多波束参数误差的判断及校正.docx

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多波束参数误差的判断及校正

多波束系统的参数误差判断及校正

刘胜旋关永贤

（广州海洋地质调查局510760）

摘要多波束回声测深系统是当今世界上最先进的测深系统之一，高精度、高效率是其最突出的特点。

系统参数的可靠性直接影响着测量结果的精度。

本文试图对主要的系统参数误差进行分析，判断误差的种类和来源，并提出测定的方法及校正措施。

关键词多波束，纵倾偏角，横摇偏角，时间延迟，航偏角，声速剖面，潮汐改正

一引言

多波束回声测深系统的出现，为研究海底地形地貌、寻找沉没于水中的飞机船舰、进行水下考古、铺设海底管线、航道岸堤测量、工程疏浚的土方计算等一系列工作提供了可靠的手段。

然而，对于任何一套精密仪器，其参数正确与否，是影响整个系统性能和精度的主要因素。

因此，在正式工作前，都必须正确、严格地测定它们的各项参数。

多波束测深系统也不例外，在每一个航次前，或有关键硬件设备更换时，都应进行系统参数测定。

需要测定的系统参数有：

横摇偏角（Rollbias）、纵倾偏角（Pitchbias）、时间延迟（TimeOffset）、航偏角（Yawbias）。

另外，在以上四项参数测定前，还需要作声速剖面（SVP）校正。

结合多年来的多波束工作经验，本文试图系统地介绍各参数误差的现象，判断误差的来源，并提出相应的测定和校正方法。

水层2声速为V′

声速界面

换能器

θ′

θ

水层1声速为V

图1声波在不同介质中的传播

二声速剖面误差及校正

海水是不均匀的介质，声波在海水中传播时，速度受海水温度、压力和盐度等因素影响而发生变化。

声速随着温度、压力、盐度的增大而增大，其中与温度的相关性最大，压力次之，盐度最小。

但在江河入海口、海底淡水泉口等处，由于海水与淡水的混合，盐度变得极为不均匀，声速也随时空而频繁变化。

不同的声速在海水中构成一系列声速层，使得声波传播时遵循Snell定律发生声线弯曲（如图1）。

声线弯曲误差对多波束测深的影响主要反映在两个方面：

一是对声线传播距离的影响，也就是对覆盖宽度的影响；二是对水深测深值的影响。

图2是典型的声速误差的例子，该图是东亚交汇2号光缆路由调查的一部分，距香港大屿山南部仅25公里。

该海域的海水盐度变化较大，水中悬浮颗粒成分复杂和分布不均，因而声速随时空变化较快。

图中共有5条测线，其中第3条测线是由于使用了不适当的声速剖面，造成了条幅两侧出现了非地形因素的对称性弯曲，这是声速剖面误差的典型表现。

采集更多的声速剖面，并且在时间和空间上分布合理，是保证多波束测深精度的关键。

一般来说，在远离海岸线的较深海域，主要考虑温度及水深的变化即可，因为该类海域的海水盐分在潮流、涌浪等动力的作用下，混合得较充分，且受河流淡水的影响较小，横向上很少出现盐度明显变化的情况，在这种情况下，声速剖面在空间上的分布密度可适当地放宽。

在近岸较浅水域，应重点考虑盐度的变化，声速剖面在空间上的分布密度应适当加大，但在昼夜温差变化较大的海区，还应考虑温度因素，声速剖面在时间上的分布密度应加大。

表1是作者根据调查研究后提出的声速剖面在空间和时间上的最大控制范围。

在海上作业过程中，判断声速剖面是否适用的比较有效的方法有：

①实时表层声速（假如有的话）的是否发生明显变化，如3.5m/s；②实时条幅剖面的两侧是否出现非地形因素的对称弯曲现象。

当发现声速剖面不再适用时，要及时地进行声速剖面的采集和更换使用。

表1

水深范围

适用时间

控制范围

200米以浅

小于2天

0.5゜×0.5゜

200～4000米

小于15天

1゜×1゜

4000米以深

小于1个月

2゜×2゜

也可以在后处理进行声速校正，但相对于实时控制来说要麻烦得多。

三导航定位时间延迟误差及校正

1误差分析

如果定位系统与测深系统不同步，将使测深点产生位移，使测得的海底地形发生变形，这种效应通常称为定位时间延迟误差。

系统延迟效应对测深的影响见图3（a）、3（b）所示。

图中箭头所指为测线航行，P为真实位置，P′为记录位置，△为位移。

从图3（a）可知，当测量船沿统一方向测量时，系统性延迟将使所有的水深点位移△，从而使整个海底地形产生偏移；而当测量船按正反方向交替测量时（见图3（b）），系统性延迟将使正向测量的水深值向右移△，反向测深值左移△，使整个海底地形产生条带状交叉错位。

位移△的大小与航速成正比，例如：

当延迟△t=0.6秒、V=12节时，位移值将达3.7米。

因此，在精度要求较高的沿岸及港口工程测量中，当船速较大时，时间延迟效应不容忽视。

2误差校正

2.1同一目标探测法

在海区内选定一突出目标，沿某一固定测线以相同的速度往返观测两次，得到同一目标的两个偏移位置P′和P″（参见图3（b））,可得延迟位移△为：

△=P′P″/2

测定船速V，进一步得定位系统的时间延迟为：

△t=△/V

需要注意的是，用以上方法来测定延迟误差时，应首先消除纵倾偏角误差，否则不能用此法。

2.2剖面重叠法

在海区内选定一突出目标或斜坡，布设一条通过突出目标或垂直斜坡的测线，以较低的航速V1（如4节）沿测线测量，得到目标P的偏移位置P′；再以较高的航速V2（如10节）沿同一方向测量，得到目标P的偏移位置P″（见图4（a））。

作两条测线的纵向剖面图，得到如图4（b）两条虚线所示的剖面图,通过水平移动两条虚线，使它们最佳重叠，得到位移距离2△，则时间延迟△t=2△/（V2-V1）。

2△

PP＇P〃

△

图4（a）

航向

2△

图4（b）

通过以上方法得到△t后，输入实时数据采集系统或后处理系统即可完成导航定位时间误差延迟校正。

用剖面重叠法来测定延迟误差，不受纵倾偏角误差存在的影响。

值得注意的是，由定位时间延迟引起的误差和由纵倾偏角引起的误差，在表象上相似，仅从地形图上看，较难区分。

因此，应尽量使用剖面重叠法测定时间延迟，并应优先于其它参数安排测定。

四横摇偏角、纵倾偏角误差及校正

1误差分析

与传统单波束探测的线状剖面不同，多波束达到条幅式面状测量，船舶摆动时换能器与水平面存在夹角，对其探测产生较大影响，波束形成时必须校正到水平面。

一般将夹角分解为两个方向的假想夹角，即纵倾角、横摇角。

纵倾角（Pitch）是换能器与水平面纵向的夹角，横摇角（Roll）是换能器与水平面垂直龙骨方向的夹角，它们是多波束测深的两个关键参数。

这两个参数角实际上都包含一个动态分量和一个静态分量。

动态分量是由于风、涌、波浪等因素造成的，可以通过涌浪补偿器予以校正。

静态分量是由于安装时造成的，分别称为纵倾偏角和横摇偏角。

在实施测量前，必须准确测量纵倾偏角和横摇偏角的值。

图5（a）为横摇偏角误差的实例，该图的一个明显特点是：

相邻两条侧线的边缘波束水深值无法很好地拼接，它们或呈叠瓦状、或呈V字型、或呈倒V字型相拼接。

图5（b）是校正后的效果图。

图6为一纵倾偏角误差校正前及校正后示意图，其最大的特征是：

在有陡坎的地方，当测线的方向相反时，相邻测线的水深等值线在陡坎部位出现严重的错位。

进行参数测定时，首先应进行横摇偏角的测定。

因为横摇偏角的测定通常需在较平坦的海区进行，基本上可以不考虑纵倾偏角产生的影响；反之，如果先进行纵倾偏角的测定，因为需在较陡峭的地方进行，由于横摇偏角的不确定，地形变形失真，足以影响纵倾偏角的结果。

需要说明的是，在进行参数测定前，必须首先进行声速剖面的测定和校正。

图5（a）横摇偏角校正前

图5（b）横摇偏角校正后（－1.51°）

（a）校正前

（b）校正后（6.0°）

图6纵倾偏角误差校正实例

图7横摇偏角测定示意图

1横摇偏角的测定

选择一处比较平坦的海区布置一测线AB，见图7所示，在海况良好时，以正常的航速（如10节）往返测量，选择符合要求的两条测线（航向相反，航迹较直且重复性较好，时间相隔短），然后用多波束系统的横摇偏角校正模块，在垂直测线方向截取剖面（CD线），通过调整横摇偏角，使两剖面最佳重合，这时的值就是横摇偏角。

2纵倾偏角误差校正

找一个有斜坡的海域，布设一条垂直于等深线方向的测线AB（图8），在海况良好时，以正常的航速（如10节）往返测量，选择符合要求的测线，然后用多波束系统的纵倾偏角校正模块，在测线方向截取剖面（CD线），通过调整纵倾偏角，使两剖面最佳重合，这时的值就是纵倾偏角。

图8纵倾偏角测定示意图

五电罗经误差及校正

1误差分析

电罗经安装后应进行电罗经指向与船艏指向的可能存在偏差，这个偏差叫航偏角。

因多波束测深系统发射的扇形声波及接收阵列的排列与船艏向是相互垂直的，如果电罗经与船艏向不一致，将影响换能器阵列的发射、接收角度，导致覆盖宽度减小，降低工作效率。

更为重要的是，这将导致除中央波束外的所有波束定位错误，离中央波束越远，误差越大，从而导致测量数据的错误。

由电罗经误差而引起的成图变形如图9（b）所示。

假设图9（a）的红线为一实际条带状海底地形，由于一顺时针电罗经误差角的存在，无论船的航向如何，都会导致该条带状地形绕中央波束顺时针旋转同一角度。

这种现象在野外时由于无法对相邻的测线进行对比，而在室内成图时由于进行了网格化插值、圆滑等处理，在成果图上较难发现，因此常常被忽略。

图9电罗经误差示意图

由电罗经误差而导致海底地形的变形无论是在野外实时质量监控时、还是在成果图上都比较难以发觉。

在野外施工时，对于任何一种海底突出异常体，无论在同一测线上如何同向、往返测量，还是十字交叉测量，都无法通过实时监控确定罗经误差的存在，故在海洋测量、工程测量中电罗经误差校正就显得重要。

2误差测定

罗经校正最好在船只停泊码头时进行。

首先用绳子把船固定在码头边，再用经纬仪精确测定船艏向并与电罗经的指向进行对比，确定电罗经的校正值。

水面

海底参考点

图10（a）罗经校正侧视图

图10（b）罗经校正俯视图

如果想通过测量数据来进行校正，可找一个有突出标志物的海区（图10（a）），在标志物的一侧直线航行，用右舷边缘波束测量标志物，得到一个文件；在标志物的另一侧反向直线航行，同样用右舷边缘波束测量标志物，得到另一文件。

（这两条测线平行且与标志物的距离相等）。

第一次航行时，由于存在罗经误差角g，故本应在R位置的水深点偏移到了R1（图10（b））；同样，反向航行时，R位置的水深点偏移到了R2。

测量R1与R2之间的距离d，航迹与目标点R之间的垂直距离r，则航向偏角可由下式算出：

g=arctg（

）

六潮汐误差及改正

通常地，在水深小于200米的浅海区域进行多波束海底地形测量，必须进行潮汐改正。

改正数据可以是实测潮汐资料，也可以是潮汐预报资料。

一般在近岸海洋工程等高精度测量时，最好采用实测潮汐资料，以使所测的水深值能正确反映海底地形的微细特征。

在一般的扫海测量及需要现场处理的海洋工程测量时，则可使用潮汐预报资料。

潮汐预报资料在近岸海区用100多个分潮的调和常数进行推算，便可以相当准确地推算实际潮汐了。

而从实用上来说，远岸海区选用8-11个较大的分潮，也就可以得到偏差不大的结果，其中8个主要的分潮为即M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1。

但是对于浅水区，除了上述几个较大的分潮外，还要补充几个由于潮波在浅水区变形和干涉引起的“浅水分潮”。

即M4、M6、MS4。

由于近岸区潮汐在时间、空间上变化都较大，所以每10′×10′的面积里应设一预报站；远岸区每隔20′×20′的面积内应设一预报站，预报时间间隔均为6分钟。

上述预报潮汐的时间、空间密度可以使相邻站位相互衔接，缓慢变化。

如果时间、空间密度太稀，则会造成相邻站位产生台阶式的误差。

图11为一潮汐改正误差的例子，在误差测线的条幅覆盖范围内，水深值明显浅于周围测线，这是因为该测线的测量时间与周围测线的测量时间不属于同一范围内，且气候因素发生异常所引起的潮汐改正误差。

一般来说，用实测潮汐数据改正的水深资料不会存在这种误差，而用潮汐预报数据改正的水深资料则有可能因气候因素异常而存在这种误差。

图11潮汐误差实例

目前，有关潮汐改正误差（主要指使用潮汐预报资料）方面的文章鲜有报道，也没有提出有效的改正方法。

一是因为按照正常情况，采用8－11个分潮预报的潮汐资料，已经满足改正精度的需要了，但气候异常因素没有考虑在内。

二是如果按叠瓦方式连续测量，而不是在中间有穿插测线的话，即使预报潮汐资料存在误差，也无法从成果图上辨认出来。

如果发生了上述误差的话，一个可行的改正办法就是：

记录误差测线（部位）的起始时间及误差量，然后在潮汐改正文件中找到对应的时间，根据误差量对预报潮汐值进行相应的改正，最后对测量资料进行重新处理、成图。

七涌浪补偿器误差

当调查船航行时，由于受到风力、海浪、海流等因素的影响，船体必然出现一个绕X、Y、Z轴旋转的复杂的三维运动，这个运动的结果是极大地改变了波束的发射与接受方向。

如果不实时进行校正，则难以保证野外资料的准确性和可靠性，甚至接收不到有效资料。

三维涌浪补偿器通过采用高灵敏度的三维加速度传感器来获得船体的运动幅度数据，然后实时地进行补偿，以消除调查船在波浪中的飘摇对测深数据的影响。

图12为一涌浪补偿器误差的实例，该区的水深为20米左右，在后处理时发现大面积地存在类似沙浪的沟坎地形，当把测线航迹叠加显示时，发现这些沟坎随着航迹线的转向而转向，因此，可以判定这并非真实的海底地形，而是由于涌浪补偿器误差，导致补偿不足，其中主要是垂直方向的补偿不足造成的。

而引起涌浪补偿器误差的原因可能是由于涌浪补偿器温度过高致使工作不正常，或者其他原因造成的。

图12涌浪补偿器误差实例

最后补充说明一下，虽然此误差不属于参数校正误差之列，也没有一种可靠、有效的校正方法，在此例举出来，主要是让大家对各种误差表现有一个较全面的认识，以便更好地判断各种误差产生的根源。

八结束语

本文较全面、系统地阐述了多波束测深时各种参数误差产生的来源，以及单个参数误差产生时，对测深成果图的影响及相应的校正方法。

但是，在实际工作中，各种参数误差往往是以随机组合的形式出现，相互影响，这给误差来源的判断增加了一定的难度，因此，这就要求野外质量控制人员或室内资料处理人员在工作中不断地积累经验，努力提高业务水平。

本文在这方面试图起到一种抛砖引玉的作用，望广大同行能提出更加有效的判断及校正方法。

参考资料：

1．刘雁春等海道测量定位与测深的延时效应《海洋测绘》1999年第1期

2．李全兴等多波束测深系统在海洋工程测量中的应用《海洋测绘》1999年第2期

3．小组合著海洋学山东海洋学院海洋热学教研室1980年

4．丁继胜等声速剖面对多波束测深的影响《海洋测绘》2000年第2期

5．OPERATORMANUALKongsbergSimradEM950Multibeanechosounder1998年

6．OPERATORMANUALSimradNeptunePostprocessingSystem1995年Baseversion

7．DavidW.Caress,DaleN.Chayes,GuidetoMBSYSTEM,SeaBeamInstrumentsInc,1995.

8．SeaBeamInstruments,USA,SeaBeam2000,2100SeriesMultibeamBathymetricSystem,1994.

作者简介：

刘胜旋：

广州海洋地质调查局资料处理研究所，地球物理工程师，专业从事多波束资料的海上采集、室内处理及制图技术的研究，liuagp@。

关永贤：

广州海洋地质调查局资料处理研究所，地球物理高级工程师，专业从事多波束资料的海上采集、室内处理及制图技术的研究，以及其它地球物理资料（重力、磁法等）处理的方法研究，smest@。