楊海峰+黃承孝

摘 要：多波束水深測量技術(shù)效率高，可靠穩(wěn)定，覆蓋面積廣。但多波束測深系統(tǒng)的聲學(xué)原理以及海水具有不均勻性，聲波在進(jìn)行傳播期間會出現(xiàn)線折射，而波束測點(diǎn)也會因此出現(xiàn)位置的計(jì)算不準(zhǔn)確。因此，該文通過分析主要的系統(tǒng)參數(shù)誤差，進(jìn)一步深究并提出對應(yīng)的測定方法和完善措施。

關(guān)鍵詞：多波束 水深測量 誤差 校正

中圖分類號：P283 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）05（c）-0095-02

該文從需要測定的系統(tǒng)參數(shù)中選取部分進(jìn)行誤差分析，主要包括橫搖偏角（Roll bias）、縱傾偏角（Pitch bias）、時(shí)間延遲（Time Offset），除此之外，還需進(jìn)行聲速剖面（SVP）校正。

1 聲速剖面誤差及校正

海水本身具有不均勻的性質(zhì)，因此聲波在傳播的過程中，會受到海水鹽分密度、水壓以及水溫等多方面影響，繼而產(chǎn)生對應(yīng)性的改變。如聲速會因海水的鹽分密度、水壓、水溫的上升而加速，這里最密切相關(guān)的還是水溫，其次是水壓，再是海水鹽分密度。

為了能夠更好地保障多波束測深的精準(zhǔn)性、可靠性，通常采取較多的聲速剖面，進(jìn)行科學(xué)合理的時(shí)間安排以及空間上的布置，有目的地適當(dāng)對聲速剖面的空間分布密度進(jìn)行調(diào)整。如在靠岸水較淺范圍內(nèi)，就需要考慮鹽度情況，這個(gè)時(shí)候可適當(dāng)調(diào)整或者加大聲速剖面在空間上的分布密度，考慮到海域的晝夜溫差較大，應(yīng)加大聲速剖面在時(shí)間上的分布密度。

2 導(dǎo)航定位時(shí)間延遲誤差及校正

2.1 誤差分析

通常定位系統(tǒng)都是和測深系統(tǒng)同步進(jìn)行的，否則就會令測深點(diǎn)發(fā)生偏移，進(jìn)而影響所測得的海底地形正常圖形，這個(gè)過程叫做定位時(shí)間延遲誤差。

圖1（a）、圖1（b）為系統(tǒng)延遲效應(yīng)對測深產(chǎn)生的影響。圖中箭頭為測線航行，P為真實(shí)位置，P′為記錄位置，△為位移。由圖1（a）可知，如果所測量的船沿方向是一致時(shí)，系統(tǒng)性延遲會使全部水深點(diǎn)位移△，進(jìn)而造成海底地形出現(xiàn)位置差異；圖1（b）為測量船以正反方向相互交替測量，這個(gè)時(shí)候系統(tǒng)性延遲會使正向測量的水深值右移△，反向測深值左移△，這個(gè)時(shí)候海底地形呈現(xiàn)條帶狀交叉錯(cuò)位。位移△的大小與航速成正比，例如：當(dāng)延遲△t=0.6 s、V=12節(jié)時(shí)，位移值將達(dá)3.7 m。因此，像一般沿岸及港口等重大工程測量中通常在精度要求上比較嚴(yán)格，考慮到船速比較大的問題，需要事先想到時(shí)間的延遲效應(yīng)。

2.2 誤差校正

（1）同一目標(biāo)探測法。

在規(guī)定的海域選擇一處明顯標(biāo)志物，以一固定測線速度一致往返觀測兩次，獲得同一目標(biāo)的兩個(gè)偏移位置P′和P″（見圖2），可得延遲位移△為：

△=P′P″/2

測定船速V，得到定位系統(tǒng)的時(shí)間延遲為：

△t=△/V

但此方法的前提是需要規(guī)范避免縱傾角誤差。

（2）剖面重疊法。

在規(guī)定的海域內(nèi)選擇一處明顯的目標(biāo)或是斜坡，計(jì)劃設(shè)置一條測線，通過目標(biāo)或是與斜坡所垂直，以較低的航速V1（如4節(jié)）沿測線測量，得到目標(biāo)P的偏移位置P′；然后以較高的航速V2（如10節(jié)）沿同一方向測量，得到目標(biāo)P的偏移位置P″（見圖2（a））。畫出兩條測線的縱向剖面圖，如圖2（b）兩條虛線所示，以水平的方向移動(dòng)兩條虛線至完美重疊，得到位移距離2△，則時(shí)間延遲△t=2△/（V2-V1）。

△t得到之后，接下來是修正導(dǎo)航真正的定位時(shí)間，可直接輸入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或后處理系統(tǒng)完成。但最好是使用剖面重疊法測定，較其他參數(shù)之前測好。

3 橫搖偏角、縱傾偏角誤差及校正

3.1 誤差分析

與傳統(tǒng)單波束探測有所不同，多波束是條幅式面狀測量，船身在運(yùn)行中搖晃的時(shí)候，其換能器和水面之間會產(chǎn)生夾角，從而在很大程度上對探測造成干擾，考慮到這個(gè)情況，所以需要在波束形成之時(shí)將其校正到水平面。將夾角進(jìn)行分解為縱傾角、橫搖角兩個(gè)方向的假想夾角，這也是多波束測深的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。換能器與水平面縱向的夾角為縱傾角（Pitch），換能器與水平面垂直龍骨方向的夾角為橫搖角（Roll）。由于這兩個(gè)參數(shù)角當(dāng)中含有一個(gè)動(dòng)態(tài)分量和一個(gè)靜態(tài)分量，分別稱為縱傾偏角和橫搖偏角。動(dòng)態(tài)分量形成是風(fēng)、涌、波浪等因素造成的，利用涌浪補(bǔ)償器可以調(diào)整。靜態(tài)分量的發(fā)生因安裝過程所造。

橫搖偏角的參數(shù)測定應(yīng)先于縱傾偏角，并且要選擇一處地形較為平坦的海域進(jìn)行，關(guān)于縱傾偏角產(chǎn)生的影響可暫不予以思考；否則先進(jìn)行縱傾偏角的測定，會因選擇的區(qū)域較陡峭，橫搖偏角本身不明確而導(dǎo)致地形發(fā)生異變，而縱傾偏角本身也會受之影響。所以，一般聲速剖面測定校正完成在測定參數(shù)之前。

3.2 橫搖偏角的測定

選擇海域位置需廣闊、平坦，計(jì)劃設(shè)置一條測線AB，于無外部強(qiáng)烈因素干擾的情況下，以正常平穩(wěn)的速度勻速航駛（如10節(jié)）進(jìn)行往返測量，選擇符合要求的兩條測線（航向相反，航跡較直且重復(fù)性較好，時(shí)間相隔短），利用多波束系統(tǒng)的橫搖偏角對模塊進(jìn)行調(diào)整，在垂直測線方向截取剖面（CD線），調(diào)整橫搖偏角，兩剖面達(dá)至完美重合，此時(shí)值為橫搖偏角。

3.3 縱傾偏角誤差校正

選擇一處有斜坡的海域，計(jì)劃設(shè)置一條直線使它垂直于等深線方向，為測線AB（圖3），當(dāng)海面正常，無外部環(huán)境影響干擾的情況下，以正常的航速（如10節(jié)）往返測量，選擇符合要求的測線，然后用多波束系統(tǒng)的縱傾偏角校正模塊，在測線方向截取剖面（CD線），對縱傾偏角加以適當(dāng)調(diào)整，使兩剖面完美重合，此時(shí)的值為縱傾偏角。

4 結(jié)語

該文通過對聲速剖面誤差、導(dǎo)航定位時(shí)間誤差、橫搖偏角和縱傾偏角誤差的各方面因素進(jìn)行了全方位分析，提出相對應(yīng)的校正措施。但這并不代表可以萬無一失地保障測量數(shù)據(jù)的無誤，在實(shí)際當(dāng)中，很多誤差都是隨機(jī)出現(xiàn)的，會受到各種各樣的原因影響，甚至有的目前還未考慮到，這些誤差之間相互作用、相互影響，又會形成新的誤差，在很大程度上給誤差來源判斷增加了難度，所以，需要相應(yīng)的技術(shù)人員培養(yǎng)足夠的經(jīng)驗(yàn)，努力提高自身的業(yè)務(wù)水平，盡量規(guī)避測量出現(xiàn)誤差，或者出現(xiàn)誤差可以準(zhǔn)確判斷并及時(shí)以相應(yīng)的措施進(jìn)行校正，希望此次的研究分析成果可以幫助到使用者。

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