刁永洲

摘 要：本文結(jié)合筆者參與的珠江流域某河道水深測量的工程案例，探討了影響多波束水深測量精度的幾個因素，包括定位精度，定位時延、橫搖、縱搖、艏搖，系統(tǒng)測深精度，各設(shè)備間的距離精度，聲速測量，驗潮精度，數(shù)據(jù)覆蓋密度，數(shù)據(jù)處理剔除噪聲等，并結(jié)合工程案例重點探討了橫搖、縱搖、艏搖對測深精度的影響，相信對從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：水深測量 多波束 精度 影響因素

中圖分類號：P229 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）01（b）-0081-02

目前，多波束測深系統(tǒng)已經(jīng)向集成化與模塊化方向發(fā)展，數(shù)據(jù)處理也實現(xiàn)了軟件自動化處理，隨著珠江流域水利水電建設(shè)測繪技術(shù)的發(fā)展，筆者所在單位引進(jìn)成套的多波束測深系統(tǒng)，主要設(shè)備包括：Sonic 2022聲吶系統(tǒng)、GPS羅經(jīng)、姿態(tài)儀、聲速剖面儀等，主要軟件包括：R2Sonic聲吶控制軟件、QINSy數(shù)據(jù)采集軟件、CARIS數(shù)據(jù)處理軟件等，在許多工程中發(fā)揮出了巨大的作用?，F(xiàn)以珠江流域某河段多波束測深系統(tǒng)測量為例，分析影響測量精度的因素，采取提高測量精度的措施。

1 多波束系統(tǒng)工作原理

多波束測深系統(tǒng)是組合設(shè)備系統(tǒng)，GPS羅經(jīng)可以進(jìn)行瞬時定位，姿態(tài)儀可以確定瞬時姿態(tài)參數(shù)，聲吶探頭可以探測瞬時水深，將這些設(shè)備測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合計算并加以改正，便可得出準(zhǔn)確的水深數(shù)據(jù)。多波束測深系統(tǒng)的工作原理是利用發(fā)射換能器陣列向水下發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波，利用接收換能器陣列對聲波進(jìn)行窄波束接收，通過發(fā)射、接收扇區(qū)指向的正交性形成對水下地形的照射腳印，對這些腳印進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，探測瞬間就能測量出與航向垂直的垂面內(nèi)上百個甚至更多的水深值，從而能夠快速、精確地測出沿航線一定寬度內(nèi)水下目標(biāo)的大小、形狀和高低變化，比較可靠地描繪出水下地形的三維特征。

2 影響多波束測量精度的因素

2.1 定位精度影響

定位精度除受定位設(shè)備的精度直接影響外，主要還受水下地形的影響，定位誤差對水深點的影響是改變了具體位置處的真實水深值。測量時采用的GPS羅經(jīng)是Trimble GPS定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用信標(biāo)差分技術(shù)進(jìn)行位置定位，定位精度優(yōu)于±1m，測區(qū)水下地形坡度約為1∶20，±1m的定位誤差在坡度線上對水深產(chǎn)生±0.05m的影響，完全滿足水下地形測量精度要求，況且多波束測深時為平行河道測量，測線基本上沿水下等高線進(jìn)行，定位影響可以忽略不計。但如果水下地形坡度較大或比較復(fù)雜，提高定位精度可提高水下測量精度。

2.2 定位時延、橫搖、縱搖、艏搖的影響

定位時延中誤差規(guī)范要求不小于0.05s，以5節(jié)船速計算，所產(chǎn)生的定位誤差為±0.13m，由此產(chǎn)生的水深誤差可以忽略不計。如定位時延誤差過大、船速過快、水下地形復(fù)雜，將會對水下測量產(chǎn)生較大的影響。橫搖偏差規(guī)定中誤差應(yīng)小于0.05°，測區(qū)的平均水深為30m，波束角為1°×1°，波束橫向開角控制在120°，當(dāng)探桿固定垂直向下無傾角誤差時，邊緣波束將產(chǎn)生約±0.05m橫向的水深誤差，這種誤差對水深測量影響很小。當(dāng)橫搖偏差校正誤差達(dá)到0.1°，將會對水深產(chǎn)生約±0.1m的誤差，隨著誤差的變大，橫搖偏差將對水深產(chǎn)生較大的影響?？v搖偏差規(guī)定中誤差應(yīng)小于0.3°，測區(qū)的平均水深為30m，波束角為1°×1°，波束橫向開角控制在120°，當(dāng)探桿固定垂直向下無傾角誤差時，邊緣波束將產(chǎn)生約±0.05m的縱向水深誤差，這種誤差對水深測量影響很小。當(dāng)縱搖偏差過大時，同樣對水深產(chǎn)生較大的影響，與橫搖偏差相比較，縱搖偏差對水深測量影響較小。艏向偏差規(guī)定中誤差應(yīng)小于0.1°，測區(qū)的平均水深為30 m，波束橫向開角控制在120°，當(dāng)探桿固定垂直向下無傾角誤差時，經(jīng)計算，邊緣波束將產(chǎn)生約±0.09m的點位偏差，在水下地形坡度約為1∶20的水域產(chǎn)生的水深誤差可以忽略不計。但如果艏向偏差誤差較大或水下坡度較大，水深誤差也隨著增大。

2.3 系統(tǒng)測深精度

Sonic 2022型高分辨率寬帶多波束測深系統(tǒng)是世界上第一臺真正的高分辨率寬帶淺水多波束測深儀，代表了當(dāng)前最先進(jìn)的水下聲學(xué)技術(shù)，其最大量程500m，量程分辨率為1.25cm，精度高，在不考慮其他因素的影響下，單獨的測深精度完全滿足水下地形測量的要求。

2.4 提高各設(shè)備間的距離精度

系統(tǒng)各配套設(shè)備的傳感器位置與測量船參考坐標(biāo)系原點的偏移量應(yīng)精確測量，讀數(shù)至厘米，往返各測1次，水平方向往返讀數(shù)互差應(yīng)小于50mm，豎直方向往返讀數(shù)互差應(yīng)小于20mm，在限差范圍內(nèi)取其均值作為測量結(jié)果。提高各設(shè)備間的距離量測精度或在船坐標(biāo)系中的坐標(biāo)精度，能夠提高水深計算精度。

2.5 聲速測量的影響

聲速與海水溫度、鹽度和靜水壓力密切相關(guān)，聲速隨溫度升高而增大，溫度升高1℃聲速的變化是原來的35%，則聲速將增大約5m/s，聲速受溫度影響最大；隨鹽度增加而增大，鹽度增加1，聲速值增加約1.14m/s；靜壓力增加，聲速值增加，海水深度變化100m，聲速增量約1.75m/s。經(jīng)計算，聲速每變化10m/s，水深變化將達(dá)0.3m左右，聲速對測深精度影響相當(dāng)大，多波束測深對聲速測定要求很嚴(yán)格，多波束系統(tǒng)配備的是Odom Digibar S聲速剖面儀，量程為1400～1600m/s，分辨率為0.01m/s，精度為±0.2m/s，如按要求使用聲速剖面儀并且操作和采集數(shù)據(jù)正確，能夠滿足多波束測深的要求。

2.6 驗潮精度的影響

水位觀測可采用驗潮站的自記式驗潮儀、便攜式驗潮儀、水尺等，其觀測誤差不得大于2cm，驗潮站的密度應(yīng)能控制測區(qū)的潮汐變化，相鄰驗潮站之間的距離應(yīng)滿足最大超高差不大于1m、最大潮時差不大于2h、潮汐性質(zhì)相同。多波束測量時在6km河段的上游、中游、下游分別布置了3把水尺，按要求進(jìn)行觀測，驗潮精度可以滿足要求。

2.7 數(shù)據(jù)覆蓋密度的影響

Sonic 2022型多波束測深系統(tǒng)波束角為1°×1°，瞬時測量可達(dá)256個波束，如果波束開角控制適當(dāng)，在平均水深約30m的河底，能夠生成不大于0.52m的水下點位密度，可形成高分辨率的水下三維地形，但如果波束開角較大、河水較深，勢必降低水下地形分辨率，地形的精度也會有所降低。

3 工程案例

多波束測深系統(tǒng)測量在珠江流域某河段得到了充分應(yīng)用，現(xiàn)舉例說明橫搖、縱搖、艏搖對多波束測深的精度影響，其他因素主要屬于設(shè)備自身精度的影響，提高儀器本身的精度可以提高測深精度，這個不難理解?？紤]到橫搖、縱搖和艏搖3個姿態(tài)參數(shù)同流速、船速和波浪等因素之間的聯(lián)系，因此選取較為理想的條件進(jìn)行姿態(tài)參數(shù)求定，經(jīng)過實地測量并嚴(yán)格校準(zhǔn)，校準(zhǔn)值分別是橫搖值R=-0.45°，縱搖值 P=-0.5°，艏搖值Y=0°，經(jīng)校準(zhǔn)值計算的水深可認(rèn)為為實際水深值，圖1為一條測線的部分圖形。

根據(jù)斷面上的數(shù)據(jù)，分別變化各校準(zhǔn)值重新計算測量水深，并與實際水深值進(jìn)行比較，統(tǒng)計結(jié)果表明，當(dāng)水深約37m，橫搖值減少0.05°和0.1°，波束角右舷60°的位置實測水深變化約0.05m和0.10m；當(dāng)水深約48.4m，橫搖值減小0.05°和0.1°，波束角左舷60°的位置實測水深變化約-0.06m和-0.13m；波束角越大，水深越深，橫搖值的變化對測深精度影響越大，因此規(guī)范要求，橫搖偏差規(guī)定中誤差應(yīng)小于0.05°。當(dāng)水深約37m，縱搖值減少0.3°，波束角右舷60°的位置實測水深變化約0.01m；當(dāng)水深約48.4m，橫搖值減小0.3°，波束角左舷60°的位置實測水深變化約-0.02m，因此規(guī)范要求，縱搖值偏差規(guī)定中誤差應(yīng)小于0.3°。

結(jié)果表明，當(dāng)水深約37m，艏搖值增加0.1°，波束角右舷60°的位置實測水深變化約0.01m；當(dāng)水深約48.4m，艏搖值增加0.1°，波束角左舷60°的位置實測水深變化約0.01 m，因此規(guī)范要求，艏搖值偏差規(guī)定中誤差應(yīng)小于0.1°。

由以上3個統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，橫搖偏差將對水深產(chǎn)生較大的影響，應(yīng)提高橫搖值校準(zhǔn)精度，同時當(dāng)水深較深時，應(yīng)盡量減小波束開角，減少測量誤差。

4 結(jié)語

多波束測深系統(tǒng)是多種技術(shù)集成的高科技系統(tǒng)，相關(guān)的設(shè)備多，外業(yè)測量及數(shù)據(jù)處理都比較復(fù)雜，各種設(shè)備不可避免地都會帶來測量誤差，除上述因素影響精度外，姿態(tài)儀靈敏度精度、控制網(wǎng)及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度、探桿安裝傾斜角度的誤差因素等也會影響最終精度，通過更換更高精度的設(shè)備、提高測量或安裝精度，嚴(yán)格按照多波束測深要求測量，對姿態(tài)進(jìn)行精密校正和對數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)處理，可以提高多波束測深精度，形成高精度的三維水下成果，滿足一般成圖精度要求，在水利建設(shè)方面有廣闊的應(yīng)用前景。

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