多波束測深系統在內河航道測量中的運用

張從奎+蔣方強+陳宏乾

摘 要：在三角磧河段卵石沙波運動觀測中，用SEABAT 8101多波束測深系統對一段航道試驗段做了2次重復水深測量，目的是研究在短時間內河床卵石沙波微小變化。討論了多波束系統的安裝校準及質量控制問題；分析了測量中的主要誤差源。通過對測量結果的分析表明，多波束測量的水深數據在反映水下微地形和分析局部沉積物運移趨勢中，具有傳統單波束測深不可比擬的優勢。

關鍵詞：多波束 水下掃描 誤差來源

多波束測深系統簡介

多波束測深是水聲技術、計算機技術、導航定位技術和數字化傳感器技術等多種技術的高度集成，最常使用在海洋環境中，多波束測深系統打破了傳統單波束以點為基礎的離散式的作業模式，而代之以空間面為基礎的立體式作業模式，實現了立體測圖、智能處理以及自動化成圖。其工作原理是通過換能器陣進行聲波廣角度定向發射、接收，運用各種傳感器（衛星定位系統、運動傳感器、電羅經、聲速剖面儀等）對各個波束測點的空間位置進行歸算，從而獲取與航向垂直的條帶式高密度水深數據。

與傳統的單波束測深技術相比較，多波束測深系統優勢明顯。①多波束系統采用了全覆蓋的測量方式，采集的數據全面，能真實的反映河床地形；②多波束系統同步記錄船體姿態信息，起伏、縱搖、橫搖、航向等，由后處理軟件對測量結果進行校正，使測量結果受外界不利因素影響減小到最低限度；③多波束系統后處理軟件功能強大，能對測量資料進行多種成圖處理，可生成等值線圖、三維立體圖、彩色圖像、剖面圖等，同時還能對同一測區不同測次進行比較以及土方計算等，極大地提高了工作效率；④多波束系統應用的采集軟件具有實時成像功能，可以直觀地看到水下的地形起伏，以及護岸工程的效果，便于指揮決策和重點監測，利用軟件的回放功能，不僅在現場而且在室內也能演示；⑤多波束系統通過后處理軟件可以繪制任意比例尺水下圖形圖，可以滿足高精度的水利工程測量要求。

與常規多波束系統不同，SEA BAT 8101 采用特殊的波束形成方法，即在發射和接收時，系統均產生完全經過橫搖校正的波束，此項技術被稱為旋轉定向發射（RDT），其優點為：在發射和接收時無論在沿航跡方向還是垂直航跡方向均可以獲得極好的指向性，換能器小但聲源級高、系統的安裝應用非常方便靈活、旁瓣抑制好于36dB、錯誤率低。而常規多波束在發射脈沖時將聲波照射到某一區域，僅在接收時產生波束形成。

多波束系統的安裝

SEABAT 8101 系統由GPS導航定位系統、多波束換能器（探頭）、光纖羅經和運動傳感器、聲速剖面儀、水深數據采集處理器、數據處理計算機和處理軟件構成。各部分之間通過專用數據線連接，固定安裝在測量船上。結合我院現有設備安裝如下：SEABAT 8101多波束測深系統一套，安裝于“渝工測201”上，考慮到測量船的大小（26*6m）和結構以及測量環境（內河），換能器采用船舷（右舷）固定安裝并可拆卸。安裝時要注意固定好，為避免換能器產生抖動、下沉，換能器與測量船用一根3m長φ200*5mm不銹鋼鋼管連接。OCTANS（光纖羅經和運動傳感）器固定安裝于船體重心位置并盡可能與水面平行；同時考慮到運動傳感器的方向性，其罩殼上的指示方向與船艏方向一致。DGPS接收機天線應安裝在船舶高處（低于避雷針），視場內障礙物的高度角不能超過10°；盡可能遠離船舶主桅桿；盡量遠離大功率的無線電發射信號源（如雷達、高頻電話天線等）；天線安裝要穩固，避免船舶姿態變化使其產生位移；天線位置應選擇遠離船體大型金屬物體結構，距甲板高度為6.2m，盡可能減少信號多路徑效應。

多波束系統的參數校正應在水下掃測之前或掃測結束后立即開展，以保證系統校正與掃測時多波束系統各儀器狀態一致。多波束系統校正計算應在校正操作現場完成并做好校正參數記錄，多波束系統校正方法及要求見下表。

實例工程運用：三角磧河段卵石沙波運動觀測

1、項目背景

在三角磧水域選取兩塊面積為0.25平方公里的區域（南面，北面各一塊），在一天時間內各測量兩次（時間間隔在5～6小時），利用多波束的高密度點來反應卵石沙波的微小運動。

2、技術實施

儀器選用：該系統導航定位采用Trimble R8型GPS，利用其實時載波相位差分技術進行GPS導航定位。導航軟件采用PDS2000。水下地形施測前應選取岸上至少一個D級GPS平面控制點對DGPS定位精度進行檢驗，達到精度要求方可用于水下定位測量，DGPS參考站架設引據控制點一般不應低于五等平面精度。

多波速系統的參數校正。

聲速剖面測量：聲速剖面測量采用SV Plus V2型聲速剖面儀，量測掃測區域水表面至河床底（最大水深）的溫度和聲速，形成聲速文件。

測線布設：主測線宜平行于等深線總方向或岸線，檢查線垂直于主測線方向且均勻布設，在重要航行地區，測線間距取有效掃寬的1/2，一般采用全覆蓋測量，測線間距不大于有效掃寬的4/5。在保證全覆蓋的前提下，測線部分地段超寬長度小于測線長度1/5的不需要補線。垂直于主測線方向均勻布設3條或3條以上檢查線，進行多波束測深檢查。

測深準備：探測距離（量程）足夠大，保證在測區最深區域仍可實現最大掃寬，又不宜太大以便獲得比例適當的屏幕監測效果。發射功率應足夠高，保證在全測區（或分區施測的某一區域整體）內都有足夠強的回波信號；發射功率又不宜太大，以抑制二次回波、擊穿海底等不良現象發生。接收增益宜取較低水平，以避免超飽和現象，并適當抑制噪聲，接收增益又不可太小，否則會丟失信號。

實測地形：測深過程中實時監測動態傳感器、定位及測深設備的運行狀態。姿態傳感器或測深設備發生故障必須立即停止作業；羅經持續10s故障應立即停止作業，定位數據持續20 s不正常停止作業，并合理補線。盡量避免急轉彎。測量結束后，應再次核對多波束測深系統的關鍵參數設置，及時將外業原始數據轉換至內業數據處理軟件包能使用的數據格式，交付內業數據處理用。測量結束后，現場核對，排除一切不確定因素。記簿人簽字后方可交內業使用。

3、數據處理

使用CARIS后處理軟件進行水深點的后處理，除去假水深，在CARIS軟件中錄入潮位信息，自動對水深數據進行水位改正。數據處理包括數據預處理和成圖兩個部分。預處理主要包括定位數據處理，聲速剖面數據處理，潮位數據處理，姿態數據處理，深度數據處理和數據編輯、去噪、合并、清項；成圖處理是對預處理后得到的水深數據進行網格化，生成數字地形模型（DTM），形成水下地形圖。由于最終提交成果是要BJ54坐標系和黃海高程。所以在數據處理時平面坐標轉換用七參數法，潮位數據采用黃海高程。合理安排驗潮位置保證測區內潮位值得最佳擬合。本次試驗河段落差比較大，采用縱向三個潮位站進行多潮位改正。

4、成果檢驗

評估多波束測深精度的一種有效方法是采用與主測線相交的檢查測線，用這種方法可以評估多波束本身以及各傳感器安裝、校準、水位改正、聲速改正等對測量結果的綜合影響。外業實施時，本次施工采用了多波束與單波束同步進行水下地形測量方式以驗收多波束測深成果質量，水深測量驗測精度統計見表，滿足規范及設計要求。

同一區域不同時段測量的水深彩色圖如圖1和圖2，對比兩次測量結果剖面圖如圖3，真實的反應出了河床在短時間內的微小變化。

圖1：南面第一次測量局部水深彩圖

圖2：南面第二次測量局部水深彩圖

圖3 南面兩次測量斷面對比圖

多波束測深系統數據后處理思考-誤差來源

多波束系統需由多傳感器協同進行水深測量，觀測值多，誤差來源也多，從參數測定的準確性，到工作環境的優劣，都會影響水深成果的質量。內部來源有設備的觀測精度、儀器的結構設計等；外部來源有風浪的影響、各種干擾信號等。

觀測誤差：橫搖觀測誤差、縱搖觀測誤差、起伏觀測誤差、航向觀測誤差、波束旅行時間誤差、聲速誤差等，一般以設備標稱精度來衡量，或通過設備率定確定。這些誤差屬偶然誤差，按誤差傳播律，最終反映在水深誤差和點位誤差中。多波束水深測量是一種動態的測量，各設備的觀測精度會受到現場環境條件的很大影響，尤其是有活動部件的觀測設備，環境條件差時，觀測精度會明顯下降，例如，風浪過大能引起涌浪濾波器測量值的嚴重失真。因此，系統應在各設備的限差范圍內工作，才能保證質量。

偏差測定誤差：多波束系統的偏差測定主要包括姿態傳感器、羅經偏差的靜態測定和多波束探頭綜合偏差的動態測定。另外，還有定位時延測定（動態測定）。顯然，靜態測定的精度較高，能以設備的標稱精度來衡量，但如若不進行此項改正，在一定條件下，也會造成水深誤差；綜合偏差是用波束進行目標測定，而每個波束都具有相當大的波束角，必須通過大量的觀測才可能達到所需精度。

起伏變化和搖擺變化的影響：多波束水深測量每Ping需接收很多波束，從接收第一個回波到最后一個回波，有一個時間差，在這一接收時段內，起伏和搖擺都會發生變化，可能影響水深及其點位歸算的準確性。以30米水深，單邊3倍水深寬度測量為例，邊緣波束和中央波束接收的時間差約為80毫秒。假定起伏變化為振幅0.50米，周期5秒的正弦曲線，則在80毫秒的接收時段內，起伏最大變化近5厘米；假定橫搖變化為振幅10°，周期5秒的正弦曲線，則在80毫秒的接收時段內，橫搖最大變化近1°，對邊緣波束水深的影響高達1.66米。搖擺變化不僅對水深產生影響，也對起伏的傾斜改正產生影響。起伏變化和搖擺變化應采用適當的模型，進行恰當的處理。

粗差處理應能準確識別和處理觀測值的粗差，否則將嚴重影響水下地形的真實性。水深觀測值的粗差主要通過相鄰波束和相鄰Ping的水深變化情況加以判別；姿態觀測值的粗差則要通過觀測值過程線變化來判斷。

計算誤差：主要是近似方法使用不得當，如聲線計算時，入射角和旅行時間步長過大，可能帶入較大的計算誤差，可以通過改進計算方法加以解決。

波束單元入射角觀測誤差：單波束水深測量是以波束腳印中，最快回波作為該波束的水深觀測值。如果多波束也采用同樣方式測量水深，則可能使水深出現很大誤差，對波束單元入射角大的波束尤甚。因此，多波束水深測量應當能測定波束腳印內的最淺點，確定其聲線和的波束單元入射角。在對水深敏感的淺水航行水域進行測量時，要嚴格控制作業環境的影響，要分析水深與設備參數設置之間的關系，確保多波束系統的探測能力。除了上述外，觀測值的時間同步問題、測量船的振動等都會影響水深的質量。

結束語

通過測前精確測定并校準安裝儀器偏差、過程中實時監控測深數據質量并及時采集姿態、聲速、潮汐等數據、測后對原始數據經行各項嚴密環境效應改正以及相關處理，得到該區域最終水深成果。潮汐改正精度內符合檢驗、條帶拼接狀況、河床二、三維地形圖等各項檢驗表明，多波束測量的高精度和高密度數據可以分辨水下地形地貌的細微結構和變化，這為那些對水深（地形）測量有較高要求的水下工程以及研究河床地形變化問題等提供了有力的手段。

（作者單位：長江重慶航運工程勘察設計院）

3、數據處理

使用CARIS后處理軟件進行水深點的后處理，除去假水深，在CARIS軟件中錄入潮位信息，自動對水深數據進行水位改正。數據處理包括數據預處理和成圖兩個部分。預處理主要包括定位數據處理，聲速剖面數據處理，潮位數據處理，姿態數據處理，深度數據處理和數據編輯、去噪、合并、清項；成圖處理是對預處理后得到的水深數據進行網格化，生成數字地形模型（DTM），形成水下地形圖。由于最終提交成果是要BJ54坐標系和黃海高程。所以在數據處理時平面坐標轉換用七參數法，潮位數據采用黃海高程。合理安排驗潮位置保證測區內潮位值得最佳擬合。本次試驗河段落差比較大，采用縱向三個潮位站進行多潮位改正。

4、成果檢驗

評估多波束測深精度的一種有效方法是采用與主測線相交的檢查測線，用這種方法可以評估多波束本身以及各傳感器安裝、校準、水位改正、聲速改正等對測量結果的綜合影響。外業實施時，本次施工采用了多波束與單波束同步進行水下地形測量方式以驗收多波束測深成果質量，水深測量驗測精度統計見表，滿足規范及設計要求。

同一區域不同時段測量的水深彩色圖如圖1和圖2，對比兩次測量結果剖面圖如圖3，真實的反應出了河床在短時間內的微小變化。

圖1：南面第一次測量局部水深彩圖

圖2：南面第二次測量局部水深彩圖

圖3 南面兩次測量斷面對比圖

多波束測深系統數據后處理思考-誤差來源

多波束系統需由多傳感器協同進行水深測量，觀測值多，誤差來源也多，從參數測定的準確性，到工作環境的優劣，都會影響水深成果的質量。內部來源有設備的觀測精度、儀器的結構設計等；外部來源有風浪的影響、各種干擾信號等。

觀測誤差：橫搖觀測誤差、縱搖觀測誤差、起伏觀測誤差、航向觀測誤差、波束旅行時間誤差、聲速誤差等，一般以設備標稱精度來衡量，或通過設備率定確定。這些誤差屬偶然誤差，按誤差傳播律，最終反映在水深誤差和點位誤差中。多波束水深測量是一種動態的測量，各設備的觀測精度會受到現場環境條件的很大影響，尤其是有活動部件的觀測設備，環境條件差時，觀測精度會明顯下降，例如，風浪過大能引起涌浪濾波器測量值的嚴重失真。因此，系統應在各設備的限差范圍內工作，才能保證質量。

偏差測定誤差：多波束系統的偏差測定主要包括姿態傳感器、羅經偏差的靜態測定和多波束探頭綜合偏差的動態測定。另外，還有定位時延測定（動態測定）。顯然，靜態測定的精度較高，能以設備的標稱精度來衡量，但如若不進行此項改正，在一定條件下，也會造成水深誤差；綜合偏差是用波束進行目標測定，而每個波束都具有相當大的波束角，必須通過大量的觀測才可能達到所需精度。

起伏變化和搖擺變化的影響：多波束水深測量每Ping需接收很多波束，從接收第一個回波到最后一個回波，有一個時間差，在這一接收時段內，起伏和搖擺都會發生變化，可能影響水深及其點位歸算的準確性。以30米水深，單邊3倍水深寬度測量為例，邊緣波束和中央波束接收的時間差約為80毫秒。假定起伏變化為振幅0.50米，周期5秒的正弦曲線，則在80毫秒的接收時段內，起伏最大變化近5厘米；假定橫搖變化為振幅10°，周期5秒的正弦曲線，則在80毫秒的接收時段內，橫搖最大變化近1°，對邊緣波束水深的影響高達1.66米。搖擺變化不僅對水深產生影響，也對起伏的傾斜改正產生影響。起伏變化和搖擺變化應采用適當的模型，進行恰當的處理。

粗差處理應能準確識別和處理觀測值的粗差，否則將嚴重影響水下地形的真實性。水深觀測值的粗差主要通過相鄰波束和相鄰Ping的水深變化情況加以判別；姿態觀測值的粗差則要通過觀測值過程線變化來判斷。

計算誤差：主要是近似方法使用不得當，如聲線計算時，入射角和旅行時間步長過大，可能帶入較大的計算誤差，可以通過改進計算方法加以解決。

波束單元入射角觀測誤差：單波束水深測量是以波束腳印中，最快回波作為該波束的水深觀測值。如果多波束也采用同樣方式測量水深，則可能使水深出現很大誤差，對波束單元入射角大的波束尤甚。因此，多波束水深測量應當能測定波束腳印內的最淺點，確定其聲線和的波束單元入射角。在對水深敏感的淺水航行水域進行測量時，要嚴格控制作業環境的影響，要分析水深與設備參數設置之間的關系，確保多波束系統的探測能力。除了上述外，觀測值的時間同步問題、測量船的振動等都會影響水深的質量。

結束語

通過測前精確測定并校準安裝儀器偏差、過程中實時監控測深數據質量并及時采集姿態、聲速、潮汐等數據、測后對原始數據經行各項嚴密環境效應改正以及相關處理，得到該區域最終水深成果。潮汐改正精度內符合檢驗、條帶拼接狀況、河床二、三維地形圖等各項檢驗表明，多波束測量的高精度和高密度數據可以分辨水下地形地貌的細微結構和變化，這為那些對水深（地形）測量有較高要求的水下工程以及研究河床地形變化問題等提供了有力的手段。

（作者單位：長江重慶航運工程勘察設計院）

3、數據處理

使用CARIS后處理軟件進行水深點的后處理，除去假水深，在CARIS軟件中錄入潮位信息，自動對水深數據進行水位改正。數據處理包括數據預處理和成圖兩個部分。預處理主要包括定位數據處理，聲速剖面數據處理，潮位數據處理，姿態數據處理，深度數據處理和數據編輯、去噪、合并、清項；成圖處理是對預處理后得到的水深數據進行網格化，生成數字地形模型（DTM），形成水下地形圖。由于最終提交成果是要BJ54坐標系和黃海高程。所以在數據處理時平面坐標轉換用七參數法，潮位數據采用黃海高程。合理安排驗潮位置保證測區內潮位值得最佳擬合。本次試驗河段落差比較大，采用縱向三個潮位站進行多潮位改正。

4、成果檢驗

評估多波束測深精度的一種有效方法是采用與主測線相交的檢查測線，用這種方法可以評估多波束本身以及各傳感器安裝、校準、水位改正、聲速改正等對測量結果的綜合影響。外業實施時，本次施工采用了多波束與單波束同步進行水下地形測量方式以驗收多波束測深成果質量，水深測量驗測精度統計見表，滿足規范及設計要求。

同一區域不同時段測量的水深彩色圖如圖1和圖2，對比兩次測量結果剖面圖如圖3，真實的反應出了河床在短時間內的微小變化。

圖1：南面第一次測量局部水深彩圖

圖2：南面第二次測量局部水深彩圖

圖3 南面兩次測量斷面對比圖

多波束測深系統數據后處理思考-誤差來源

多波束系統需由多傳感器協同進行水深測量，觀測值多，誤差來源也多，從參數測定的準確性，到工作環境的優劣，都會影響水深成果的質量。內部來源有設備的觀測精度、儀器的結構設計等；外部來源有風浪的影響、各種干擾信號等。

觀測誤差：橫搖觀測誤差、縱搖觀測誤差、起伏觀測誤差、航向觀測誤差、波束旅行時間誤差、聲速誤差等，一般以設備標稱精度來衡量，或通過設備率定確定。這些誤差屬偶然誤差，按誤差傳播律，最終反映在水深誤差和點位誤差中。多波束水深測量是一種動態的測量，各設備的觀測精度會受到現場環境條件的很大影響，尤其是有活動部件的觀測設備，環境條件差時，觀測精度會明顯下降，例如，風浪過大能引起涌浪濾波器測量值的嚴重失真。因此，系統應在各設備的限差范圍內工作，才能保證質量。

偏差測定誤差：多波束系統的偏差測定主要包括姿態傳感器、羅經偏差的靜態測定和多波束探頭綜合偏差的動態測定。另外，還有定位時延測定（動態測定）。顯然，靜態測定的精度較高，能以設備的標稱精度來衡量，但如若不進行此項改正，在一定條件下，也會造成水深誤差；綜合偏差是用波束進行目標測定，而每個波束都具有相當大的波束角，必須通過大量的觀測才可能達到所需精度。

起伏變化和搖擺變化的影響：多波束水深測量每Ping需接收很多波束，從接收第一個回波到最后一個回波，有一個時間差，在這一接收時段內，起伏和搖擺都會發生變化，可能影響水深及其點位歸算的準確性。以30米水深，單邊3倍水深寬度測量為例，邊緣波束和中央波束接收的時間差約為80毫秒。假定起伏變化為振幅0.50米，周期5秒的正弦曲線，則在80毫秒的接收時段內，起伏最大變化近5厘米；假定橫搖變化為振幅10°，周期5秒的正弦曲線，則在80毫秒的接收時段內，橫搖最大變化近1°，對邊緣波束水深的影響高達1.66米。搖擺變化不僅對水深產生影響，也對起伏的傾斜改正產生影響。起伏變化和搖擺變化應采用適當的模型，進行恰當的處理。

粗差處理應能準確識別和處理觀測值的粗差，否則將嚴重影響水下地形的真實性。水深觀測值的粗差主要通過相鄰波束和相鄰Ping的水深變化情況加以判別；姿態觀測值的粗差則要通過觀測值過程線變化來判斷。

計算誤差：主要是近似方法使用不得當，如聲線計算時，入射角和旅行時間步長過大，可能帶入較大的計算誤差，可以通過改進計算方法加以解決。

波束單元入射角觀測誤差：單波束水深測量是以波束腳印中，最快回波作為該波束的水深觀測值。如果多波束也采用同樣方式測量水深，則可能使水深出現很大誤差，對波束單元入射角大的波束尤甚。因此，多波束水深測量應當能測定波束腳印內的最淺點，確定其聲線和的波束單元入射角。在對水深敏感的淺水航行水域進行測量時，要嚴格控制作業環境的影響，要分析水深與設備參數設置之間的關系，確保多波束系統的探測能力。除了上述外，觀測值的時間同步問題、測量船的振動等都會影響水深的質量。

結束語

通過測前精確測定并校準安裝儀器偏差、過程中實時監控測深數據質量并及時采集姿態、聲速、潮汐等數據、測后對原始數據經行各項嚴密環境效應改正以及相關處理，得到該區域最終水深成果。潮汐改正精度內符合檢驗、條帶拼接狀況、河床二、三維地形圖等各項檢驗表明，多波束測量的高精度和高密度數據可以分辨水下地形地貌的細微結構和變化，這為那些對水深（地形）測量有較高要求的水下工程以及研究河床地形變化問題等提供了有力的手段。

（作者單位：長江重慶航運工程勘察設計院）