多波束測深數(shù)據(jù)殘余誤差精細(xì)處理

劉 賓，馮湘子

（1．中國海洋石油公司，廣州 深圳518000；2．中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 塘沽300451）

多波束測深系統(tǒng)在現(xiàn)場作業(yè)時(shí)，如果參數(shù)有誤，或者安裝不夠精密，會(huì)造成較大誤差，而且大多誤差無法通過后期處理完全修正。

現(xiàn)有的商業(yè)軟件能對大部分的誤差分析和校正，包括時(shí)延、橫搖、縱搖、艏搖等。對于運(yùn)動(dòng)傳感器（MRU）安裝偏差造成的與橫搖縱搖呈線性相關(guān)的偏差，陽凡林等曾提出過解決方法，但是搭載便攜式多波束的探桿抖動(dòng)造成的無規(guī)律隨機(jī)誤差尚未有解決方案。為此，本文提出解決此類問題的方案，并編寫了多波束數(shù)據(jù)提取和分析軟件。

1 多波束誤差的產(chǎn)生

1．1 安裝偏移

指在多波束測深系統(tǒng)安裝過程中產(chǎn)生的偏差，包括在平面上與船艏向的偏移Yaw、縱向上沿前后方向的偏移Pitch和沿左右方向的偏移Roll。

使用常規(guī)勘察船進(jìn)行多波束測深作業(yè)時(shí)，一般將多波束換能器固定于船體底部。外業(yè)船側(cè)搭載便攜式多波束系統(tǒng)時(shí)，由于每次作業(yè)前后都要進(jìn)行收放，且探桿穩(wěn)定性差，出現(xiàn)的問題較多，可能每次放下設(shè)備后的姿態(tài)都有差異。按規(guī)范要求應(yīng)每次收放都進(jìn)行一次校正，如果校正不夠精確，則會(huì)造成安裝偏移誤差。

1．2 運(yùn)動(dòng)傳感器（MRU）偏移

常規(guī)勘察船的運(yùn)動(dòng)傳感器和多波束探頭都是固定的，很少存在此類問題。而在外業(yè)船作業(yè)過程中，運(yùn)動(dòng)傳感器一般在出港前進(jìn)行安裝，如果安裝有誤或者參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤（空間坐標(biāo)偏差、安裝角度偏差、與船艏向偏差等）則會(huì)造成偏移誤差。

1．3 抖動(dòng)誤差

常規(guī)勘察船的多波束換能器安裝在船底，作業(yè)時(shí)姿態(tài)比較穩(wěn)定。外業(yè)船搭載便攜式多波束測深系統(tǒng)時(shí)，一般用鋼制探桿將多波束放入水中，探桿長數(shù)米，在航行過程中在水流的阻力作用影響下，由于連接處不夠緊密或者探桿的彈性形變，產(chǎn)生不規(guī)律的抖動(dòng)。

2 實(shí)例分析

作業(yè)區(qū)域?yàn)槲覈虾?，水深約90～100 m，作業(yè)方式為外業(yè)船搭載的便攜式EM302多波束測深系統(tǒng)，在沉船南北側(cè)同向做了兩條由西向東的測線。初步處理后的資料較差，如圖1所示，且測量誤差較大。

1圖1中的縱切剖面顯示存在安裝偏移 由橫搖誤差造成；

2）兩次測量測得的沉船位置相差十幾米，表明艏搖有誤差；

3）沿航跡方向上大的起伏與橫搖線性相關(guān)，說明運(yùn)動(dòng)傳感器與船艏向存在夾角；

4）大的起伏上還存在細(xì)小的錯(cuò)動(dòng)，說明探桿存在抖動(dòng)。

圖1 多波束原始測深

2．1 安裝偏移修正

1）橫搖修正。以圖1的縱向剖面圖計(jì)算需要修正的橫搖角度：

式中：ΔD為同一坐標(biāo)的深度差，ΔL為兩條測線間距。

2）艏搖校正。將兩次測量中發(fā)現(xiàn)的同一特殊地貌位置進(jìn)行標(biāo)定，計(jì)算艏搖：

式中：ΔL為兩條測線間距，d為同一地貌特征的平面距離。

2．2 運(yùn)動(dòng)傳感器（MRU）位置偏差校正

水深數(shù)據(jù)與運(yùn)動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)（橫搖Roll、縱搖Pitch、起伏Heave）存在線性關(guān)系，說明運(yùn)動(dòng)傳感器存在偏差。設(shè)理論MRU與船艏向夾角α，根據(jù)α重新計(jì)算水深值并觀察三維圖或左右兩側(cè)水深剖面，調(diào)節(jié)α使水深與橫搖和縱搖的線性關(guān)系消失即可。

2．3 抖動(dòng)誤差校正

本例中所使用的便攜式多波束測深儀使用鋼制探桿放入水中，前后由鋼纜固定，因此前后的抖動(dòng)幾乎可忽略不計(jì)，僅在左右方向上的抖動(dòng)較為明顯。觀察測線兩側(cè)70～110 m處地形較為平坦見圖2，以10 m為間隔取8組水深平均值。計(jì)算8組數(shù)據(jù)相對于理論海底的深度偏差，計(jì)算理論抖動(dòng)角：

式中：θi為第i個(gè)脈沖的理論抖動(dòng)角；Dij為第i個(gè)脈沖的第j個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的深度與理論海底的深度差；Lij為第i個(gè)脈沖的第j個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的橫坐標(biāo)。

若一個(gè)脈沖內(nèi)各抖動(dòng)角基本相符（通過計(jì)算均方差判斷），則說明所測海底與平均海底之間存在此抖動(dòng)角。以此抖動(dòng)角將此次脈沖的各個(gè)水深點(diǎn)的水深D和橫坐標(biāo)L進(jìn)行修正，見圖3。

圖2 數(shù)據(jù)選取（后視圖）

圖3 抖動(dòng)誤差修正示意圖

式中：D，L為原深度和垂直于航跡方向上的距離；D′，L′為修正后的深度和垂直于航跡方向上的距離；θ為理論抖動(dòng)角。

整體校正后多波束數(shù)據(jù)質(zhì)量有了很大地提高見圖4，其中整個(gè)測線均做了安裝偏移校正，可以發(fā)現(xiàn)校正后的兩條測線的差異已改正。此外，對黑色虛線內(nèi)數(shù)據(jù)做了MRU校正和抖動(dòng)誤差校正，可見其起伏和抖動(dòng)已得到較大改善，而虛線外仍然存在明顯的起伏。

圖4 修正前（左）后（右）三維圖對比

3 結(jié) 論

1）在使用多波束測深系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，現(xiàn)場質(zhì)控非常重要。若在后期處理發(fā)現(xiàn)所測數(shù)據(jù)存在非常規(guī)誤差，只能在一定程度上減小誤差，無法精確修正。

2）使用目前的商業(yè)軟件進(jìn)行多波束處理雖然操作簡單，但是無法接觸數(shù)據(jù)儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)新問題時(shí)無從下手。本文開發(fā)的多波束數(shù)據(jù)提取、分析和修改輔助軟件，將原有的水深誤差減小至合理范圍內(nèi)。

3）在所有的誤差中，安裝偏移影響最大、最常見、最容易修正。在要求不高的情況下進(jìn)行安裝偏移的校正，即可滿足基本要求。

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