鄭建

（浙江華東測繪地理信息有限公司，浙江杭州，310014）

1 概述

隨著我國海洋測繪的蓬勃發(fā)展，多波束測深系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應用于我國海洋工程測量、海洋資源調(diào)查、航道測量、水庫測量等領(lǐng)域[1]。目前不但在我國沿海區(qū)域應用廣泛，而且在內(nèi)陸水庫庫容復核以及淤積測量中的應用也越來越普及。由于多波束自身系統(tǒng)非常復雜，對設(shè)備以及技術(shù)方面要求較高，尤其是在多波束校準過程中，必須對關(guān)鍵性因素進行嚴密控制，提高多波束校準精度，確保得到高質(zhì)量的水深測量數(shù)據(jù)?？紤]到內(nèi)陸水庫水體對多波束影響因素比海洋少（海洋中風浪較大、洋流分布復雜導致水體中鹽度、密度等變化復雜），以某水庫庫容測量中多波束校準因素結(jié)構(gòu)變化實例來分析聲速對多波束校準精度的影響。

多波束測深系統(tǒng)基本工作原理為：發(fā)射換能器定向激發(fā)一排聲學能量信號，各波束在水體中沿實際聲線傳播，當遇到水底時通過反射和散射返回接收換能器，接收換能器記錄各波束的到達角度和傳播時間，根據(jù)聲線在水體中的實際傳播路徑，計算出各波束點的深度以及相對于中央波束的水平距離，并通過定位、姿態(tài)、吃水等各項改正以及其他數(shù)據(jù)融合計算處理，得到呈條帶狀分布的測量成果。由于聲波在水體介質(zhì)中并不是直線傳播[2]，表面聲速與聲速剖面的數(shù)據(jù)精度就格外重要。

實際上，在多波束校準過程中，聲速剖面測量工作容易被忽略，表層聲速儀也容易因為安裝過淺或水生植物附著導致所得表層聲速精度較差，筆者利用實際測量數(shù)據(jù)論證了聲速誤差對多波束校準精度影響的重要性。

2 多波束校準以及各姿態(tài)偏差對多波束點位坐標的影響

2.1 船體坐標系與多波束換能器坐標系

多波束測深系統(tǒng)在測量船上安裝完畢后，就存在著兩個坐標系統(tǒng)：船體坐標系與多波束換能器三軸坐標系，兩坐標系偏差示意圖如圖1所示。多波束測深系統(tǒng)進行水下測量時，上述兩種坐標系之間勢必存在著坐標旋轉(zhuǎn)（橫搖、縱搖及艏向）的偏差。

圖1 船體及多波束換能器坐標系偏差示意圖Fig.1 Coordinate system deviation between hull and multibeam transducer

多波束校準工作的目的是以船體坐標系為基準，計算出多波束換能器坐標系與船體坐標系之間的偏差值。

2.2 橫搖校準及影響分析

橫搖校準是針對多波束測深系統(tǒng)換能器在安裝過程中必然存在的橫向角度誤差而采取的一種校準方法。選擇一塊水深較深、地形平坦的水域，在同一條測線上以相同的速度往返測量，如圖2所示。往返測量后的水深斷面成交叉狀，兩個交叉斷面就是因為存在橫搖偏差所引起的。

圖2 多波束橫搖校準示意圖Fig.2 Multi-beam roll calibration

此時，同位置兩交叉斷面的夾角正好是2倍的橫搖角度，則橫搖偏差可按下式進行計算：

式中，Rθ為橫搖偏差角；D為邊緣水深點到航跡方向上的垂向距離；δh為往返測量方向上的水深差值。

多波束水深測量規(guī)定中[3]，橫搖校準誤差應小于0.05°。假設(shè)測區(qū)水深為30 m，波束橫向開角為120°，橫搖校準誤差為0.05°，邊緣波束將產(chǎn)生約±0.05 m的水深誤差；當橫搖校準誤差為0.1°時，將會對水深產(chǎn)生±0.1 m的誤差。橫搖校準誤差會對所測水深值產(chǎn)生較大影響[4]。

2.3 縱搖校準及影響分析

多波束探頭的縱向安裝角度存在偏差時，會引起測點的水深沿航跡方向發(fā)生前后的位移變化，如圖3所示，當存在向前的縱傾角時，往返測的水下地形會發(fā)生很明顯的向后、前平移，位置與水深不相匹配，往測時，水深變深；返測時，水深變淺。

縱搖的校準對地形選擇的要求是：坡度大于10°的斜坡形海底，或海底存在有明顯突起物或凹坑的特征區(qū)域，測線垂直于斜坡等深線方向布設(shè)（或穿過海底明顯的突起或凹陷地形）。測量時，測量船沿同一測線以相同的速度往返測量，如圖3所示，其縱向偏差角可以很容易按式（2）進行計算：

式中，Pθ為縱搖偏差角；DP為同一水深點兩次測量的位置差；H為測點到多波束探頭中心的距離。

多波束水深測量規(guī)定中，縱搖校準誤差應小于0.3°，假設(shè)測區(qū)水深為30 m，波束橫向開角為120°，縱搖校準誤差為0.3°，邊緣波束將產(chǎn)生約±0.05 m的水深誤差，縱搖校準誤差對水深測量的影響比橫搖校準誤差小，但縱搖校準誤差過大時，也會對水深測量精度造成影響。

2.4 艏向偏差校準及影響分析

在進行多波束安裝時，羅經(jīng)的指向與多波束探頭縱軸的指向不一致，從而使多波束測量時艏向指向性存在偏差，造成測點位置以中央波束為原點的旋轉(zhuǎn)位移，即這種位移具有在中心處位移為零，但在邊緣波束處增至最大的特點，當存在航道偏差時，對多波束水深成果的拼接會產(chǎn)生一定的影響。選擇一片坡度大于10°的海底地形，垂直于斜坡等深線方向布設(shè)兩條平行的測線，測線間距大約為多波束平均掃寬的一半，如圖4所示。

校準時同方向、同速測量L1、L2兩條測線，由于艏向偏差的存在，重疊區(qū)相同水深處的位置會發(fā)生一定的偏移，不考慮其他誤差因素的影響，同一測深點兩次測量的理論偏移距應該是相同的，其艏向偏差可通過式（3）進行計算：

圖4 多波束艏向偏差校準示意圖Fig.4 Multi-beam heading deviation calibration

Yθ=arctan(δL/D) （3）

式中，Yθ為艏向偏差角；δL為同一測點的位置差；D為兩條測線間的距離。

多波束水深測量規(guī)定中，艏向偏差校準誤差應小于0.1°，假設(shè)測區(qū)水深為30 m，波束橫向開角為120°，艏向偏差校準誤差為0.1°，邊緣波束將產(chǎn)生約±0.09 m的點位誤差，在水下地形坡度較緩的區(qū)域?qū)λ钫`差的影響可以忽略不計，所以艏向偏差校準誤差對點位精度影響較大，對水深精度影響較小。

3 表層聲速對多波束校準精度的影響分析

多波束測深系統(tǒng)通過聲線跟蹤反演各波束測點的空間位置，在計算過程中，表層聲速對多波束發(fā)射換能器的波束指向角以及各波束腳印的平面位置和水深值有著決定性的影響，尤其是對開角60°以上的邊緣波束的測量精度影響較大。

3.1 表層聲速對發(fā)射換能器波束指向角的影響

多波束的發(fā)射換能器根據(jù)聲學原理，對扇面內(nèi)每個波束的指向角度進行定義，但如果保證每個波束方向信號足夠強，在波束形成發(fā)射時，會產(chǎn)生時延。多波束系統(tǒng)采用FFT波束形成技術(shù)，保證各方向波束信號強度。

設(shè)多波束換能器發(fā)射陣列由N個基元組成，各基元之間間隔為L，波束以一定頻率?從θ方向入射到波陣面時，第k個波束的指向角計算方程經(jīng)過FFT變換后為[5]：

將λ=v0/?代入式（4）可得：

式中，v0為換能器表層聲速。由式（5）可以看出，當波束發(fā)射頻率固定時，波束指向角θ0只與表層聲速v0有關(guān)，當v0誤差增大時，會造成θ0的誤差同時增大，同時也會影響計算出的橫搖、縱搖、艏向偏差的精度。下面按照文獻[6]提出的方法，通過實例分析表層聲速誤差對各項姿態(tài)偏差的影響。

3.2 表層聲速對橫搖、縱搖、艏向偏差精度的影響

利用在某水庫庫容復核測量中RESON Sea-Bat7125型多波束測深系統(tǒng)測量的實例數(shù)據(jù)，來分析說明表層聲速對多波束校準精度的影響。在多波束校準過程中，多波束覆蓋角為140°，并嚴格選取合適地勢，準確測定校準過程中的表面聲速，計算得到符合測量要求的準確橫搖、縱搖以及艏向偏差值，如圖5～7所示。

圖5 橫搖校準圖Fig.5 Roll calibration

圖6 縱搖校準圖Fig.6 Pitch calibration

圖7 艏向偏差校準圖Fig.7 Heading deviation calibration

校準過程中所使用的聲速剖面由聲速剖面儀測定，導入多波束后處理軟件得到聲速剖面曲線圖，如圖8所示。

聲速剖面不變，改變表面聲速值，求得不同表面聲速狀態(tài)下校準數(shù)值，如表1所示。

表1中，表層聲速為1 462.2 m/s時測量的校準值是正確的，此時水底地形是平坦的，所得各種數(shù)據(jù)也符合IHO S-44標準要求。而使用其他表層聲速時，測量的地形發(fā)生了變化，計算出的各校準值也出現(xiàn)了不小的變化：表層聲速比實際值小時，波束指向角變大，測量覆蓋寬度變大，邊緣波束測量所得水深值比實際值小，所得地形條帶呈現(xiàn)“笑臉”狀，此時橫搖、縱搖、艏向偏差的絕對值都變小；表層聲速比實際值大時，波束指向角變小，測量覆蓋寬度變小，邊緣波束測量所得水深值比實際值大，所得地形條帶呈現(xiàn)“哭臉”狀，此時橫搖、縱搖、艏向偏差的絕對值都變大。

圖8 聲速剖面曲線圖Fig.8 Sound speed profile

表1 不同表層聲速對校準值的影響Table 1 Effect of different surface sound speed on calibration value

4 聲速剖面對多波束校準精度的影響分析

由于多波束測深系統(tǒng)每Ping（脈沖擊發(fā)）個波束呈扇面發(fā)射，準確了解聲線在水體中的傳播路徑是多波束測深數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵。根據(jù)斯涅爾定律，一方面聲線遇到介質(zhì)物理特性變化時會發(fā)生折射，將導致測深點出現(xiàn)位置上的偏差，另一方面聲波在海水中的實際傳播速度與標準速度（一般假定為1 500 m/s）的差異也將造成傳播距離上的誤差，而且這兩種誤差均隨波束角的增大而非線性地增大。水體的溫度、鹽度、密度和壓力等海洋環(huán)境因素是影響海水聲速的重要因子。由于水體溫度、鹽度、密度要素在時間、空間上存在著多維復雜變化特性，因此水體聲速在時間、空間上必然也呈多維復雜變化，所以聲速剖面數(shù)據(jù)的精確性對多波束測深數(shù)據(jù)的影響是顯著的。

在驗證聲速剖面對橫搖、縱搖、艏向偏差精度影響時，用表層聲速儀實際測量的多波束換能器表層聲速為1 462.2 m/s，覆蓋角為140°。首先使用當時測定的聲速剖面數(shù)據(jù)進行多波束校準計算，記錄校準數(shù)據(jù)，然后保持表面聲速不變，使用統(tǒng)一加減固定聲速值的聲速剖面數(shù)據(jù)分別導入進行聲速改正，然后計算多波束校準值，所得結(jié)果如表2所示。

表2 不同聲速剖面對校準值的影響Table 2 Effect of different values of sound speed profile on calibration value

表2中，聲速剖面數(shù)據(jù)比實際值大時，波束在水體介質(zhì)中折射程度變大，測量覆蓋寬度變大，邊緣波束測量所得水深值比實際值小，所得地形條帶呈現(xiàn)“笑臉”狀，此時橫搖、縱搖、艏向偏差的絕對值都變??；聲速剖面比實際值小時，波束在水體介質(zhì)中折射程度變小，測量覆蓋寬度變小，邊緣波束測量所得水深值比實際值大，所得地形條帶呈現(xiàn)“哭臉”狀，此時橫搖、縱搖、艏向偏差的絕對值都變大。

5 結(jié)語

通過某水庫測量實例分析得出，聲速誤差對多波束校準精度影響顯著，當表層聲速數(shù)值或聲速剖面數(shù)值變化時，在其變化值相同的情況下，對橫搖精度的影響是相同的，對縱搖以及艏向偏差的影響是不同的，聲速剖面測量誤差對縱搖和艏向偏差的影響更大。由此可知，除了多波束測量過程中各種因素影響之外，測量作業(yè)之前校準過程中若表層聲速和聲速剖面數(shù)據(jù)誤差較大時，將導致橫搖、縱搖、艏向偏差的計算誤差增大，再將錯誤校準值應用到多波束水深測量時，會導致所得水深數(shù)據(jù)嚴重失真。根據(jù)本次對多波束校準中聲速的影響分析，在實際多波束測量作業(yè)過程中應注意以下幾點：（1）在多波束校準之前，需要使用比測的方法檢驗表層聲速儀以及聲速剖面儀是否精準；（2）在多波束校準所選范圍內(nèi)，多次測定本區(qū)域聲速剖面以確保校準時使用的聲速剖面數(shù)據(jù)準確可靠；（3）在校準計算時，應同時將表層聲速和聲速剖面數(shù)據(jù)正確導入，共同作為校準測線聲速改正使用。

筆者也在海洋中進行了相關(guān)研究，但不同的海域條件下，水體中其他影響因素過于復雜，聲速對多波束校準影響實驗的可重復性較差，需配備更完善的海洋設(shè)備進行配合實驗，才能得到較完善的實驗成果。

[1]劉經(jīng)南,趙建虎.多波束測深系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].海洋測繪,2002,22(5):3-6.

[2]黃晨虎,陸秀平,歐陽永忠,等.多波束水深測量誤差源分析與成果質(zhì)量評定[J].海洋測繪,2014,34(2):1-6.

[3]JT/T 790-2010,多波束測深系統(tǒng)測量技術(shù)要求[S].

[4]趙建虎,劉經(jīng)南,張紅梅.船姿分析及其對多波束測量的影響[J].武漢大學學報(信息科學版),2001,26(2):144-149.

[5]趙建虎.多波束深度及圖像數(shù)據(jù)處理方法研究[D].武漢:武漢大學,2002.

[6]董慶亮.表層聲速對多波束系統(tǒng)測量的影響[J].測繪通報,2012(2):7-10.