多波束水深测量误差分析及校正

杨海峰+黄承孝

摘 要：多波束水深测量技术效率高，可靠稳定，覆盖面积广。但多波束测深系统的声学原理以及海水具有不均匀性，声波在进行传播期间会出现线折射，而波束测点也会因此出现位置的计算不准确。因此，该文通过分析主要的系统参数误差，进一步深究并提出对应的测定方法和完善措施。

关键词：多波束 水深测量 误差 校正

中图分类号：P283 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）05（c）-0095-02

该文从需要测定的系统参数中选取部分进行误差分析，主要包括横摇偏角（Roll bias）、纵倾偏角（Pitch bias）、时间延迟（Time Offset），除此之外，还需进行声速剖面（SVP）校正。

1 声速剖面误差及校正

海水本身具有不均匀的性质，因此声波在传播的过程中，会受到海水盐分密度、水压以及水温等多方面影响，继而产生对应性的改变。如声速会因海水的盐分密度、水压、水温的上升而加速，这里最密切相关的还是水温，其次是水压，再是海水盐分密度。

为了能够更好地保障多波束测深的精准性、可靠性，通常采取较多的声速剖面，进行科学合理的时间安排以及空间上的布置，有目的地适当对声速剖面的空间分布密度进行调整。如在靠岸水较浅范围内，就需要考虑盐度情况，这个时候可适当调整或者加大声速剖面在空间上的分布密度，考虑到海域的昼夜温差较大，应加大声速剖面在时间上的分布密度。

2 导航定位时间延迟误差及校正

2.1 误差分析

通常定位系统都是和测深系统同步进行的，否则就会令测深点发生偏移，进而影响所测得的海底地形正常图形，这个过程叫做定位时间延迟误差。

图1（a）、图1（b）为系统延迟效应对测深产生的影响。图中箭头为测线航行，P为真实位置，P′为记录位置，△为位移。由图1（a）可知，如果所测量的船沿方向是一致时，系统性延迟会使全部水深点位移△，进而造成海底地形出现位置差异；图1（b）为测量船以正反方向相互交替测量，这个时候系统性延迟会使正向测量的水深值右移△，反向测深值左移△，这个时候海底地形呈现条带状交叉错位。位移△的大小与航速成正比，例如：当延迟△t=0.6 s、V=12节时，位移值将达3.7 m。因此，像一般沿岸及港口等重大工程测量中通常在精度要求上比较严格，考虑到船速比较大的问题，需要事先想到时间的延迟效应。

2.2 误差校正

（1）同一目标探测法。

在规定的海域选择一处明显标志物，以一固定测线速度一致往返观测两次，获得同一目标的两个偏移位置P′和P″（见图2），可得延迟位移△为：

△=P′P″/2

测定船速V，得到定位系统的时间延迟为：

△t=△/V

但此方法的前提是需要规范避免纵倾角误差。

（2）剖面重叠法。

在规定的海域内选择一处明显的目标或是斜坡，计划设置一条测线，通过目标或是与斜坡所垂直，以较低的航速V1（如4节）沿测线测量，得到目标P的偏移位置P′；然后以较高的航速V2（如10节）沿同一方向测量，得到目标P的偏移位置P″（见图2（a））。画出两条测线的纵向剖面图，如图2（b）两条虚线所示，以水平的方向移动两条虚线至完美重叠，得到位移距离2△，则时间延迟△t=2△/（V2-V1）。

△t得到之后，接下来是修正导航真正的定位时间，可直接输入实时数据采集系统或后处理系统完成。但最好是使用剖面重叠法测定，较其他参数之前测好。

3 横摇偏角、纵倾偏角误差及校正

3.1 误差分析

与传统单波束探测有所不同，多波束是条幅式面状测量，船身在运行中摇晃的时候，其换能器和水面之间会产生夹角，从而在很大程度上对探测造成干扰，考虑到这个情况，所以需要在波束形成之时将其校正到水平面。将夹角进行分解为纵倾角、横摇角两个方向的假想夹角，这也是多波束测深的两个关键参数。换能器与水平面纵向的夹角为纵倾角（Pitch），换能器与水平面垂直龍骨方向的夹角为横摇角（Roll）。由于这两个参数角当中含有一个动态分量和一个静态分量，分别称为纵倾偏角和横摇偏角。动态分量形成是风、涌、波浪等因素造成的，利用涌浪补偿器可以调整。静态分量的发生因安装过程所造。

横摇偏角的参数测定应先于纵倾偏角，并且要选择一处地形较为平坦的海域进行，关于纵倾偏角产生的影响可暂不予以思考；否则先进行纵倾偏角的测定，会因选择的区域较陡峭，横摇偏角本身不明确而导致地形发生异变，而纵倾偏角本身也会受之影响。所以，一般声速剖面测定校正完成在测定参数之前。

3.2 横摇偏角的测定

选择海域位置需广阔、平坦，计划设置一条测线AB，于无外部强烈因素干扰的情况下，以正常平稳的速度匀速航驶（如10节）进行往返测量，选择符合要求的两条测线（航向相反，航迹较直且重复性较好，时间相隔短），利用多波束系统的横摇偏角对模块进行调整，在垂直测线方向截取剖面（CD线），调整横摇偏角，两剖面达至完美重合，此时值为横摇偏角。

3.3 纵倾偏角误差校正

选择一处有斜坡的海域，计划设置一条直线使它垂直于等深线方向，为测线AB（图3），当海面正常，无外部环境影响干扰的情况下，以正常的航速（如10节）往返测量，选择符合要求的测线，然后用多波束系统的纵倾偏角校正模块，在测线方向截取剖面（CD线），对纵倾偏角加以适当调整，使两剖面完美重合，此时的值为纵倾偏角。

4 结语

该文通过对声速剖面误差、导航定位时间误差、横摇偏角和纵倾偏角误差的各方面因素进行了全方位分析，提出相对应的校正措施。但这并不代表可以万无一失地保障测量数据的无误，在实际当中，很多误差都是随机出现的，会受到各种各样的原因影响，甚至有的目前还未考虑到，这些误差之间相互作用、相互影响，又会形成新的误差，在很大程度上给误差来源判断增加了难度，所以，需要相应的技术人员培养足够的经验，努力提高自身的业务水平，尽量规避测量出现误差，或者出现误差可以准确判断并及时以相应的措施进行校正，希望此次的研究分析成果可以帮助到使用者。

参考文献

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