多波束測深系統校正技術在水深地形測量中的應用
多波束測深系統也稱為條帶式測深系統，是利用聲波在水體的傳播特性來測量水深的一種聲學探測技術。該系統利用安裝於測量船底部的聲學換能器陣列，按照一定的角度向海底發射超寬聲波波束，並接收海底反向散射的回波信號，根據各角度反射聲波到達接收換能器的時間和相位，經過信號解算得到多個探測點的水深值，這是一個主動識別和進行異常校正的測深過程，其水深測量值是根據發射聲波探測海底的往返時間與聲波在海水中的傳播速度來確定，探測原理見圖1。
圖1 多波束測深系統探測原理
多波束測深系統在工作過程中，發生聲學換能器姿態的指向、上下高度、左右傾斜度、前後傾斜度等變化，會引起探測波束位置和波束在水體中的傳播時間誤差，對水深地形測量精度具有直接的影響，測量誤差示意見圖2。因此，在海洋工程勘察測繪過程中，需對多波束測深系統進行正確校正並設定正確參數，以獲得高質量的測深數據，並最大限度地提高測量精度和效率。
圖2 多波束測深系統測量誤差示意
本文詳細介紹了多波束測深系統在水深地形測量過程中的系統校正方法，為多波束系統外業測量工作提供參考。
一、多波束測深系統校正
多波束測深系統校正作業由多個過程組成，包括聲速校正、橫搖縱搖校正、艏搖校正、延時校正等。
⒈聲速校正
影響多波束測探數據的因素有很多，其中海水聲速（簡稱「聲速」）是影響多波束測深數據一個重要的因素。因此，為測深系統提供當時當地準確的聲速值是獲取可靠水深測量數據的基本保證之一。此外，多波束測深系統對所輸入的聲速數據量有一定的限制，不同的聲速數據取點，也會對測量結果產生影響。為了獲得準確可靠的水深測量數據，必須進行聲速改正。聲速校正的聲速剖面原理見圖3。
圖3 聲速剖面原理示意
如圖3所示，在水質均勻的理想情況下，測量的水體聲速剖面為零梯度聲速剖面（Co－CA）；實際工作，水體多不均勻，不同層位聲速性質差異較大，測量所得的水體聲速剖面不規則（Co－Cc）；經過聲速校正後，所得水體聲速剖面為規則的等效聲速面（Co－CB）。
⒉橫搖縱搖校正
在測量船上安裝多波束測深系統設備時和測量作業過程中，很難保證多波束換能器基陣中心的三坐標軸與測量船中心的三坐標軸完全重合，且隨船體運動出現橫搖、縱搖和艏搖（見圖4）。因此，多波束測深系統在正式工作之前，必須正確、嚴格地進行各項系統參數的校正測定。需要測定的系統參數有：橫搖偏角、縱搖偏角和艏搖偏角等。
圖4 多波束測深系統橫搖縱搖艏搖示意
在平坦的海底，橫搖角度誤差導致水深誤差大，而且隨著波束角、縱橫搖角度的增大而增加，當波束角θ＞30°時，橫搖角度誤差引起的水深相對誤差會超過0.1%。縱搖參數校正時，精度須小於±0.1°；而橫搖參數校正時，精度須達到±0.01°。對縱搖、橫搖角度偏差參數校正值的獲取，主要通過實測法和剖面重合法。實測法即在實際測量中藉助地形圖中等深線或地物間距離和坡度的計算獲得參數的方法，橫搖、縱搖實測校正示意見圖5、圖6。
圖5 橫搖校正示意
圖6 縱搖校正示意
橫搖偏差可用下式計算：
DR＝arctan（Dz/2Da） ⑴
式中：DR為橫搖偏差，（°）；Dz為測線往返方向上測量的水深差，m；Da為垂直航跡方向的距離，m。
縱搖偏差可用下式計算：
Dp＝arctan（Db/2H） ⑵
式中：Dp為縱搖偏差，（°）；Db為兩次測量的地形特徵沿相反航跡方向偏移量，m；H為測量水深，m。
⒊艏搖及升沉校正
艏搖偏差使測點位置以中央波束為原點旋轉同一角度，造成位移在中央波束處為0，離中央波束越遠，位移越大，導致測量數據的錯誤。艏搖偏差的校正應選擇特徵地形進行，測量船通過兩條平行測線（測線間距應保證邊緣波束重疊不小於10%），以相同速度相同方向各測量一次。利用數據採集系統進行校正時，沿航向選擇重合部分的波束，通過比較重疊部分的兩個剖面確定的最小偏差即為艏搖偏差。如圖7所示，海底孤立目標物實際位置在B處，當調查船從左側測線經過時，目標物探測位置移動到A處，當調查船從右側測線經過時，目標物探測位置移動到C處，則艏搖偏差可用下式計算：
Y（θ）＝arctan（Dc/2d） ⑶
式中：Y（θ）為艏搖偏差，（°）；Dc為目標物位置兩次測量相差距離，m；d為調查船移動時與目標物之間的最小距離，m。
圖7 艏搖偏差校正示意
⒋延時校正
當GPS 接收機與多波束採集數據之間存在時間延遲時，會導致測量地形在航向上發生整體偏移，即為延時偏差。對這種誤差的校正方法為：在測區內選定一個典型目標A，布設一條通過A的測線，校正過程見圖8。
註：T0、T1為較低航速通過典型目標的開始、結束時間；t0、t1為較高航速通過典型目標的開始、結束時間。
圖8 時間延遲校正示意
延時校正可用下式計算：
DT＝Dd/（Vh－Vl） ⑷
式中：DT為時間延遲，s；Dd為兩次測量的特徵地形沿相同航跡方向的偏移量，m；Vh為較高的航速，m/s；Vl為較低的航速，m/s。
校正時沿航向選擇特徵地形的中央波束，利用多波束系統軟體自動計算，分粗算、精算、極精算三步進行，逐步縮小計算範圍，得出最優值。通常，可以利用軟體的斷面查看器判讀校正效果，如果特徵地形吻合或者吻合趨勢較好，則校正值可以採用。
二、工程應用
⒈測量方案制訂
本測量項目為某海上油田航道的維護性疏浚土方量計算提供依據。測量水深之前，先確定調查作業測線。在布設測線時，按照相關規範及技術要求，同時考慮到海流狀況，保證多波束測深儀探測時測量船舶航行的勻速與穩定，測線間距定為20m，符合規範要求。在測線方案中，布設不進行系統校正和進行系統校正的測線各2條，用來進行水深測量效果對比分析；按規範要求數目布設主測線15條和水深聯絡測線8條（見圖9）。
圖9 水深測量測線布設方案
根據測量結果，若顯示主測線與檢查線（水深聯絡測線）相交處水深基本吻合且處於設計水深值誤差範圍內，測量水深圖及地形圖與航道設計水深圖及地形圖（見圖10）相符，表明水深測量成果符合規範要求。
圖10 航道設計水深圖與地形圖
⒉系統校正作業
本測量項目的航道水深地形測量設備使用HT- 300S多波束測深系統。測深系統換能器安裝在測量船側，以降低雜訊影響且不易產生氣泡；運動姿態感測器（MRU）安裝在平行於測量船的軸線的駕駛艙中；電羅經安裝在測量船的艏艉線上，方向指向船首；導航定位GPS天線安裝在測量船頂部開闊的位置（見圖11）。水深測量校正前，先精確量取多波束換能器吃水深度，姿態感測器、GPS與換能器之間的相對位置距離，使系統各部分的安裝測量準確度≥0.05m。
圖11 多波束測深系統安裝示意
分別選擇系統校正和未校正測線進行水深測量，以此來分析未校正水深數據測量偏差。根據文中闡述的多波束系統橫搖、縱搖、艏搖、延時以及聲速校正方法，在設定的系統校正測線上進行校正操作。
縱搖校正時，以相同速度，沿相反方向，兩次通過同一測線進行；橫搖校正時，也以相同速度，沿相反方向，兩次通過同一測線進行，與縱搖校正相似；艏搖校正時，以相同速度，沿同一方向，通過等長的兩條測線進行；延時校正時，以兩種不同速度，沿同一方向，兩次通過同一測線進行。校正過程分析見表1。
表1 多波束測深系統誤差校正
⒊未校正測量與分析
對測量所得的水深數據使用專業軟體進行處理，選取未校正測線與聯絡測線交點處的水深值進行對比。從對比可以看出，未進行系統校正的測量水深數據點具有明顯異常特徵，普遍相比航道設計水深值小（見表2），誤差範圍最大可達80%，不符合水深測量標準規範要求。
表2 未校正測量的水深值與設計值對比
對未進行校正的水深測量數據進行成圖，得出的水深圖具有明顯的異常區，海底地形圖中也明顯可見異常地形（見圖12），與航道設計參數（見圖10）不相符。
圖12 系統未校正測量的航道水深圖與地形圖
⒋校正測量與分析
校正測量時，通過船速要均勻，把定航向減小航跡線偏移，增加重合區域。測量過程中，當船體姿態有明顯改變、換能器或運動姿態感測器位置移動、測線重合不好時，重新進行系統參數的校正。
對測量所得的水深數據使用專業軟體進行處理，對每條測線進行仔細檢查，去掉邊側漂移點及明顯失真測深點的數據後，生成水深測點數據無明顯異常特徵（見表3），誤差範圍多集中在5%，符合水深測量標準規範。
表3 校正測量的水深值與設計值對比
對進行校正的水深測量數據進行成圖，得出的航道測量區域水深圖和地形圖無明顯異常區域（圖13），與航道設計參數（圖10）相符
圖13 系統校正後測量的航道水深圖與地形圖
⒌技術方案評價
通過設定系統校正和未校正測量方案，得出的未進行系統校正的水深數據具有明顯異常點，進行系統校正的水深數據平滑連續，得出的航道海底地形圖也更加真實，符合航道設計特徵。多波束測深系統校正過程可有效減小測量誤差，剔除多束測深異常點，減小水深測量系統誤差，使得測量結果更加合理準確，表明多波束測深系統校正技術應用於實際測量作業中是科學有效的。
三、結束語
多波束測深系統進行水深地形測量時，系統換能器存在的縱搖、橫搖、艏搖差及延時偏差，直接影響水深測量質量。通過調整儀器設備、進行設備校正操作，可以減小測量誤差，獲得高質量的測量數據和提高海洋勘察測繪作業效率。本文結合實際工程作業，較為系統地介紹和驗證了多波束測深系統校正技術在水深地形測量中的科學有效性，對多波束測深系統的水深地形測量作業具有較好的參考指導作用。
來源：溪流之海洋人生
作者：淳明浩 劉振紋等
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