須更換實(shí)地的聲速剖面。

綜上所述，由于多波束測量對聲速結(jié)構(gòu)的強(qiáng)依賴性，為提高多波束測量精度，就必須控制聲速剖的測量誤差。另一方面，由于聲速剖面在時間和空間上的可變性，在多波束聲速改正中，為保證精度就必須使用實(shí)時、實(shí)地的聲速剖面，不能使用歷史聲速剖面資料。

3 ?結(jié)語

綜上所述，要保證多波束測深精度，除須具備符合精度要求的多波束系統(tǒng)及其外圍設(shè)備外，在測量過程中還必須保證各項校正和改正的精度，而在各項校改正過程中最難以控制精度的因素便是聲速改正，因此應(yīng)引起高度重視。應(yīng)在施測前充分了解測區(qū)的聲速變化情況，掌握海區(qū)一般的聲速變化特征，并據(jù)此確定合理的聲速剖面最大測量間隔。

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