多波束測(cè)深系統(tǒng)在內(nèi)河航道測(cè)量中的運(yùn)用

張從奎+蔣方強(qiáng)+陳宏乾

摘 要：在三角磧河段卵石沙波運(yùn)動(dòng)觀測(cè)中，用SEABAT 8101多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)一段航道試驗(yàn)段做了2次重復(fù)水深測(cè)量，目的是研究在短時(shí)間內(nèi)河床卵石沙波微小變化。討論了多波束系統(tǒng)的安裝校準(zhǔn)及質(zhì)量控制問題；分析了測(cè)量中的主要誤差源。通過對(duì)測(cè)量結(jié)果的分析表明，多波束測(cè)量的水深數(shù)據(jù)在反映水下微地形和分析局部沉積物運(yùn)移趨勢(shì)中，具有傳統(tǒng)單波束測(cè)深不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：多波束 水下掃描 誤差來源

多波束測(cè)深系統(tǒng)簡(jiǎn)介

多波束測(cè)深是水聲技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)和數(shù)字化傳感器技術(shù)等多種技術(shù)的高度集成，最常使用在海洋環(huán)境中，多波束測(cè)深系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)單波束以點(diǎn)為基礎(chǔ)的離散式的作業(yè)模式，而代之以空間面為基礎(chǔ)的立體式作業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)了立體測(cè)圖、智能處理以及自動(dòng)化成圖。其工作原理是通過換能器陣進(jìn)行聲波廣角度定向發(fā)射、接收，運(yùn)用各種傳感器（衛(wèi)星定位系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)傳感器、電羅經(jīng)、聲速剖面儀等）對(duì)各個(gè)波束測(cè)點(diǎn)的空間位置進(jìn)行歸算，從而獲取與航向垂直的條帶式高密度水深數(shù)據(jù)。

與傳統(tǒng)的單波束測(cè)深技術(shù)相比較，多波束測(cè)深系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)明顯。①多波束系統(tǒng)采用了全覆蓋的測(cè)量方式，采集的數(shù)據(jù)全面，能真實(shí)的反映河床地形；②多波束系統(tǒng)同步記錄船體姿態(tài)信息，起伏、縱搖、橫搖、航向等，由后處理軟件對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校正，使測(cè)量結(jié)果受外界不利因素影響減小到最低限度；③多波束系統(tǒng)后處理軟件功能強(qiáng)大，能對(duì)測(cè)量資料進(jìn)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(shí)還能對(duì)同一測(cè)區(qū)不同測(cè)次進(jìn)行比較以及土方計(jì)算等，極大地提高了工作效率；④多波束系統(tǒng)應(yīng)用的采集軟件具有實(shí)時(shí)成像功能，可以直觀地看到水下的地形起伏，以及護(hù)岸工程的效果，便于指揮決策和重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，利用軟件的回放功能，不僅在現(xiàn)場(chǎng)而且在室內(nèi)也能演示；⑤多波束系統(tǒng)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(cè)量要求。

與常規(guī)多波束系統(tǒng)不同，SEA BAT 8101 采用特殊的波束形成方法，即在發(fā)射和接收時(shí)，系統(tǒng)均產(chǎn)生完全經(jīng)過橫搖校正的波束，此項(xiàng)技術(shù)被稱為旋轉(zhuǎn)定向發(fā)射（RDT），其優(yōu)點(diǎn)為：在發(fā)射和接收時(shí)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(jí)高、系統(tǒng)的安裝應(yīng)用非常方便靈活、旁瓣抑制好于36dB、錯(cuò)誤率低。而常規(guī)多波束在發(fā)射脈沖時(shí)將聲波照射到某一區(qū)域，僅在接收時(shí)產(chǎn)生波束形成。

多波束系統(tǒng)的安裝

SEABAT 8101 系統(tǒng)由GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)、多波束換能器（探頭）、光纖羅經(jīng)和運(yùn)動(dòng)傳感器、聲速剖面儀、水深數(shù)據(jù)采集處理器、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)和處理軟件構(gòu)成。各部分之間通過專用數(shù)據(jù)線連接，固定安裝在測(cè)量船上。結(jié)合我院現(xiàn)有設(shè)備安裝如下：SEABAT 8101多波束測(cè)深系統(tǒng)一套，安裝于“渝工測(cè)201”上，考慮到測(cè)量船的大小（26*6m）和結(jié)構(gòu)以及測(cè)量環(huán)境（內(nèi)河），換能器采用船舷（右舷）固定安裝并可拆卸。安裝時(shí)要注意固定好，為避免換能器產(chǎn)生抖動(dòng)、下沉，換能器與測(cè)量船用一根3m長(zhǎng)φ200*5mm不銹鋼鋼管連接。OCTANS（光纖羅經(jīng)和運(yùn)動(dòng)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(shí)考慮到運(yùn)動(dòng)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(jī)天線應(yīng)安裝在船舶高處（低于避雷針），視場(chǎng)內(nèi)障礙物的高度角不能超過10°；盡可能遠(yuǎn)離船舶主桅桿；盡量遠(yuǎn)離大功率的無線電發(fā)射信號(hào)源（如雷達(dá)、高頻電話天線等）；天線安裝要穩(wěn)固，避免船舶姿態(tài)變化使其產(chǎn)生位移；天線位置應(yīng)選擇遠(yuǎn)離船體大型金屬物體結(jié)構(gòu)，距甲板高度為6.2m，盡可能減少信號(hào)多路徑效應(yīng)。

多波束系統(tǒng)的參數(shù)校正應(yīng)在水下掃測(cè)之前或掃測(cè)結(jié)束后立即開展，以保證系統(tǒng)校正與掃測(cè)時(shí)多波束系統(tǒng)各儀器狀態(tài)一致。多波束系統(tǒng)校正計(jì)算應(yīng)在校正操作現(xiàn)場(chǎng)完成并做好校正參數(shù)記錄，多波束系統(tǒng)校正方法及要求見下表。

實(shí)例工程運(yùn)用：三角磧河段卵石沙波運(yùn)動(dòng)觀測(cè)

1、項(xiàng)目背景

在三角磧水域選取兩塊面積為0.25平方公里的區(qū)域（南面，北面各一塊），在一天時(shí)間內(nèi)各測(cè)量?jī)纱危〞r(shí)間間隔在5～6小時(shí)），利用多波束的高密度點(diǎn)來反應(yīng)卵石沙波的微小運(yùn)動(dòng)。

2、技術(shù)實(shí)施

儀器選用：該系統(tǒng)導(dǎo)航定位采用Trimble R8型GPS，利用其實(shí)時(shí)載波相位差分技術(shù)進(jìn)行GPS導(dǎo)航定位。導(dǎo)航軟件采用PDS2000。水下地形施測(cè)前應(yīng)選取岸上至少一個(gè)D級(jí)GPS平面控制點(diǎn)對(duì)DGPS定位精度進(jìn)行檢驗(yàn)，達(dá)到精度要求方可用于水下定位測(cè)量，DGPS參考站架設(shè)引據(jù)控制點(diǎn)一般不應(yīng)低于五等平面精度。

多波速系統(tǒng)的參數(shù)校正。

聲速剖面測(cè)量：聲速剖面測(cè)量采用SV Plus V2型聲速剖面儀，量測(cè)掃測(cè)區(qū)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(cè)線布設(shè)：主測(cè)線宜平行于等深線總方向或岸線，檢查線垂直于主測(cè)線方向且均勻布設(shè)，在重要航行地區(qū)，測(cè)線間距取有效掃寬的1/2，一般采用全覆蓋測(cè)量，測(cè)線間距不大于有效掃寬的4/5。在保證全覆蓋的前提下，測(cè)線部分地段超寬長(zhǎng)度小于測(cè)線長(zhǎng)度1/5的不需要補(bǔ)線。垂直于主測(cè)線方向均勻布設(shè)3條或3條以上檢查線，進(jìn)行多波束測(cè)深檢查。

測(cè)深準(zhǔn)備：探測(cè)距離（量程）足夠大，保證在測(cè)區(qū)最深區(qū)域仍可實(shí)現(xiàn)最大掃寬，又不宜太大以便獲得比例適當(dāng)?shù)钠聊槐O(jiān)測(cè)效果。發(fā)射功率應(yīng)足夠高，保證在全測(cè)區(qū)（或分區(qū)施測(cè)的某一區(qū)域整體）內(nèi)都有足夠強(qiáng)的回波信號(hào)；發(fā)射功率又不宜太大，以抑制二次回波、擊穿海底等不良現(xiàn)象發(fā)生。接收增益宜取較低水平，以避免超飽和現(xiàn)象，并適當(dāng)抑制噪聲，接收增益又不可太小，否則會(huì)丟失信號(hào)。

實(shí)測(cè)地形：測(cè)深過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)傳感器、定位及測(cè)深設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。姿態(tài)傳感器或測(cè)深設(shè)備發(fā)生故障必須立即停止作業(yè)；羅經(jīng)持續(xù)10s故障應(yīng)立即停止作業(yè)，定位數(shù)據(jù)持續(xù)20 s不正常停止作業(yè)，并合理補(bǔ)線。盡量避免急轉(zhuǎn)彎。測(cè)量結(jié)束后，應(yīng)再次核對(duì)多波束測(cè)深系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置，及時(shí)將外業(yè)原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件包能使用的數(shù)據(jù)格式，交付內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理用。測(cè)量結(jié)束后，現(xiàn)場(chǎng)核對(duì)，排除一切不確定因素。記簿人簽字后方可交內(nèi)業(yè)使用。

3、數(shù)據(jù)處理

使用CARIS后處理軟件進(jìn)行水深點(diǎn)的后處理，除去假水深，在CARIS軟件中錄入潮位信息，自動(dòng)對(duì)水深數(shù)據(jù)進(jìn)行水位改正。數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)預(yù)處理和成圖兩個(gè)部分。預(yù)處理主要包括定位數(shù)據(jù)處理，聲速剖面數(shù)據(jù)處理，潮位數(shù)據(jù)處理，姿態(tài)數(shù)據(jù)處理，深度數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)編輯、去噪、合并、清項(xiàng)；成圖處理是對(duì)預(yù)處理后得到的水深數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化，生成數(shù)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(biāo)系和黃海高程。所以在數(shù)據(jù)處理時(shí)平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換用七參數(shù)法，潮位數(shù)據(jù)采用黃海高程。合理安排驗(yàn)潮位置保證測(cè)區(qū)內(nèi)潮位值得最佳擬合。本次試驗(yàn)河段落差比較大，采用縱向三個(gè)潮位站進(jìn)行多潮位改正。

4、成果檢驗(yàn)

評(píng)估多波束測(cè)深精度的一種有效方法是采用與主測(cè)線相交的檢查測(cè)線，用這種方法可以評(píng)估多波束本身以及各傳感器安裝、校準(zhǔn)、水位改正、聲速改正等對(duì)測(cè)量結(jié)果的綜合影響。外業(yè)實(shí)施時(shí)，本次施工采用了多波束與單波束同步進(jìn)行水下地形測(cè)量方式以驗(yàn)收多波束測(cè)深成果質(zhì)量，水深測(cè)量驗(yàn)測(cè)精度統(tǒng)計(jì)見表，滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

同一區(qū)域不同時(shí)段測(cè)量的水深彩色圖如圖1和圖2，對(duì)比兩次測(cè)量結(jié)果剖面圖如圖3，真實(shí)的反應(yīng)出了河床在短時(shí)間內(nèi)的微小變化。

圖1：南面第一次測(cè)量局部水深彩圖

圖2：南面第二次測(cè)量局部水深彩圖

圖3 南面兩次測(cè)量斷面對(duì)比圖

多波束測(cè)深系統(tǒng)數(shù)據(jù)后處理思考-誤差來源

多波束系統(tǒng)需由多傳感器協(xié)同進(jìn)行水深測(cè)量，觀測(cè)值多，誤差來源也多，從參數(shù)測(cè)定的準(zhǔn)確性，到工作環(huán)境的優(yōu)劣，都會(huì)影響水深成果的質(zhì)量。內(nèi)部來源有設(shè)備的觀測(cè)精度、儀器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等；外部來源有風(fēng)浪的影響、各種干擾信號(hào)等。

觀測(cè)誤差：橫搖觀測(cè)誤差、縱搖觀測(cè)誤差、起伏觀測(cè)誤差、航向觀測(cè)誤差、波束旅行時(shí)間誤差、聲速誤差等，一般以設(shè)備標(biāo)稱精度來衡量，或通過設(shè)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(diǎn)位誤差中。多波束水深測(cè)量是一種動(dòng)態(tài)的測(cè)量，各設(shè)備的觀測(cè)精度會(huì)受到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件的很大影響，尤其是有活動(dòng)部件的觀測(cè)設(shè)備，環(huán)境條件差時(shí)，觀測(cè)精度會(huì)明顯下降，例如，風(fēng)浪過大能引起涌浪濾波器測(cè)量值的嚴(yán)重失真。因此，系統(tǒng)應(yīng)在各設(shè)備的限差范圍內(nèi)工作，才能保證質(zhì)量。

偏差測(cè)定誤差：多波束系統(tǒng)的偏差測(cè)定主要包括姿態(tài)傳感器、羅經(jīng)偏差的靜態(tài)測(cè)定和多波束探頭綜合偏差的動(dòng)態(tài)測(cè)定。另外，還有定位時(shí)延測(cè)定（動(dòng)態(tài)測(cè)定）。顯然，靜態(tài)測(cè)定的精度較高，能以設(shè)備的標(biāo)稱精度來衡量，但如若不進(jìn)行此項(xiàng)改正，在一定條件下，也會(huì)造成水深誤差；綜合偏差是用波束進(jìn)行目標(biāo)測(cè)定，而每個(gè)波束都具有相當(dāng)大的波束角，必須通過大量的觀測(cè)才可能達(dá)到所需精度。

起伏變化和搖擺變化的影響：多波束水深測(cè)量每Ping需接收很多波束，從接收第一個(gè)回波到最后一個(gè)回波，有一個(gè)時(shí)間差，在這一接收時(shí)段內(nèi)，起伏和搖擺都會(huì)發(fā)生變化，可能影響水深及其點(diǎn)位歸算的準(zhǔn)確性。以30米水深，單邊3倍水深寬度測(cè)量為例，邊緣波束和中央波束接收的時(shí)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(shí)段內(nèi)，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(shí)段內(nèi)，橫搖最大變化近1°，對(duì)邊緣波束水深的影響高達(dá)1.66米。搖擺變化不僅對(duì)水深產(chǎn)生影響，也對(duì)起伏的傾斜改正產(chǎn)生影響。起伏變化和搖擺變化應(yīng)采用適當(dāng)?shù)哪Ｐ停M(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚怼?/p>

粗差處理應(yīng)能準(zhǔn)確識(shí)別和處理觀測(cè)值的粗差，否則將嚴(yán)重影響水下地形的真實(shí)性。水深觀測(cè)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(tài)觀測(cè)值的粗差則要通過觀測(cè)值過程線變化來判斷。

計(jì)算誤差：主要是近似方法使用不得當(dāng)，如聲線計(jì)算時(shí)，入射角和旅行時(shí)間步長(zhǎng)過大，可能帶入較大的計(jì)算誤差，可以通過改進(jìn)計(jì)算方法加以解決。

波束單元入射角觀測(cè)誤差：?jiǎn)尾ㄊ顪y(cè)量是以波束腳印中，最快回波作為該波束的水深觀測(cè)值。如果多波束也采用同樣方式測(cè)量水深，則可能使水深出現(xiàn)很大誤差，對(duì)波束單元入射角大的波束尤甚。因此，多波束水深測(cè)量應(yīng)當(dāng)能測(cè)定波束腳印內(nèi)的最淺點(diǎn)，確定其聲線和的波束單元入射角。在對(duì)水深敏感的淺水航行水域進(jìn)行測(cè)量時(shí)，要嚴(yán)格控制作業(yè)環(huán)境的影響，要分析水深與設(shè)備參數(shù)設(shè)置之間的關(guān)系，確保多波束系統(tǒng)的探測(cè)能力。除了上述外，觀測(cè)值的時(shí)間同步問題、測(cè)量船的振動(dòng)等都會(huì)影響水深的質(zhì)量。

結(jié)束語

通過測(cè)前精確測(cè)定并校準(zhǔn)安裝儀器偏差、過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)深數(shù)據(jù)質(zhì)量并及時(shí)采集姿態(tài)、聲速、潮汐等數(shù)據(jù)、測(cè)后對(duì)原始數(shù)據(jù)經(jīng)行各項(xiàng)嚴(yán)密環(huán)境效應(yīng)改正以及相關(guān)處理，得到該區(qū)域最終水深成果。潮汐改正精度內(nèi)符合檢驗(yàn)、條帶拼接狀況、河床二、三維地形圖等各項(xiàng)檢驗(yàn)表明，多波束測(cè)量的高精度和高密度數(shù)據(jù)可以分辨水下地形地貌的細(xì)微結(jié)構(gòu)和變化，這為那些對(duì)水深（地形）測(cè)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(zhǎng)江重慶航運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院）

3、數(shù)據(jù)處理

使用CARIS后處理軟件進(jìn)行水深點(diǎn)的后處理，除去假水深，在CARIS軟件中錄入潮位信息，自動(dòng)對(duì)水深數(shù)據(jù)進(jìn)行水位改正。數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)預(yù)處理和成圖兩個(gè)部分。預(yù)處理主要包括定位數(shù)據(jù)處理，聲速剖面數(shù)據(jù)處理，潮位數(shù)據(jù)處理，姿態(tài)數(shù)據(jù)處理，深度數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)編輯、去噪、合并、清項(xiàng)；成圖處理是對(duì)預(yù)處理后得到的水深數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化，生成數(shù)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(biāo)系和黃海高程。所以在數(shù)據(jù)處理時(shí)平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換用七參數(shù)法，潮位數(shù)據(jù)采用黃海高程。合理安排驗(yàn)潮位置保證測(cè)區(qū)內(nèi)潮位值得最佳擬合。本次試驗(yàn)河段落差比較大，采用縱向三個(gè)潮位站進(jìn)行多潮位改正。

4、成果檢驗(yàn)

評(píng)估多波束測(cè)深精度的一種有效方法是采用與主測(cè)線相交的檢查測(cè)線，用這種方法可以評(píng)估多波束本身以及各傳感器安裝、校準(zhǔn)、水位改正、聲速改正等對(duì)測(cè)量結(jié)果的綜合影響。外業(yè)實(shí)施時(shí)，本次施工采用了多波束與單波束同步進(jìn)行水下地形測(cè)量方式以驗(yàn)收多波束測(cè)深成果質(zhì)量，水深測(cè)量驗(yàn)測(cè)精度統(tǒng)計(jì)見表，滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

同一區(qū)域不同時(shí)段測(cè)量的水深彩色圖如圖1和圖2，對(duì)比兩次測(cè)量結(jié)果剖面圖如圖3，真實(shí)的反應(yīng)出了河床在短時(shí)間內(nèi)的微小變化。

圖1：南面第一次測(cè)量局部水深彩圖

圖2：南面第二次測(cè)量局部水深彩圖

圖3 南面兩次測(cè)量斷面對(duì)比圖

多波束測(cè)深系統(tǒng)數(shù)據(jù)后處理思考-誤差來源

多波束系統(tǒng)需由多傳感器協(xié)同進(jìn)行水深測(cè)量，觀測(cè)值多，誤差來源也多，從參數(shù)測(cè)定的準(zhǔn)確性，到工作環(huán)境的優(yōu)劣，都會(huì)影響水深成果的質(zhì)量。內(nèi)部來源有設(shè)備的觀測(cè)精度、儀器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等；外部來源有風(fēng)浪的影響、各種干擾信號(hào)等。

觀測(cè)誤差：橫搖觀測(cè)誤差、縱搖觀測(cè)誤差、起伏觀測(cè)誤差、航向觀測(cè)誤差、波束旅行時(shí)間誤差、聲速誤差等，一般以設(shè)備標(biāo)稱精度來衡量，或通過設(shè)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(diǎn)位誤差中。多波束水深測(cè)量是一種動(dòng)態(tài)的測(cè)量，各設(shè)備的觀測(cè)精度會(huì)受到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件的很大影響，尤其是有活動(dòng)部件的觀測(cè)設(shè)備，環(huán)境條件差時(shí)，觀測(cè)精度會(huì)明顯下降，例如，風(fēng)浪過大能引起涌浪濾波器測(cè)量值的嚴(yán)重失真。因此，系統(tǒng)應(yīng)在各設(shè)備的限差范圍內(nèi)工作，才能保證質(zhì)量。

偏差測(cè)定誤差：多波束系統(tǒng)的偏差測(cè)定主要包括姿態(tài)傳感器、羅經(jīng)偏差的靜態(tài)測(cè)定和多波束探頭綜合偏差的動(dòng)態(tài)測(cè)定。另外，還有定位時(shí)延測(cè)定（動(dòng)態(tài)測(cè)定）。顯然，靜態(tài)測(cè)定的精度較高，能以設(shè)備的標(biāo)稱精度來衡量，但如若不進(jìn)行此項(xiàng)改正，在一定條件下，也會(huì)造成水深誤差；綜合偏差是用波束進(jìn)行目標(biāo)測(cè)定，而每個(gè)波束都具有相當(dāng)大的波束角，必須通過大量的觀測(cè)才可能達(dá)到所需精度。

起伏變化和搖擺變化的影響：多波束水深測(cè)量每Ping需接收很多波束，從接收第一個(gè)回波到最后一個(gè)回波，有一個(gè)時(shí)間差，在這一接收時(shí)段內(nèi)，起伏和搖擺都會(huì)發(fā)生變化，可能影響水深及其點(diǎn)位歸算的準(zhǔn)確性。以30米水深，單邊3倍水深寬度測(cè)量為例，邊緣波束和中央波束接收的時(shí)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(shí)段內(nèi)，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(shí)段內(nèi)，橫搖最大變化近1°，對(duì)邊緣波束水深的影響高達(dá)1.66米。搖擺變化不僅對(duì)水深產(chǎn)生影響，也對(duì)起伏的傾斜改正產(chǎn)生影響。起伏變化和搖擺變化應(yīng)采用適當(dāng)?shù)哪Ｐ停M(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚怼?/p>

粗差處理應(yīng)能準(zhǔn)確識(shí)別和處理觀測(cè)值的粗差，否則將嚴(yán)重影響水下地形的真實(shí)性。水深觀測(cè)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(tài)觀測(cè)值的粗差則要通過觀測(cè)值過程線變化來判斷。

計(jì)算誤差：主要是近似方法使用不得當(dāng)，如聲線計(jì)算時(shí)，入射角和旅行時(shí)間步長(zhǎng)過大，可能帶入較大的計(jì)算誤差，可以通過改進(jìn)計(jì)算方法加以解決。

波束單元入射角觀測(cè)誤差：?jiǎn)尾ㄊ顪y(cè)量是以波束腳印中，最快回波作為該波束的水深觀測(cè)值。如果多波束也采用同樣方式測(cè)量水深，則可能使水深出現(xiàn)很大誤差，對(duì)波束單元入射角大的波束尤甚。因此，多波束水深測(cè)量應(yīng)當(dāng)能測(cè)定波束腳印內(nèi)的最淺點(diǎn)，確定其聲線和的波束單元入射角。在對(duì)水深敏感的淺水航行水域進(jìn)行測(cè)量時(shí)，要嚴(yán)格控制作業(yè)環(huán)境的影響，要分析水深與設(shè)備參數(shù)設(shè)置之間的關(guān)系，確保多波束系統(tǒng)的探測(cè)能力。除了上述外，觀測(cè)值的時(shí)間同步問題、測(cè)量船的振動(dòng)等都會(huì)影響水深的質(zhì)量。

結(jié)束語

通過測(cè)前精確測(cè)定并校準(zhǔn)安裝儀器偏差、過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)深數(shù)據(jù)質(zhì)量并及時(shí)采集姿態(tài)、聲速、潮汐等數(shù)據(jù)、測(cè)后對(duì)原始數(shù)據(jù)經(jīng)行各項(xiàng)嚴(yán)密環(huán)境效應(yīng)改正以及相關(guān)處理，得到該區(qū)域最終水深成果。潮汐改正精度內(nèi)符合檢驗(yàn)、條帶拼接狀況、河床二、三維地形圖等各項(xiàng)檢驗(yàn)表明，多波束測(cè)量的高精度和高密度數(shù)據(jù)可以分辨水下地形地貌的細(xì)微結(jié)構(gòu)和變化，這為那些對(duì)水深（地形）測(cè)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(zhǎng)江重慶航運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院）

3、數(shù)據(jù)處理

使用CARIS后處理軟件進(jìn)行水深點(diǎn)的后處理，除去假水深，在CARIS軟件中錄入潮位信息，自動(dòng)對(duì)水深數(shù)據(jù)進(jìn)行水位改正。數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)預(yù)處理和成圖兩個(gè)部分。預(yù)處理主要包括定位數(shù)據(jù)處理，聲速剖面數(shù)據(jù)處理，潮位數(shù)據(jù)處理，姿態(tài)數(shù)據(jù)處理，深度數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)編輯、去噪、合并、清項(xiàng)；成圖處理是對(duì)預(yù)處理后得到的水深數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化，生成數(shù)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(biāo)系和黃海高程。所以在數(shù)據(jù)處理時(shí)平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換用七參數(shù)法，潮位數(shù)據(jù)采用黃海高程。合理安排驗(yàn)潮位置保證測(cè)區(qū)內(nèi)潮位值得最佳擬合。本次試驗(yàn)河段落差比較大，采用縱向三個(gè)潮位站進(jìn)行多潮位改正。

4、成果檢驗(yàn)

評(píng)估多波束測(cè)深精度的一種有效方法是采用與主測(cè)線相交的檢查測(cè)線，用這種方法可以評(píng)估多波束本身以及各傳感器安裝、校準(zhǔn)、水位改正、聲速改正等對(duì)測(cè)量結(jié)果的綜合影響。外業(yè)實(shí)施時(shí)，本次施工采用了多波束與單波束同步進(jìn)行水下地形測(cè)量方式以驗(yàn)收多波束測(cè)深成果質(zhì)量，水深測(cè)量驗(yàn)測(cè)精度統(tǒng)計(jì)見表，滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

同一區(qū)域不同時(shí)段測(cè)量的水深彩色圖如圖1和圖2，對(duì)比兩次測(cè)量結(jié)果剖面圖如圖3，真實(shí)的反應(yīng)出了河床在短時(shí)間內(nèi)的微小變化。

圖1：南面第一次測(cè)量局部水深彩圖

圖2：南面第二次測(cè)量局部水深彩圖

圖3 南面兩次測(cè)量斷面對(duì)比圖

多波束測(cè)深系統(tǒng)數(shù)據(jù)后處理思考-誤差來源

多波束系統(tǒng)需由多傳感器協(xié)同進(jìn)行水深測(cè)量，觀測(cè)值多，誤差來源也多，從參數(shù)測(cè)定的準(zhǔn)確性，到工作環(huán)境的優(yōu)劣，都會(huì)影響水深成果的質(zhì)量。內(nèi)部來源有設(shè)備的觀測(cè)精度、儀器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等；外部來源有風(fēng)浪的影響、各種干擾信號(hào)等。

觀測(cè)誤差：橫搖觀測(cè)誤差、縱搖觀測(cè)誤差、起伏觀測(cè)誤差、航向觀測(cè)誤差、波束旅行時(shí)間誤差、聲速誤差等，一般以設(shè)備標(biāo)稱精度來衡量，或通過設(shè)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(diǎn)位誤差中。多波束水深測(cè)量是一種動(dòng)態(tài)的測(cè)量，各設(shè)備的觀測(cè)精度會(huì)受到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件的很大影響，尤其是有活動(dòng)部件的觀測(cè)設(shè)備，環(huán)境條件差時(shí)，觀測(cè)精度會(huì)明顯下降，例如，風(fēng)浪過大能引起涌浪濾波器測(cè)量值的嚴(yán)重失真。因此，系統(tǒng)應(yīng)在各設(shè)備的限差范圍內(nèi)工作，才能保證質(zhì)量。

偏差測(cè)定誤差：多波束系統(tǒng)的偏差測(cè)定主要包括姿態(tài)傳感器、羅經(jīng)偏差的靜態(tài)測(cè)定和多波束探頭綜合偏差的動(dòng)態(tài)測(cè)定。另外，還有定位時(shí)延測(cè)定（動(dòng)態(tài)測(cè)定）。顯然，靜態(tài)測(cè)定的精度較高，能以設(shè)備的標(biāo)稱精度來衡量，但如若不進(jìn)行此項(xiàng)改正，在一定條件下，也會(huì)造成水深誤差；綜合偏差是用波束進(jìn)行目標(biāo)測(cè)定，而每個(gè)波束都具有相當(dāng)大的波束角，必須通過大量的觀測(cè)才可能達(dá)到所需精度。

起伏變化和搖擺變化的影響：多波束水深測(cè)量每Ping需接收很多波束，從接收第一個(gè)回波到最后一個(gè)回波，有一個(gè)時(shí)間差，在這一接收時(shí)段內(nèi)，起伏和搖擺都會(huì)發(fā)生變化，可能影響水深及其點(diǎn)位歸算的準(zhǔn)確性。以30米水深，單邊3倍水深寬度測(cè)量為例，邊緣波束和中央波束接收的時(shí)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(shí)段內(nèi)，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(shí)段內(nèi)，橫搖最大變化近1°，對(duì)邊緣波束水深的影響高達(dá)1.66米。搖擺變化不僅對(duì)水深產(chǎn)生影響，也對(duì)起伏的傾斜改正產(chǎn)生影響。起伏變化和搖擺變化應(yīng)采用適當(dāng)?shù)哪Ｐ停M(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚怼?/p>

粗差處理應(yīng)能準(zhǔn)確識(shí)別和處理觀測(cè)值的粗差，否則將嚴(yán)重影響水下地形的真實(shí)性。水深觀測(cè)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(tài)觀測(cè)值的粗差則要通過觀測(cè)值過程線變化來判斷。

計(jì)算誤差：主要是近似方法使用不得當(dāng)，如聲線計(jì)算時(shí)，入射角和旅行時(shí)間步長(zhǎng)過大，可能帶入較大的計(jì)算誤差，可以通過改進(jìn)計(jì)算方法加以解決。

波束單元入射角觀測(cè)誤差：?jiǎn)尾ㄊ顪y(cè)量是以波束腳印中，最快回波作為該波束的水深觀測(cè)值。如果多波束也采用同樣方式測(cè)量水深，則可能使水深出現(xiàn)很大誤差，對(duì)波束單元入射角大的波束尤甚。因此，多波束水深測(cè)量應(yīng)當(dāng)能測(cè)定波束腳印內(nèi)的最淺點(diǎn)，確定其聲線和的波束單元入射角。在對(duì)水深敏感的淺水航行水域進(jìn)行測(cè)量時(shí)，要嚴(yán)格控制作業(yè)環(huán)境的影響，要分析水深與設(shè)備參數(shù)設(shè)置之間的關(guān)系，確保多波束系統(tǒng)的探測(cè)能力。除了上述外，觀測(cè)值的時(shí)間同步問題、測(cè)量船的振動(dòng)等都會(huì)影響水深的質(zhì)量。

結(jié)束語

通過測(cè)前精確測(cè)定并校準(zhǔn)安裝儀器偏差、過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)深數(shù)據(jù)質(zhì)量并及時(shí)采集姿態(tài)、聲速、潮汐等數(shù)據(jù)、測(cè)后對(duì)原始數(shù)據(jù)經(jīng)行各項(xiàng)嚴(yán)密環(huán)境效應(yīng)改正以及相關(guān)處理，得到該區(qū)域最終水深成果。潮汐改正精度內(nèi)符合檢驗(yàn)、條帶拼接狀況、河床二、三維地形圖等各項(xiàng)檢驗(yàn)表明，多波束測(cè)量的高精度和高密度數(shù)據(jù)可以分辨水下地形地貌的細(xì)微結(jié)構(gòu)和變化，這為那些對(duì)水深（地形）測(cè)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(zhǎng)江重慶航運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院）