多波束水深测量误差分析及校正王军强

王军强

摘要：多波束水深测量有着可靠稳定以及覆盖面广等的优点。但多波束测深系统的声学原理以及海水具有不均匀性，声波在进行传播期间会出现线折射，而波束测点也会因此出现位置的计算不准确。因此，本文通过分析主要的系统参数误差，进一步深究并提出对应的测定方法和完善措施。

关键词：多波束；水深测量；误差分析；校正

1声速剖面误差及校正

海水本身具有不均匀的性质，因此声波在传播的过程中，会受到海水盐分密度、水压以及水温等多方面影响，继而产生对应性的改变。如声速会因海水的盐分密度、水压、水温的上升而加速，这里最密切相关的还是水温，其次是水压，再是海水盐分密度。为了能够更好地保障多波束测深的精准性、可靠性，通常采取较多的声速剖面，进行科学合理的时间安排以及空间上的布置，有目的地适当对声速剖面的空间分布密度进行调整。

2导航定位时间延迟误差及校正

2.1误差分析

通常定位系统都是和测深系统同步进行的，否则就会令测深点发生偏移，进而影响所测得的海底地形正常图形，这个过程叫做定位时间延迟误差。图1（a）、图1（b）为系统延迟效应对测深产生的影响。图中箭头为测线航行，P为真实位置，P′为记录位置，△为位移。由图1（a）可知，如果所测量的船沿方向是一致时，系统性延迟会使全部水深点位移△，进而造成海底地形出现位置差异；图1（b）为测量船以正反方向相互交替测量，这个时候系统性延迟会使正向测量的水深值右移△，反向测深值左移△，这个时候海底地形呈现条带状交叉错位。位移△的大小与航速成正比，例如：当延迟△t=0.6s、V=12节时，位移值将达3.7m。因此，像一般沿岸及港口等重大工程测量中通常在精度要求上比较严格，考虑到船速比较大的问题，需要事先想到时间的延迟效应。

图1系统延迟效应对测深产生的影响图2两条测线的纵向剖面图

2.2误差校正

（1）同一目标探测法。在规定的海域选择一处明显标志物，以一固定测线速度一致往返观测两次，获得同一目标的两个偏移位置P′和P″（见图2），可得延迟位移△为：△=P′P″/2测定船速V，得到定位系统的时间延迟为：△t=△/V但此方法的前提是需要规范避免纵倾角误差。（2）剖面重叠法。在规定的海域内选择一处明显的目标或是斜坡，计划设置一条测线，通过目标或是与斜坡所垂直，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′；然后以较高的航速V2（如10节）沿同一方向测量，得到目标P的偏移位置P″（见图2（a））。画出两条测线的纵向剖面图，如图2（b）两条虚线所示，以水平的方向移动两条虚线至完美重叠，得到位移距离2△，则时间延迟△t=2△/（V2-V1）。△t得到之后，接下来是修正导航真正的定位时间，可直接输入实时数据采集系统或后处理系统完成。

3横摇偏角、纵倾偏角误差及校正

3.1误差分析

与传统单波束探测有所不同，多波束是条幅式面状测量，船身在运行中摇晃的时候，其换能器和水面之间会产生夹角，从而在很大程度上对探测造成干扰，考虑到这个情况，所以需要在波束形成之时将其校正到水平面。将夹角进行分解为纵倾角、横摇角两个方向的假想夹角，这也是多波束测深的两个关键参数。由于这两个参数角当中含有一个动态分量和一个静态分量，分别称为纵倾偏角和横摇偏角。动态分量形成是风、涌、波浪等因素造成的，利用涌浪补偿器可以调整。静态分量的发生因安装过程所造。横摇偏角的参数测定应先于纵倾偏角，并且要选择一处地形较为平坦的海域进行，否则先进行纵倾偏角的测定，会因选择的区域较陡峭，横摇偏角本身不明确而导致地形发生异变，而纵倾偏角本身也会受之影响。所以，一般声速剖面测定校正完成在测定参数之前。

3.2横摇偏角的测定

选择海域位置需广阔、平坦，计划设置一条测线AB，于无外部强烈因素干扰的情况下，以正常平稳的速度匀速航驶（如10节）进行往返测量，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），利用多波束系统的横摇偏角对模块进行调整，在垂直测线方向截取剖面，调整横摇偏角，两剖面达至完美重合，此时值为横摇偏角。

3.3纵倾偏角误差校正

选择一处有斜坡的海域，计划设置一条直线使它垂直于等深线方向，当海面正常，无外部环境影响干扰的情况下，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），对纵倾偏角加以适当调整，使两剖面完美重合，此时的值为纵倾偏角。

4进行多波束测深系统误差分析时的建议

经过对相关资料的调查和分析，得出关于误差评估的具体方法的特点有以下几方面：

4.1静态精度评估

静态精度评估在考虑误差来源的实验中的应用较为广泛，因为静态的精度评估实际上是将进行测深的声呐基阵安置在固定的位置上，使其处于固定的静态，如果在实验室的水中，可以将声呐基阵安置在测量船上，使得换能器和测船的位置相对静止，达到静态精度评估的意义。从本质上来说，静态精度评估系统是较稳定的测量系统，可以利用重复测量的精度来分析声呐系统本身的测测量精度。但是对设备的精度分析有一定的参考性，对这个实验环境中影响实验数据准确性因素的评估还存在一定的不足，无法对水深和位置的误差进行一定的测量和分析，也是静态精度评估方法不完善的地方。

4.2相对精度评估

相较于静态精度的评估方式是针对设备的精度，相对精度的评估实际上是针对测量数据自身的数据间的精度分析。相对精度评估是借助一定的精准线的测量，对水深的测量数据的精度分分析具有较高的参考价值，可以分析在除了自身的系统因素之外的综合性的误差分析，对数据的整体分析具有较高的参考价值，选择天气和地响等影响较小的时间和地点进行测试，减少客观因素的影响，在中央水深以及边缘水深方面进行相对的平衡测量，获得较为科学的数据。

4.3绝对精度评估

绝对精度评估是整个系统精度中要求最高的，不仅是因为精度较高，还因为绝对精度是在静态精度评估和相对精度评估的基础上进行的。因为绝对精度的评估是在系统精度符合相关的精度规定时，对整个精度的进一步提高，可以从可控影响方面入手，也可以通过提高测量仪器的精度进行实验，利用高精度的测量仪器。

5结束语

本文通过对声速剖面误差、导航定位时间误差、横摇偏角和纵倾偏角误差的各方面因素进行了全方位分析，提出相对应的校正措施。但这并不代表可以万无一失地保障测量数据的无误，在实际当中，很多误差都是随机出现的，会受到各种各样的原因影响，甚至有的目前还未考虑到，这些误差之间相互作用、相互影响，又会形成新的误差，在很大程度上给误差来源判断增加了难度，所以，需要相应的技术人员培养足够的经验，努力提高自身的业务水平，尽量规避测量出现误差。

参考文献：

[1]古保春.浅析多波束测深系统安装误差校正研究[J].珠江水运，2016（5）：64-66.

[2]焦永强.多波束的校准方法及其成果分析[J].测绘地理信息，2014，39（6）：10-13.