淺談多波束系統在海洋工程勘察中的應用

王曉琳

摘 要：隨著海洋在全球戰略地位日益突出，海洋工程勘察的作用也日益凸顯。多波束作為海底地形測量的重要手段被廣泛應用于海洋工程勘察工作之中。本文從多波束系統的組成、多波束系統與傳統單波束系統的對比、影響多波束精度的因素以及多波束系統的應用范圍等幾方面做了詳細闡述。

關鍵詞：海洋工程勘察 多波束系統 多波束應用

中圖分類號：P229 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（c）-0045-02

隨著海洋在全球中的戰略地位日趨突出，世界主要沿海大國紛紛把維護國家海洋權益、發展海洋經濟、保護海洋環境列為本國的重大發展戰略，海洋工程勘察作為海洋經濟的基礎性工作顯得日益重要。海底地形測量時海洋工程勘察中的重要組成部分，而多波束測深系統憑借其高效率、高精度的特征被廣泛應用于海洋工程勘察之中。

1 多波束系統

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，由多個子系統構成，雖然不同的多波束系統的組成單元不盡一致，但大體上可以將其分為聲學系統、數據采集系統、數據處理系統和外圍輔助傳感器幾個部分，基本組成參見圖1。多波束采集系統完成波束的觸發，經換能器發射和接收后將其轉換為數字信號，反算出其測量距離或記錄往返時間，通過定位設備、姿態儀、聲速剖面儀和電羅經等實現船舶瞬時位置、姿態、航向的測定以及海水中聲速的傳播特性，最終由數據處理系統綜合聲速、定位、姿態、聲速剖面和潮位等信息，計算波束腳印的深度及坐標，繪制海底地形圖。

2 多波束與單波束的比較

多波束具有高分辨率、高清晰度、全覆蓋的特點，能夠全面客觀的反映測區的海底地形，其有效掃寬可達水深的4～6倍，同時水深點間隔小，相比單波束更加快捷、直觀。在通常情況下，由于多波束測深系統在測量的同時進行姿態補償，可以減少天氣、海況等因素對船體搖晃所造成的誤差影響，因此其自符性要更勝一籌，尤其是在水下地形起伏較大的區域表現的更加明顯；此外，當波束換能器的波束角大于單波束波束角，投影在海底的波束腳印較大，卻只獲得一個簡單的深度值，會進一步加大測量誤差。

然而，對于淺水區，聲速變化不規律，且容易對多波束探頭造成損壞，多使用單波束與多波束配合使用。

3 影響多波束測深精度的因素

多波束影響精度的因素很多，但在具體工程應用中，更關心的是如何避免可控范圍內的影響以及對如何已經產生的影響進行補救。在此，筆者根據造成的影響是否能夠補救將影響多波束測深精度誤差分為兩類：固定誤差和可變誤差。固定誤差的影響可以在后期處理過程中進行補救，如換能器、GPS、運動傳感器的位置偏差，換能器吃水改正、潮位改正，以及固定傳感器的時延偏移和多波束的矯正參數，包括LAT，ROLL，PITCH等。可變誤差的影響會造成不可逆轉的后果，包括時間同步不正確、聲吶頭安裝桿與運動傳感器自身震動、船體自身枕頭導致聲吶頭與傳感器的震動、運動傳感器數據漂移、DGPS間歇性改正等可變定位誤差以及聲速剖面不正確等等。

在進行外業測量時，一定要保證船身穩固，并選用適合的材質制作聲吶桿，并將其穩定的固定在船體，防止震動的產生，同時要確保吃水量取正確，換能器、GPS、運動傳感器正常工作、相對位置精確、參數設定合理，并使用正確的潮位數據。

3.1 時延校準

多波束時延誤差主要包括三個方面，定位設備與測深系統間數據傳輸時延、波浪運動與測深系統間的時延、羅經與定位設備間的時延，后兩種產生的時延誤差相對較小，因此，在通常的測量中只考慮定位時延即可。在校準時，選取在有突起的巖石、疏浚航道等有地形起伏的水域，采用同線同向不同速度穿越目標，根據二者位移與速度之差求取時延，通常高船速可為低船速的二倍。

3.2 橫搖偏差校準

橫搖偏差是指多波束換能器在安裝過程中產生的橫向角度偏差，導致的水深測量值誤差會隨其離開中央波束的夾角增大而增大。由于其他誤差均是垂直向誤差，因此建議首先校準橫搖誤差。校準時，選取海底平坦的海區，采用同線反向同速度各航行一次，反復計算，直至兩個海底平面重合位為止。

3.3 縱搖偏差校準

縱搖偏差是指換能器縱向安裝偏差所引起的沿航跡前后向的位移。在校準時，應選取航道邊坡等地形變化較大的水域進行，采用同線反向同速度穿越目標，調整縱搖角度使疊加在一起的兩組圖形重合，計算出縱搖角度。

3.4 艏搖偏差校準

艏搖是指在平面上由于角度便宜所引起的平面上的相應水神殿坐標位置的偏差。艏搖偏差對邊沿波束的定位產生影響，且隨著深度增加而增大。在校準時，選取航道邊坡或其他陡砍，同向同速距離最大覆蓋寬度的2/3倍布設兩條測線，調整YALL值，獲得最佳的艏搖偏差角度。

4 典型案例

4.1 掃海測量

錨地是指港口中供船舶安全停泊、避風、海關邊防檢查、檢疫、裝卸貨物和進行過駁編組作業的水域，在船舶安全和檢驗檢疫等方面發揮了極為重要的作用，因此要對錨地的水深、地貌、地質及流速流向資料進行定期檢測。圖2為日照港嵐山港區錨地改擴建一期工程掃海測量時淺點多波束圖片，區域內紅色部分為淺點的實際位置，高出周圍海底約0.4 m，圖3為該障礙物的側掃圖片。

4.2 平臺調查

多波束在海洋石油平臺調查中起到了十分重要的作用，多用于探測平臺周圍的海底狀況和分析沖淤情況。圖4為早期CPOE3與CPOE33沖淤調查工程中CPOE33平臺周圍水域多波束調查成果。多波束結果可以直觀的反映測區水深情況，其中最淺處水深位于平臺東北側（紅色區域）；最大水深位于平臺南側（深藍色區域），此外可以明顯反映出漁業活動留下的零星散布的錨溝。

4.3 管線路由調查

海洋石油工業在國民生產中占著十分重要的地位，為確保海底管道、電纜正常穩定工作，有必要對其進行定期檢測，通常采用單波束測深、多波束測深、側掃聲納測量、管線剖面測量等多種先進工程物探相結合的調查手段，圖5為福建LNG站線湄洲灣海底管線調查的多波束海底圖像，圖中管溝與海管位置突出，周圍水深由淺及深的趨勢明顯，為調查工作提供了極大的便利。endprint

摘 要：隨著海洋在全球戰略地位日益突出，海洋工程勘察的作用也日益凸顯。多波束作為海底地形測量的重要手段被廣泛應用于海洋工程勘察工作之中。本文從多波束系統的組成、多波束系統與傳統單波束系統的對比、影響多波束精度的因素以及多波束系統的應用范圍等幾方面做了詳細闡述。

關鍵詞：海洋工程勘察 多波束系統 多波束應用

中圖分類號：P229 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（c）-0045-02

隨著海洋在全球中的戰略地位日趨突出，世界主要沿海大國紛紛把維護國家海洋權益、發展海洋經濟、保護海洋環境列為本國的重大發展戰略，海洋工程勘察作為海洋經濟的基礎性工作顯得日益重要。海底地形測量時海洋工程勘察中的重要組成部分，而多波束測深系統憑借其高效率、高精度的特征被廣泛應用于海洋工程勘察之中。

1 多波束系統

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，由多個子系統構成，雖然不同的多波束系統的組成單元不盡一致，但大體上可以將其分為聲學系統、數據采集系統、數據處理系統和外圍輔助傳感器幾個部分，基本組成參見圖1。多波束采集系統完成波束的觸發，經換能器發射和接收后將其轉換為數字信號，反算出其測量距離或記錄往返時間，通過定位設備、姿態儀、聲速剖面儀和電羅經等實現船舶瞬時位置、姿態、航向的測定以及海水中聲速的傳播特性，最終由數據處理系統綜合聲速、定位、姿態、聲速剖面和潮位等信息，計算波束腳印的深度及坐標，繪制海底地形圖。

2 多波束與單波束的比較

多波束具有高分辨率、高清晰度、全覆蓋的特點，能夠全面客觀的反映測區的海底地形，其有效掃寬可達水深的4～6倍，同時水深點間隔小，相比單波束更加快捷、直觀。在通常情況下，由于多波束測深系統在測量的同時進行姿態補償，可以減少天氣、海況等因素對船體搖晃所造成的誤差影響，因此其自符性要更勝一籌，尤其是在水下地形起伏較大的區域表現的更加明顯；此外，當波束換能器的波束角大于單波束波束角，投影在海底的波束腳印較大，卻只獲得一個簡單的深度值，會進一步加大測量誤差。

然而，對于淺水區，聲速變化不規律，且容易對多波束探頭造成損壞，多使用單波束與多波束配合使用。

3 影響多波束測深精度的因素

多波束影響精度的因素很多，但在具體工程應用中，更關心的是如何避免可控范圍內的影響以及對如何已經產生的影響進行補救。在此，筆者根據造成的影響是否能夠補救將影響多波束測深精度誤差分為兩類：固定誤差和可變誤差。固定誤差的影響可以在后期處理過程中進行補救，如換能器、GPS、運動傳感器的位置偏差，換能器吃水改正、潮位改正，以及固定傳感器的時延偏移和多波束的矯正參數，包括LAT，ROLL，PITCH等。可變誤差的影響會造成不可逆轉的后果，包括時間同步不正確、聲吶頭安裝桿與運動傳感器自身震動、船體自身枕頭導致聲吶頭與傳感器的震動、運動傳感器數據漂移、DGPS間歇性改正等可變定位誤差以及聲速剖面不正確等等。

在進行外業測量時，一定要保證船身穩固，并選用適合的材質制作聲吶桿，并將其穩定的固定在船體，防止震動的產生，同時要確保吃水量取正確，換能器、GPS、運動傳感器正常工作、相對位置精確、參數設定合理，并使用正確的潮位數據。

3.1 時延校準

多波束時延誤差主要包括三個方面，定位設備與測深系統間數據傳輸時延、波浪運動與測深系統間的時延、羅經與定位設備間的時延，后兩種產生的時延誤差相對較小，因此，在通常的測量中只考慮定位時延即可。在校準時，選取在有突起的巖石、疏浚航道等有地形起伏的水域，采用同線同向不同速度穿越目標，根據二者位移與速度之差求取時延，通常高船速可為低船速的二倍。

3.2 橫搖偏差校準

橫搖偏差是指多波束換能器在安裝過程中產生的橫向角度偏差，導致的水深測量值誤差會隨其離開中央波束的夾角增大而增大。由于其他誤差均是垂直向誤差，因此建議首先校準橫搖誤差。校準時，選取海底平坦的海區，采用同線反向同速度各航行一次，反復計算，直至兩個海底平面重合位為止。

3.3 縱搖偏差校準

縱搖偏差是指換能器縱向安裝偏差所引起的沿航跡前后向的位移。在校準時，應選取航道邊坡等地形變化較大的水域進行，采用同線反向同速度穿越目標，調整縱搖角度使疊加在一起的兩組圖形重合，計算出縱搖角度。

3.4 艏搖偏差校準

艏搖是指在平面上由于角度便宜所引起的平面上的相應水神殿坐標位置的偏差。艏搖偏差對邊沿波束的定位產生影響，且隨著深度增加而增大。在校準時，選取航道邊坡或其他陡砍，同向同速距離最大覆蓋寬度的2/3倍布設兩條測線，調整YALL值，獲得最佳的艏搖偏差角度。

4 典型案例

4.1 掃海測量

錨地是指港口中供船舶安全停泊、避風、海關邊防檢查、檢疫、裝卸貨物和進行過駁編組作業的水域，在船舶安全和檢驗檢疫等方面發揮了極為重要的作用，因此要對錨地的水深、地貌、地質及流速流向資料進行定期檢測。圖2為日照港嵐山港區錨地改擴建一期工程掃海測量時淺點多波束圖片，區域內紅色部分為淺點的實際位置，高出周圍海底約0.4 m，圖3為該障礙物的側掃圖片。

4.2 平臺調查

多波束在海洋石油平臺調查中起到了十分重要的作用，多用于探測平臺周圍的海底狀況和分析沖淤情況。圖4為早期CPOE3與CPOE33沖淤調查工程中CPOE33平臺周圍水域多波束調查成果。多波束結果可以直觀的反映測區水深情況，其中最淺處水深位于平臺東北側（紅色區域）；最大水深位于平臺南側（深藍色區域），此外可以明顯反映出漁業活動留下的零星散布的錨溝。

4.3 管線路由調查

海洋石油工業在國民生產中占著十分重要的地位，為確保海底管道、電纜正常穩定工作，有必要對其進行定期檢測，通常采用單波束測深、多波束測深、側掃聲納測量、管線剖面測量等多種先進工程物探相結合的調查手段，圖5為福建LNG站線湄洲灣海底管線調查的多波束海底圖像，圖中管溝與海管位置突出，周圍水深由淺及深的趨勢明顯，為調查工作提供了極大的便利。endprint

摘 要：隨著海洋在全球戰略地位日益突出，海洋工程勘察的作用也日益凸顯。多波束作為海底地形測量的重要手段被廣泛應用于海洋工程勘察工作之中。本文從多波束系統的組成、多波束系統與傳統單波束系統的對比、影響多波束精度的因素以及多波束系統的應用范圍等幾方面做了詳細闡述。

關鍵詞：海洋工程勘察 多波束系統 多波束應用

中圖分類號：P229 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（c）-0045-02

隨著海洋在全球中的戰略地位日趨突出，世界主要沿海大國紛紛把維護國家海洋權益、發展海洋經濟、保護海洋環境列為本國的重大發展戰略，海洋工程勘察作為海洋經濟的基礎性工作顯得日益重要。海底地形測量時海洋工程勘察中的重要組成部分，而多波束測深系統憑借其高效率、高精度的特征被廣泛應用于海洋工程勘察之中。

1 多波束系統

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，由多個子系統構成，雖然不同的多波束系統的組成單元不盡一致，但大體上可以將其分為聲學系統、數據采集系統、數據處理系統和外圍輔助傳感器幾個部分，基本組成參見圖1。多波束采集系統完成波束的觸發，經換能器發射和接收后將其轉換為數字信號，反算出其測量距離或記錄往返時間，通過定位設備、姿態儀、聲速剖面儀和電羅經等實現船舶瞬時位置、姿態、航向的測定以及海水中聲速的傳播特性，最終由數據處理系統綜合聲速、定位、姿態、聲速剖面和潮位等信息，計算波束腳印的深度及坐標，繪制海底地形圖。

2 多波束與單波束的比較

多波束具有高分辨率、高清晰度、全覆蓋的特點，能夠全面客觀的反映測區的海底地形，其有效掃寬可達水深的4～6倍，同時水深點間隔小，相比單波束更加快捷、直觀。在通常情況下，由于多波束測深系統在測量的同時進行姿態補償，可以減少天氣、海況等因素對船體搖晃所造成的誤差影響，因此其自符性要更勝一籌，尤其是在水下地形起伏較大的區域表現的更加明顯；此外，當波束換能器的波束角大于單波束波束角，投影在海底的波束腳印較大，卻只獲得一個簡單的深度值，會進一步加大測量誤差。

然而，對于淺水區，聲速變化不規律，且容易對多波束探頭造成損壞，多使用單波束與多波束配合使用。

3 影響多波束測深精度的因素

多波束影響精度的因素很多，但在具體工程應用中，更關心的是如何避免可控范圍內的影響以及對如何已經產生的影響進行補救。在此，筆者根據造成的影響是否能夠補救將影響多波束測深精度誤差分為兩類：固定誤差和可變誤差。固定誤差的影響可以在后期處理過程中進行補救，如換能器、GPS、運動傳感器的位置偏差，換能器吃水改正、潮位改正，以及固定傳感器的時延偏移和多波束的矯正參數，包括LAT，ROLL，PITCH等。可變誤差的影響會造成不可逆轉的后果，包括時間同步不正確、聲吶頭安裝桿與運動傳感器自身震動、船體自身枕頭導致聲吶頭與傳感器的震動、運動傳感器數據漂移、DGPS間歇性改正等可變定位誤差以及聲速剖面不正確等等。

在進行外業測量時，一定要保證船身穩固，并選用適合的材質制作聲吶桿，并將其穩定的固定在船體，防止震動的產生，同時要確保吃水量取正確，換能器、GPS、運動傳感器正常工作、相對位置精確、參數設定合理，并使用正確的潮位數據。

3.1 時延校準

多波束時延誤差主要包括三個方面，定位設備與測深系統間數據傳輸時延、波浪運動與測深系統間的時延、羅經與定位設備間的時延，后兩種產生的時延誤差相對較小，因此，在通常的測量中只考慮定位時延即可。在校準時，選取在有突起的巖石、疏浚航道等有地形起伏的水域，采用同線同向不同速度穿越目標，根據二者位移與速度之差求取時延，通常高船速可為低船速的二倍。

3.2 橫搖偏差校準

橫搖偏差是指多波束換能器在安裝過程中產生的橫向角度偏差，導致的水深測量值誤差會隨其離開中央波束的夾角增大而增大。由于其他誤差均是垂直向誤差，因此建議首先校準橫搖誤差。校準時，選取海底平坦的海區，采用同線反向同速度各航行一次，反復計算，直至兩個海底平面重合位為止。

3.3 縱搖偏差校準

縱搖偏差是指換能器縱向安裝偏差所引起的沿航跡前后向的位移。在校準時，應選取航道邊坡等地形變化較大的水域進行，采用同線反向同速度穿越目標，調整縱搖角度使疊加在一起的兩組圖形重合，計算出縱搖角度。

3.4 艏搖偏差校準

艏搖是指在平面上由于角度便宜所引起的平面上的相應水神殿坐標位置的偏差。艏搖偏差對邊沿波束的定位產生影響，且隨著深度增加而增大。在校準時，選取航道邊坡或其他陡砍，同向同速距離最大覆蓋寬度的2/3倍布設兩條測線，調整YALL值，獲得最佳的艏搖偏差角度。

4 典型案例

4.1 掃海測量

錨地是指港口中供船舶安全停泊、避風、海關邊防檢查、檢疫、裝卸貨物和進行過駁編組作業的水域，在船舶安全和檢驗檢疫等方面發揮了極為重要的作用，因此要對錨地的水深、地貌、地質及流速流向資料進行定期檢測。圖2為日照港嵐山港區錨地改擴建一期工程掃海測量時淺點多波束圖片，區域內紅色部分為淺點的實際位置，高出周圍海底約0.4 m，圖3為該障礙物的側掃圖片。

4.2 平臺調查

多波束在海洋石油平臺調查中起到了十分重要的作用，多用于探測平臺周圍的海底狀況和分析沖淤情況。圖4為早期CPOE3與CPOE33沖淤調查工程中CPOE33平臺周圍水域多波束調查成果。多波束結果可以直觀的反映測區水深情況，其中最淺處水深位于平臺東北側（紅色區域）；最大水深位于平臺南側（深藍色區域），此外可以明顯反映出漁業活動留下的零星散布的錨溝。

4.3 管線路由調查

海洋石油工業在國民生產中占著十分重要的地位，為確保海底管道、電纜正常穩定工作，有必要對其進行定期檢測，通常采用單波束測深、多波束測深、側掃聲納測量、管線剖面測量等多種先進工程物探相結合的調查手段，圖5為福建LNG站線湄洲灣海底管線調查的多波束海底圖像，圖中管溝與海管位置突出，周圍水深由淺及深的趨勢明顯，為調查工作提供了極大的便利。endprint