多波束海洋测绘的误差来源及控制探讨

王晓琳

摘  要：该文基于笔者多年从事多波束的相关工作和相关研究，在阅读大量相关文献的基础上，对多波束测深方法做了较为全面的解释，分析了参数校正方法，重点研究了误差来源及控制思路，希望这些研究成果和经验总结为从事相关工作的同行提供参考和借鉴。

关键词：多波束  水深测量  精度  影响因素

中图分类号：P229   文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）10（b）-0037-02

多波束勘测技术作为一项全新的高精度海底地形探测手段，其在20世纪80年代的发展有着十分独特的历史背景和技术背景。一方面，传统单波束测深仪要实现高精度地形测量，面临两大难题。一是采用窄波束技术，但波束的变窄需以换能器加大为代价，从而增加了测深仪的价格和安装的费用;二是加密测线，但又使测量成本大幅度地提高。因此在传统测深技术框架下要寻找精度和价格平衡的支点十分困难。另一方面，高精度定位系统和运动传感器、高性能计算机技术、高分辨率显示系统以及采集技术的数字化和相关的信号处理技术，已得到迅速发展。定位精度达到了10m或更高，高速的計算机使大量复杂的运算在瞬间完成已成为可能，数字化采集技术与信号处理技术相互结合、互相推动，从而使测深技术打破原有技术框架，进行新的技术构思成为可能。由于多波束技术采取广角度发射和多信道定向接收，获得水下高密度条幅式海底地形数据，从而彻底刷新了传统测深技术的基本概念，突破了传统单波束测深技术的局限，大大提高了海底地形勘测的精度、分辨率和工作效率，实现了测深技术史上的一次革命性突破。多波束勘测技术形成了新的海底地形测量技术框架，使其在测深原理、系统构成、射线几何学、误差来源、校改正技术和勘测方法等方面形成了鲜明的特点。

1  多波束测量参数校正研究

为了保证多波束测深的精度，除了应具有符合IHO精度指标要求的多波束系统及其外围设备外，在测量过程中还必须进行严格的各项内部影响因素的校正和各项外部影响因素的改正。

参数校正是指多波束系统为消除系统内部的固有误差而引人的误差改正的基本方法，即多波束系统的参数校正方法，并通过系统的参数设定，达到消除内部误差的目的，如图1所示。

1.1 横摇偏差校正

横摇偏差校正是针对多波束系统的换能器在安装过程中可能存在的横向角度误差而引人的一种校正方法。当换能器横向安装角度与理论设计角存在偏差时，海底地形将受到严重弯曲。虽然各多波束系统横摇偏差校正的具体计算方法有所不同，但其处理原理是一致的。假定在一个绝对平坦的海底进行一条测线的数据采集，分别对左、右舷换能器同方向波束的测深数据进行统计，可以获得一条由各种到达方向波束的平均深度值组成连续的测量海底。横摇偏差校正的计算方法是使该连续的测量海底的坡度缩小为零。实际校正中，由于存在其他干扰因素，因此校正计算一般不能一次完成，计算过程需不断重复，直到海底地形坡度小于垂直参考单元横摇精度的1/2，即一般达到0.025°。

由于在横摇偏差校正中不能保证测区海底地形绝对平坦，一般存在着轻微的坡度，因此在应用上述方法计算海底坡度时必须考虑海底固有坡度和横摇偏差引起的“海底坡度”的分离。分离的方法是进行往返测线的数据采集，换能器同舷波束两个测线方向的计算坡度差值的1/2为海底固有坡度，而两坡度的均值为换能器安装偏差引起的海底畸变，并以此坡度角进行横摇偏差校正。

由于导航延迟和纵摇偏差均造成测点的前后位移，而航向角偏差在平坦海底只造成波束横向排列角度的旋转，因此在平坦海底进行横摇校正不会受其他偏差的影响，即横摇偏差校正独立于其他校正，故应予首先进行。

1.2 电罗经偏差校正

导航延迟、纵摇偏差和电罗经偏差则与横摇偏差不同，这些偏差在平坦海底区测量时不会产生假的水深值，但都会产生测点的位移，因此这些偏差对测量的影响往往是综合的、彼此相关的。这意味着必须选择特殊的边界条件来区分这些效应，并按一定次序来完成校正。

电罗经偏差的存在将会造成测点位置以中央波束为原点的旋转位移，即这种位移具有在中心波束处为零，但在边缘波束处增至最大的特点。根据这一特点，在测区选择一个线性目标进行往返测线测量，如果多波束系统确实存在电罗经偏差（即航向偏差），则电罗经偏差角将使线性目标以中央波束为原点旋转相同的一个角度。由于往返测线航向相反，从而造成线性目标在两测线数据叠加后成为交叉的两条线而不是单独的一条线。电罗经编差就等于这两条线之间的夹角的1/2。

1.3 导航延迟校正

导航延迟与船只航行速度有关，它引起测点沿航迹方向的前后位移。因此，进行导航延迟校正的合适目标是突起岩石、疏浚航道、尖角等。为了使校正达到高精度，测量时测区水深应较浅，以减小电罗经和纵倾偏差效应。并且应以中心波束穿越目标，以减小电罗经偏差效应。以相同的测线来回穿过目标几次，选择最高的可能船速（要求船速不变），以减小电罗经和纵摇偏差效应。测量中扇区开角应较小，以增加发射更新率（数据密度）。测量完成后叠加两个方向的所有测线，标出两个不同方向测线测得的目标。如果多波束系统存在导航延迟，则两个方向测线测得的同一目标是分离的。若两个方向测线目标之间的距离为L，则导航延迟（N）为：

N=L/2v                                                                    （1）

式中：v为船速。

1.4 纵摇偏差校正

换能器纵向安装角度存在偏差也会引起测点沿航迹前后发生位移。纵摇偏差校正应选择一个孤立目标进行，测量方法仍是以相同的测线来回穿过目标几次。测量中船速应保持不变并尽可能低，以减小导航延迟效应及增加位置分辨率。测区水深应尽可能大，以减小导航延迟效应和增加角度分辨率。测线布设应以中心波束穿越目标顶部，以减小电罗经偏差效应。扇区开角以增加发射更新率。测量后叠加两个方向的所有测线，标出两个不同方向测线测出的目标。如果存在纵摇偏差，则孤立目标在往返测线多波束数据叠加图上将出现两个分离的目标。

2  误差来源及控制

多波束测深的外部影响因素是指在多波束测深过程中因水介质的运动和探测基面的变化所引起的影响多波束侧深的因素。它主要涉及潮位（参考基准面）变化、换能器吃水变化和水介质声速变化3个方面，因此多波束相应的数据改正应包括潮位改正、换能器吃水改正和水介质声速剖面改正这3项。其中潮位和换能器吃水改正一般通过预报或实测数据直接进行深度改正，声速改正由于介质声速不仅受水团运动而经常发生复杂变化，而且不同的声速结构将直接影响波束射线的空间路径，因此是各项数据改正中最重要、同时也是最难控制的影响因素。下面主要讨论声速结构及其时空变化对测量精度的影响，并在实例数值分析的基础上指出其作用机理及其相应的技术措施。

多波束测量系统依赖海水介质对声波的传播和海底的反射和散射，它把接收到的信号按旅行时经过声速剖面折算成深度和侧向水平距离，因此海水介质的声速剖面特征和结构变化对测量及其精度控制来说具有十分重要的地位。

2.1 声速剖面结构变化的影响

一般海水介质声速结构可以分解成如下4种类型，即等速的均匀层结构、随深度增加声速线性增加的递增型结构、随深度增加声速线性减少的递减型结构和两个不等速均匀层相互叠置的跃层结构。造成声速结构具有不同类型的原因是海水介质的层化程度和不同水团的叠置状况。一般来说，具体的声速剖面往往是上述4种结构类型的复杂组合和叠加。不同的声速结构具有不同波束旅行路径，声速结构的差异将通过声线弯曲直接影响海底探测精度，导致海底形态的畸变。

2.2 声速剖面时间变化的影响

随着水团运动和层化的改变，即使同一地点在不同時间声速剖面也有较大的变化。与声速剖面结构变化的影响一样，声速剖面的时间变化也对多波束测量精度有着重大的影响。

2.3 声速剖面空间变化的影响

由于水团性质的不同和流场、流态的差异，声速剖面在同一时间的不同地点也不尽相同，有时这种变化还相当大，尤其在河口冲淡水区域。在研究加拿大Halifax Appoaches河口区声速部面中，发现相距10km的两点除表层声速相同外，声速剖面的其他部分已表现出明显的结构差异。声速改正误差模型分析表明，若不引入新的实地声速剖面，则到达角大于60°的波束均不符合精度要求。为保证精度，就必须使用窄的扇区开角，否则就必须更换实地的声速剖面。

综上所述，由于多波束测量对声速结构的强依赖性，为提高多波束测量精度，就必须控制声速剖的测量误差。另一方面，由于声速剖面在时间和空间上的可变性，在多波束声速改正中，为保证精度就必须使用实时、实地的声速剖面，不能使用历史声速剖面资料。

3  结语

综上所述，要保证多波束测深精度，除须具备符合精度要求的多波束系统及其外围设备外，在测量过程中还必须保证各项校正和改正的精度，而在各项校改正过程中最难以控制精度的因素便是声速改正，因此应引起高度重视。应在施测前充分了解测区的声速变化情况，掌握海区一般的声速变化特征，并据此确定合理的声速剖面最大测量间隔。

参考文献

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[2] 史青法.多波束测量边缘波束测深精度分析与评估[J].海洋测绘，2018（11）：6-9.

[3] 张志晏.海洋航道测量中多波束系统的应用分析[J].工程技术研究，2019（2）：3-5.