復(fù)雜水域精密單波束測深關(guān)鍵技術(shù)研究

潘 與 佳高 健劉 大 偉

(1.長江水利委員會(huì)水文局 長江口水文水資源勘測局,上海 200136； 2.上海河口海洋測繪工程技術(shù)研究中心，上海 201306； 3.上海市海洋環(huán)境監(jiān)測預(yù)報(bào)中心，上海 200062)

河道演變分析對(duì)掌握河道變化規(guī)律，評(píng)估水利工程對(duì)河勢的影響，保障防洪(潮)安全，崩岸險(xiǎn)工段預(yù)警，改善航運(yùn)條件，合理開發(fā)利用淡水、岸線、灘涂資源等方面具有重要的意義[1]。對(duì)于長江這樣的大河而言，受水流沖刷的影響，河床形態(tài)復(fù)雜，既有水深流急的深槽航道，也有水淺流緩的淺灘；既有“W”型斷面的復(fù)式河槽，也有存在著陡坡的“V”型斷面的單一河槽；既有聲速剖面季節(jié)性變化明顯的河流型水庫，也有聲速剖面時(shí)空變化復(fù)雜的感潮河段，測量條件較差。另一方面，長江的河道演變分析需要準(zhǔn)確可靠的河道監(jiān)測資料，而影響河道監(jiān)測精度的因素還包括定位誤差、高程控制誤差、動(dòng)吃水誤差、聲速改正誤差、測船姿態(tài)變化引起的誤差等。因此，在長江航道地形變化劇烈的區(qū)域，測深的精度和可靠性往往難以保證。

一般而言，采用RTK三維測深技術(shù)能很好地解決定位、高程控制和動(dòng)吃水改正等問題[2-3]；采用聲速剖面改正能消除或減少聲速效應(yīng)引起的測量誤差和聲線追蹤定位誤差，利用測船姿態(tài)改正能有效減弱水深測量誤差[4]，這一結(jié)論已被眾多的文獻(xiàn)和研究證實(shí)，但還存在以下3個(gè)主要的問題：① 常規(guī)的測深儀換能器探頭波束角較大，在水深變化大的地方難以滿足測深要求；② 一般的姿態(tài)傳感器和POS系統(tǒng)(positioning and orientation system，定位定向系統(tǒng))價(jià)格昂貴；③ 配備姿態(tài)傳感器和POS系統(tǒng)組成精密水深測量系統(tǒng)，需要解決安裝和校準(zhǔn)等問題。

1 精密單波束測深的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 波束角效應(yīng)

測深的原理是通過水聲換能器發(fā)射聲波，通過測量聲波在傳播路徑上的時(shí)間來進(jìn)行測距。水聲換能器通過特殊的設(shè)計(jì)，使聲能主要聚集在某一特定的角度范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定方向上的測距。主瓣波束角是水聲換能器的一個(gè)重要參數(shù)，其具體定義為主瓣內(nèi)聲強(qiáng)為最大聲強(qiáng)一半的點(diǎn)所夾的角度，在此角之外的聲能量很小，可以認(rèn)為水聲換能器只能接收波束角內(nèi)的水深信號(hào)[5]。

對(duì)于圓形換能器，在水聲換能器向水底發(fā)射聲波時(shí)，主瓣波束將覆蓋一定范圍的圓形區(qū)域，測定的水深實(shí)際上是換能器與水底之間的最短距離，若波束角過大，主瓣波束覆蓋的水底范圍就大，引起回波水深點(diǎn)位置難以確定，從而帶來測量誤差，在地形變化較大的水域，這種誤差將表現(xiàn)得更為顯著[6-8]。若要提高復(fù)雜水域的測深精度，需要盡量采用波束角較小的窄波束換能器。但限于物理原理和制造工藝，波束角效益只能減弱，但無法完全消除[9-10]。

1.2 姿態(tài)改正

在測量過程中，由于換能器安裝問題和測船的姿態(tài)變化，換能器的波束指向并不總是垂直向下的，而是存在著縱搖值ρ和搖值ω。這種偏差將帶來水深水波點(diǎn)的定位誤差和測深誤差。為分析姿態(tài)引起的誤差，以換能器中心為原點(diǎn)、船體軸線為a軸(船頭方向?yàn)檎?、以垂直a軸的右舷為b軸建立船體坐標(biāo)系。

設(shè)測量出的縱搖值為ρ(設(shè)船頭向上為正)，橫搖值為ω(設(shè)左舷向上為正)，則回波水深點(diǎn)M相對(duì)于船體坐標(biāo)系的位移δa，δb按以下公式(1)計(jì)算：

δa=(H+h)tan(ρ+ρ0)

δb=(H+h)tan(ω+ω0)

(1)

式中,H為測量出換能器中心到水底的水深，h為GNSS相位中心到換能器中心的距離，ρ0和ω0為姿態(tài)傳感器初始的安裝偏差值。

根據(jù)船體坐標(biāo)系與測量坐標(biāo)系之間的關(guān)系，按照公式(2)計(jì)算出回波水深點(diǎn)在測量坐標(biāo)系中的北向位移δx和東向位移δy：

δx=δbsinζ+δacosζ

δy=δasinζ-δbcosζ

(2)

式中，ζ為船體軸線與測量坐標(biāo)系縱軸的夾角，可通過艏向測量值yaw計(jì)算得到。

改正后的水深H′計(jì)算如下：

H′=Hcos(ρ+ρ0)×cos(ω+ω0)

(3)

1.3 系統(tǒng)校準(zhǔn)

精密單波束系統(tǒng)無法像多波束測深系統(tǒng)那樣通過特定的條帶測量值和計(jì)算模型來進(jìn)行傳感器安裝偏差校準(zhǔn)，但可以采用陸上校準(zhǔn)的方法，具體方法如下。

設(shè)計(jì)一個(gè)一體化安裝裝置，將姿態(tài)傳感器和定位定向系統(tǒng)以測深桿為依托，與測深桿穩(wěn)固地連接，確保在測量過程中三者的關(guān)系保持穩(wěn)定不變。采用全站儀測量保證測深桿被垂直固定，此時(shí)姿態(tài)傳感器輸出的縱搖值和橫搖值即為姿態(tài)傳感器初始的安裝偏差值ρ0和ω0。

將姿態(tài)傳感器、定位定向系統(tǒng)和測深桿在陸上進(jìn)行連接和校準(zhǔn)后，保持相對(duì)關(guān)系不變，安裝到測船上，即可開展精密水深測量工作。

2 應(yīng)用實(shí)例分析

2.1 試驗(yàn)方案選擇

在長江干流蘇通大橋附近水域進(jìn)行測量，部分區(qū)域水深在10～55 m之間，坡度在30°～40°，采用4種方案進(jìn)行試驗(yàn)，以考察各自的測量精度。方案1，無姿態(tài)改正的波束角為8°的單波束測深系統(tǒng)；方案2，無姿態(tài)改正的波束角為3°的單波束測深系統(tǒng)；方案3，有姿態(tài)改正的波束角為8°的單波束測深系統(tǒng)；方案4，有姿態(tài)改正的波束角為3°的窄波束測深系統(tǒng)。同時(shí)采用波束角為0.5°的高精度多波束測深系統(tǒng)對(duì)該區(qū)域進(jìn)行精細(xì)測量，將其成果測量參考值，與前4種測量結(jié)果進(jìn)行比較。

測區(qū)地形和單波束測線布置如圖1所示。

該試驗(yàn)中，在測區(qū)內(nèi)布設(shè)了7條測深線，測深線與陡坡垂直，且涵蓋了淺水平坦區(qū)域(水深在10～15 m之間)、陡坡區(qū)域(水深在15～45 m之間)和深水平坦區(qū)域(水深在45～50 m之間)，采用RTK三維水深測量的技術(shù)進(jìn)行單波束測量，測量過程中，測船姿態(tài)變化較小，縱搖值和橫搖值的變化不大于6°。

圖1 測區(qū)地形和單波束測線布置示意Fig.1 Topography and single-beam line layout in survey area

2.2 精密單波束測深系統(tǒng)的組成

選擇HY1600型精密測深儀，配合波束角為3°的特制窄波束探頭(見圖2)，姿態(tài)傳感器采用Honeywell的HMR3000型姿態(tài)傳感器(見圖3)，該姿態(tài)傳感器固定安裝在特制的一體化安裝裝置(見圖4)上，能測量并輸出橫搖、縱搖、艏向等3個(gè)參數(shù)，其精度參數(shù)如表1所示，單波束精密測深系統(tǒng)最終集成安裝如圖5所示。

2.3 系統(tǒng)校準(zhǔn)

將姿態(tài)傳感器和POS測量系統(tǒng)以測深桿為依托，與測深桿剛性連接，采用精密全站儀測量保證測深桿被垂直固定，此時(shí)姿態(tài)傳感器輸出的縱搖值和橫搖值即為姿態(tài)傳感器原始的安裝偏差ρ0,ω0，該試驗(yàn)中實(shí)際校準(zhǔn)的安裝偏差為ρ0=0.2°、ω0=-0.4°，將上述校準(zhǔn)值在測量時(shí)輸入數(shù)據(jù)采集軟件的相關(guān)設(shè)置中。

圖2 3°波束角換能器 Fig.2 3° beam angle transducer

圖3 姿態(tài)與艏向測量儀器Fig.3 Attitude and heading measurement instrument

圖4 傳感器安裝裝置Fig.4 Sensor installation device

表1 精密測深系統(tǒng)主要組成Tab.1 Main composition of precision single beam sounding system

圖5 系統(tǒng)集成安裝示意Fig.5 Sketch of system integration installation

2.4 成果分析

通過對(duì)上述的4種測量方案的測量數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理，計(jì)算輸出間距為2 m的三維數(shù)據(jù)，對(duì)高密度的多波束數(shù)據(jù)采用克里金插值法建立曲面模型，計(jì)算3個(gè)區(qū)域的單波束測量數(shù)據(jù)與多波束測量結(jié)果的差異，以均方差為評(píng)價(jià)依據(jù)計(jì)算結(jié)果，見表2～4。

表2 淺水平坦區(qū)域單波束與多波束測量結(jié)果差異分析Tab.2 Difference analysis of single-beam and multi-beam measurements in shallow flat area

表3 陡坡區(qū)域單波束與多波束測量結(jié)果差異分析Tab.3 Difference analysis of single-beam and multi-beam measurements in steep slope area

表4 深水平坦區(qū)域單波束與多波束測量結(jié)果差異分析Tab.4 Difference analysis of single-beam and multi-beam measurements in deep flat area

理論和試驗(yàn)結(jié)果表明，在地形變化大的水域，所產(chǎn)生的誤差主要為波束角和姿態(tài)耦合效應(yīng)而產(chǎn)生的位移誤差。具體差異分析如下。

(1) 在10～15 m的淺水平坦區(qū)域，常規(guī)波束角和窄波束的測量結(jié)果高度接近，無論是否進(jìn)行姿態(tài)改正，測量結(jié)果差異不大。

(2) 在15～45 m的陡坡區(qū)域，窄波束換能器的測量精度比常規(guī)波束角換能器的測量精度提升了約40%，有姿態(tài)改正比無姿態(tài)改正的測量精度提升了約30%，有姿態(tài)改正窄波束換能器的測量精度比常規(guī)波束角換能器的測量精度提升了約60%。

(3) 在45～50 m的深水平坦區(qū)域，窄波束換能器的測量精度比常規(guī)波束角換能器的測量精度提升了約30%，有姿態(tài)改正比無姿態(tài)改正的測量精度提升了約30%，有姿態(tài)改正的窄波束換能器的測量精度比無姿態(tài)改正的常規(guī)波束角換能器的測量精度提升了約50%。

3 結(jié) 語

水下地形測量的難點(diǎn)是如何在地形變化大的區(qū)域獲取高精度和高可靠性的測量成果，在平坦水域，由于水深測量結(jié)果對(duì)定位精度不敏感，由姿態(tài)變化和換能器波束角等因素引起的定位誤差對(duì)測量結(jié)果影響較小；而在水下陡坡區(qū)域，姿態(tài)變化和換能器波束角所產(chǎn)生的影響會(huì)非常明顯，在這種情況下，應(yīng)采用波束角較小的換能器探頭，配合一定精度的姿態(tài)傳感器和POS系統(tǒng)，在陸上進(jìn)行有效校準(zhǔn)，組成精密多波束測深系統(tǒng)。在測深儀換能器波束角小于4°的條件下，配合一定精度的姿態(tài)改正儀器和POS系統(tǒng)，能有效提高復(fù)雜水域水深測量的精度。