淳明浩，劉振紋，毛天宇，楊肖迪，羅小橋，張寧馨

中國石油集團工程技術(shù)研究有限公司，天津 300451

多波束測深系統(tǒng)也稱為條帶式測深系統(tǒng)，是利用聲波在水體的傳播特性來測量水深的一種聲學(xué)探測技術(shù)[1]。該系統(tǒng)利用安裝于測量船底部的聲學(xué)換能器陣列，按照一定的角度向海底發(fā)射超寬聲波波束，并接收海底反向散射的回波信號[2]，根據(jù)各角度反射聲波到達接收換能器的時間和相位，經(jīng)過信號解算得到多個探測點的水深值，這是一個主動識別和進行異常校正的測深過程[3]，其水深測量值是根據(jù)發(fā)射聲波探測海底的往返時間與聲波在海水中的傳播速度來確定[4]，探測原理見圖1[5-6]。多波束測深系統(tǒng)在工作過程中，發(fā)生聲學(xué)換能器姿態(tài)的指向、上下高度、左右傾斜度、前后傾斜度等變化，會引起探測波束位置和波束在水體中的傳播時間誤差，對水深地形測量精度具有直接的影響[7-8]，測量誤差示意見圖2。因此，在海洋工程勘察測繪過程中，需對多波束測深系統(tǒng)進行正確校正并設(shè)定正確參數(shù)，以獲得高質(zhì)量的測深數(shù)據(jù)，并最大限度地提高測量精度和效率。

圖1 多波束測深系統(tǒng)探測原理

圖2 多波束測深系統(tǒng)測量誤差示意

本文詳細介紹了多波束測深系統(tǒng)在水深地形測量過程中的系統(tǒng)校正方法，為多波束系統(tǒng)外業(yè)測量工作提供參考。

1 多波束測深系統(tǒng)校正

多波束測深系統(tǒng)校正作業(yè)由多個過程組成，包括聲速校正、橫搖縱搖校正、艏搖校正、延時校正等。

1.1 聲速校正

影響多波束測探數(shù)據(jù)的因素有很多，其中海水聲速（簡稱“聲速”）是影響多波束測深數(shù)據(jù)一個重要的因素。因此，為測深系統(tǒng)提供當(dāng)時當(dāng)?shù)販蚀_的聲速值是獲取可靠水深測量數(shù)據(jù)的基本保證之一。此外，多波束測深系統(tǒng)對所輸入的聲速數(shù)據(jù)量有一定的限制，不同的聲速數(shù)據(jù)取點，也會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。為了獲得準確可靠的水深測量數(shù)據(jù)，必須進行聲速改正[9]。聲速校正的聲速剖面原理見圖3。

圖3 聲速剖面原理示意

如圖3所示，在水質(zhì)均勻的理想情況下，測量的水體聲速剖面為零梯度聲速剖面（Co-CA）；實際工作中，水體多不均勻，不同層位聲速性質(zhì)差異較大，測量所得的水體聲速剖面不規(guī)則（Co-Cc）；經(jīng)過聲速校正后，所得水體聲速剖面為規(guī)則的等效聲速面（Co-CB）。

1.2 橫搖縱搖校正

在測量船上安裝多波束測深系統(tǒng)設(shè)備時和測量作業(yè)過程中，很難保證多波束換能器基陣中心的三坐標軸與測量船中心的三坐標軸完全重合，且隨船體運動出現(xiàn)橫搖、縱搖和艏搖（見圖4）。因此，多波束測深系統(tǒng)在正式工作之前，必須正確、嚴格地進行各項系統(tǒng)參數(shù)的校正測定。需要測定的系統(tǒng)參數(shù)有：橫搖偏角、縱搖偏角和艏搖偏角等[10]。

圖4 多波束測深系統(tǒng)橫搖縱搖艏搖示意

在平坦的海底，橫搖角度誤差導(dǎo)致水深誤差大，而且隨著波束角、縱橫搖角度的增大而增加，當(dāng)波束角θ＞30°時，橫搖角度誤差引起的水深相對誤差會超過0.1%[11]?？v搖參數(shù)校正時，精度須小于±0.1°；而橫搖參數(shù)校正時，精度須達到±0.01°[12]。對縱搖、橫搖角度偏差參數(shù)校正值的獲取，主要通過實測法和剖面重合法[13]。實測法即在實際測量中借助地形圖中等深線或地物間距離和坡度的計算獲得參數(shù)的方法[14]，橫搖、縱搖實測校正示意見圖5、圖6。

橫搖偏差可用下式計算：

圖5 橫搖校正示意

圖6 縱搖校正示意

式中：DR為橫搖偏差，（°）；Dz為測線往返方向上測量的水深差，m；Da為垂直航跡方向的距離，m。

縱搖偏差可用下式計算：

式中：Dp為縱搖偏差，（°）；Db為兩次測量的地形特征沿相反航跡方向偏移量，m；H為測量水深，m。

1.3 艏搖及升沉校正

艏搖偏差使測點位置以中央波束為原點旋轉(zhuǎn)同一角度，造成位移在中央波束處為0，離中央波束越遠，位移越大，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)的錯誤[15]。艏搖偏差的校正應(yīng)選擇特征地形進行，測量船通過兩條平行測線（測線間距應(yīng)保證邊緣波束重疊不小于10%），以相同速度相同方向各測量一次[16]。利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行校正時，沿航向選擇重合部分的波束，通過比較重疊部分的兩個剖面確定的最小偏差即為艏搖偏差。如圖7所示，海底孤立目標物實際位置在B處，當(dāng)調(diào)查船從左側(cè)測線經(jīng)過時，目標物探測位置移動到A處，當(dāng)調(diào)查船從右側(cè)測線經(jīng)過時，目標物探測位置移動到C處，則艏搖偏差可用下式計算：

式中：Y（θ）為艏搖偏差，（°）；Dc為目標物位置兩次測量相差距離，m；d為調(diào)查船移動時與目標物之間的最小距離，m。

圖7 艏搖偏差校正示意

1.4 延時校正

當(dāng)GPS接收機與多波束采集數(shù)據(jù)之間存在時間延遲時，會導(dǎo)致測量地形在航向上發(fā)生整體偏移，即為延時偏差[17]。對這種誤差的校正方法為：在測區(qū)內(nèi)選定一個典型目標A，布設(shè)一條通過A的測線，校正過程見圖8。

圖8 時間延遲校正示意

延時校正可用下式計算

式中：DT為時間延遲，s；Dd為兩次測量的特征地形沿相同航跡方向的偏移量，m；Vh為較高的航速，m/s；Vl為較低的航速，m/s。

校正時沿航向選擇特征地形的中央波束，利用多波束系統(tǒng)軟件自動計算，分粗算、精算、極精算三步進行，逐步縮小計算范圍，得出最優(yōu)值。通常，可以利用軟件的斷面查看器判讀校正效果，如果特征地形吻合或者吻合趨勢較好，則校正值可以采用[18]。

2 工程應(yīng)用

2.1 測量方案制訂

本測量項目為趙東區(qū)域某海上油田航道的維護性疏浚土方量計算提供依據(jù)。測量水深之前，先確定調(diào)查作業(yè)測線。在布設(shè)測線時，按照相關(guān)規(guī)范及技術(shù)要求，同時考慮到海流狀況，保證多波束測深儀探測時測量船舶航行的勻速與穩(wěn)定，測線間距定為20 m，符合規(guī)范要求。在測線方案中，布設(shè)不進行系統(tǒng)校正和進行系統(tǒng)校正的測線各2條，用來進行水深測量效果對比分析；按規(guī)范要求數(shù)目布設(shè)主測線15條和水深聯(lián)絡(luò)測線8條（見圖9）。根據(jù)測量結(jié)果，若顯示主測線與檢查線（水深聯(lián)絡(luò)測線）相交處水深基本吻合且處于設(shè)計水深值誤差范圍內(nèi)，測量水深圖及地形圖與航道設(shè)計水深圖及地形圖（見圖10）相符，表明水深測量成果符合規(guī)范要求[18]。

圖9 水深測量測線布設(shè)方案

2.2 系統(tǒng)校正作業(yè)

本測量項目的航道水深地形測量設(shè)備使用HT-300S多波束測深系統(tǒng)。測深系統(tǒng)換能器安裝在測量船側(cè)，以降低噪聲影響且不易產(chǎn)生氣泡；運動姿態(tài)傳感器（MRU）安裝在平行于測量船的軸線的駕駛艙中；電羅經(jīng)安裝在測量船的艏艉線上，方向指向船首；導(dǎo)航定位GPS天線安裝在測量船頂部開闊的位置（見圖11）。水深測量校正前，先精確量取多波束換能器吃水深度，姿態(tài)傳感器、GPS與換能器之間的相對位置距離，使系統(tǒng)各部分的安裝測量準確度≥0.05 m[19]。

圖10 航道設(shè)計水深圖與地形圖

圖11 多波束測深系統(tǒng)安裝示意

分別選擇系統(tǒng)校正和未校正測線進行水深測量，以此來分析未校正水深數(shù)據(jù)測量偏差。根據(jù)文中闡述的多波束系統(tǒng)橫搖、縱搖、艏搖、延時以及聲速校正方法，在設(shè)定的系統(tǒng)校正測線上進行校正操作。

縱搖校正時，以相同速度，沿相反方向，兩次通過同一測線進行；橫搖校正時，也以相同速度，沿相反方向，兩次通過同一測線進行，與縱搖校正相似；艏搖校正時，以相同速度，沿同一方向，通過等長的兩條測線進行；延時校正時，以兩種不同速度，沿同一方向，兩次通過同一測線進行。校正過程分析見表1。

2.3 未校正測量與分析

對測量所得的水深數(shù)據(jù)使用專業(yè)軟件進行處理，選取未校正測線與聯(lián)絡(luò)測線交點處的水深值進行對比。從對比可以看出，未進行系統(tǒng)校正的測量水深數(shù)據(jù)點具有明顯異常特征，普遍相比航道設(shè)計水深值小（見表2），誤差范圍最大可達80%，不符合水深測量標準規(guī)范要求。

對未進行校正的水深測量數(shù)據(jù)進行成圖，得出的水深圖具有明顯的異常區(qū)，海底地形圖中也明顯可見異常地形（見圖12），與航道設(shè)計參數(shù)（見圖10）不相符。

2.4 校正測量與分析

校正測量時，通過船速要均勻，把定航向減小航跡線偏移，增加重合區(qū)域[20]。測量過程中，當(dāng)船體姿態(tài)有明顯改變、換能器或運動姿態(tài)傳感器位置移動、測線重合不好時，重新進行系統(tǒng)參數(shù)的校正[21]。

表1 多波束測深系統(tǒng)誤差校正

表2 未校正測量的水深值與設(shè)計值對比

圖12 系統(tǒng)未校正測量的航道水深圖與地形圖

對測量所得的水深數(shù)據(jù)使用專業(yè)軟件進行處理，對每條測線進行仔細檢查，去掉邊側(cè)漂移點及明顯失真測深點的數(shù)據(jù)后，生成水深測點數(shù)據(jù)無明顯異常特征（見表3），誤差范圍多集中在5%，符合水深測量標準規(guī)范。

對進行校正的水深測量數(shù)據(jù)進行成圖，得出的航道測量區(qū)域水深圖和地形圖無明顯異常區(qū)域（圖13），與航道設(shè)計參數(shù)（圖10）相符。

表3 校正測量的水深值與設(shè)計值對比

圖13 系統(tǒng)校正后測量的航道水深圖與地形圖

2.5 技術(shù)方案評價

通過設(shè)定系統(tǒng)校正和未校正測量方案，得出的未進行系統(tǒng)校正的水深數(shù)據(jù)具有明顯異常點，進行系統(tǒng)校正的水深數(shù)據(jù)平滑連續(xù)，得出的航道海底地形圖也更加真實，符合航道設(shè)計特征。多波束測深系統(tǒng)校正過程可有效減小測量誤差，剔除多束測深異常點，減小水深測量系統(tǒng)誤差，使得測量結(jié)果更加合理準確，表明多波束測深系統(tǒng)校正技術(shù)應(yīng)用于實際測量作業(yè)中是科學(xué)有效的。

3 結(jié)束語

多波束測深系統(tǒng)進行水深地形測量時，系統(tǒng)換能器存在的縱搖、橫搖、艏搖差及延時偏差，直接影響水深測量質(zhì)量。通過調(diào)整儀器設(shè)備、進行設(shè)備校正操作，可以減小測量誤差，獲得高質(zhì)量的測量數(shù)據(jù)和提高海洋勘察測繪作業(yè)效率。本文結(jié)合實際工程作業(yè)，較為系統(tǒng)地介紹和驗證了多波束測深系統(tǒng)校正技術(shù)在水深地形測量中的科學(xué)有效性，對多波束測深系統(tǒng)的水深地形測量作業(yè)具有較好的參考指導(dǎo)作用。

[1]HEALY T．Channel Dredging，Dredge spoil migration and downdrift[J]．New Zealand Geographer，2008，50（2）：3-6.

[2]BROWN C J，SMITH S J，LAWTON P，et al．Benthic habitat mapping：A review of progress towards improved understanding of the spatial ecology of the seafloor using acoustic techniques[J]．Estuarine Coastal&Shelf Science，2011，92（3）：502-520.

[3]FOX C G，CHADWICK W W，EMBLEY R W．Evaluation of arctic multibeam sonar data quality using nadir crossover error analysis and compilation of a full-resolution data product[J]．Computers&Geosciences，2014，66（2）：228-236.

[4]孫革.多波束測深系統(tǒng)聲速校正方法研究及其應(yīng)用[D].青島：中國海洋大學(xué)，2007：58.

[5]FLINDERS A F，MAYER L A，CALDER B A，et al.Evaluation of arctic multibeam sonar data quality using nadir crossover error analysis and compilation of a full-resolution data product[J].Computers&Geosciences，2014，66（2）：228-236.

[6]余平，劉方蘭，肖波.多波束關(guān)鍵技術(shù)——波束形成原理[J].南海地質(zhì)研究，2005（1）：67-73.

[7]李家彪.多波束勘測原理技術(shù)與方法[M].北京：海洋出版社，1999：92-96.

[8]CUTTER G R，BERGER L，DEMER D A.A comparison of bathymetry mapped with the Simrad ME70 multibeam echosounderoperated in bathymetric and fisheries modes[J]．Ices Journal of Marine Science，2010，67（6）：1 301-1 309.

[9]黃承義，肖春橋，田豐，等.基于EM系列多波束水深測量的聲速剖面校正方法及技巧[J].測繪通報，2012（S1）：698-699.

[10]劉勝旋，關(guān)永賢.多波束系統(tǒng)的參數(shù)誤差判斷及校正[J].海洋測繪，2002（1）：33-37.

[11]YU J，HENRYS S A，BROWN C，et al．A combined boundary integral and Lambert's Law method for modelling multibeam backscatter data from the seafloor[J].Continental Shelf Research，2015，103：60-69.

[12]韓李濤，陽凡林，孔巧麗，等.多波束測深系統(tǒng)校正參數(shù)求解方案及可視化實現(xiàn)[J].測繪科學(xué)，2011（4）：108-110．

[13]張海濤，唐秋華，周興華，等.多波束測深系統(tǒng)換能器的安裝校正分析[J].海洋通報，2009，28（1）：102-107.

[14]馬建林，金菁，劉勤，等.多波束與側(cè)掃聲納海底目標探測的比較分析[J].海洋測繪，2006，26（3）：10-12.

[15]趙建虎，劉經(jīng)南.精密多波束測深系統(tǒng)位置修正方法研究[J]．武漢大學(xué)學(xué)報信息科學(xué)版，2002，27（5）：473-477.

[16]王閏成.多波束測深系統(tǒng)的安裝校正[J].海洋測繪，2003，23（1）：34-37.

[17]李素江.應(yīng)用PPS消除多波束水深測量的導(dǎo)航延時[C]//第十九屆世界疏浚大會論文集.北京：世界疏浚大會，2010：52-61.

[18]吳英姿，徐新盛，喬力爭.多波束測深系統(tǒng)的精度評估方法研究[J].海洋技術(shù)學(xué)報，2003，22（3）：65-69．

[19]張寶平.中海油海上導(dǎo)航定位技術(shù)發(fā)展綜述[J].石油工程建設(shè)，2015，41（2）：1-4.

[20]吳永亭，陳義蘭.多波束系統(tǒng)及其在海洋工程勘察中的應(yīng)用[J].海洋測繪，2002，22（3）：26-28.

[21]周豐年，趙建虎，周才揚.多波束測深系統(tǒng)最優(yōu)聲速公式的確定[J].應(yīng)用海洋學(xué)學(xué)報，2001，20（4）：411-419.