多波束測深系統(tǒng)應(yīng)用方向探討

古保春

摘 要：隨著海洋在全球戰(zhàn)略地位日益突出，海洋工程勘察的作用也日益凸顯。多波束作為海底地形測量的重要手段被廣泛應(yīng)用于海洋工程勘察工作之中。該文從多波束系統(tǒng)的組成、多波束系統(tǒng)與傳統(tǒng)單波束系統(tǒng)的對比、影響多波束精度的因素以及多波束系統(tǒng)的應(yīng)用范圍等幾方面做了詳細(xì)闡述。

關(guān)鍵詞：海洋工程勘察 多波束系統(tǒng) 多波束應(yīng)用

中圖分類號：P204 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）09（c）-0042-02

隨著海洋在全球中的戰(zhàn)略地位日趨突出，世界主要沿海大國紛紛把維護(hù)國家海洋權(quán)益、發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)、保護(hù)海洋環(huán)境列為本國的重大發(fā)展戰(zhàn)略，海洋工程勘察作為海洋經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)性工作顯得日益重要。海底地形測量時(shí)海洋工程勘察中的重要組成部分，而多波束測深系統(tǒng)憑借其高效率、高精度的特征被廣泛應(yīng)用于海洋工程勘察之中。

1 多波束系統(tǒng)

多波束測深是水聲技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)和數(shù)字化傳感器技術(shù)等多種技術(shù)的高度集成，由多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，雖然不同的多波束系統(tǒng)的組成單元不盡一致，但大體上可以將其分為聲學(xué)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和外圍輔助傳感器幾個(gè)部分。多波束采集系統(tǒng)完成波束的觸發(fā)，經(jīng)換能器發(fā)射和接收后將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，反算出其測量距離或記錄往返時(shí)間，通過定位設(shè)備、姿態(tài)儀、聲速剖面儀和電羅經(jīng)等實(shí)現(xiàn)船舶瞬時(shí)位置、姿態(tài)、航向的測定以及海水中聲速的傳播特性，最終由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)綜合聲速、定位、姿態(tài)、聲速剖面和潮位等信息，計(jì)算波束腳印的深度及坐標(biāo)，繪制海底地形圖。

2 多波束與單波束的比較

多波束具有高分辨率、高清晰度、全覆蓋的特點(diǎn)，能夠全面客觀的反映測區(qū)的海底地形，其有效掃寬可達(dá)水深的4～6倍，同時(shí)水深點(diǎn)間隔小，相比單波束更加快捷、直觀。在通常情況下，由于多波束測深系統(tǒng)在測量的同時(shí)進(jìn)行姿態(tài)補(bǔ)償，可以減少天氣、海況等因素對船體搖晃所造成的誤差影響，因此其自符性要更勝一籌，尤其是在水下地形起伏較大的區(qū)域表現(xiàn)的更加明顯；此外，當(dāng)波束換能器的波束角大于單波束波束角，投影在海底的波束腳印較大，卻只獲得一個(gè)簡單的深度值，會進(jìn)一步加大測量誤差。

然而，對于淺水區(qū)，聲速變化不規(guī)律，且容易對多波束探頭造成損壞，多使用單波束與多波束配合使用。

3 影響多波束測深精度的因素

多波束影響精度的因素很多，但在具體工程應(yīng)用中，更關(guān)心的是如何避免可控范圍內(nèi)的影響以及對如何已經(jīng)產(chǎn)生的影響進(jìn)行補(bǔ)救。在此，筆者根據(jù)造成的影響是否能夠補(bǔ)救將影響多波束測深精度誤差分為兩類：固定誤差和可變誤差。固定誤差的影響可以在后期處理過程中進(jìn)行補(bǔ)救，如換能器、GPS、運(yùn)動(dòng)傳感器的位置偏差，換能器吃水改正、潮位改正，以及固定傳感器的時(shí)延偏移和多波束的矯正參數(shù)，包括LAT，ROLL，PITCH等。可變誤差的影響會造成不可逆轉(zhuǎn)的后果，包括時(shí)間同步不正確、聲吶頭安裝桿與運(yùn)動(dòng)傳感器自身震動(dòng)、船體自身枕頭導(dǎo)致聲吶頭與傳感器的震動(dòng)、運(yùn)動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)漂移、DGPS間歇性改正等可變定位誤差以及聲速剖面不正確等等。

在進(jìn)行外業(yè)測量時(shí)，一定要保證船身穩(wěn)固，并選用適合的材質(zhì)制作聲吶桿，并將其穩(wěn)定的固定在船體，防止震動(dòng)的產(chǎn)生，同時(shí)要確保吃水量取正確，換能器、GPS、運(yùn)動(dòng)傳感器正常工作、相對位置精確、參數(shù)設(shè)定合理，并使用正確的潮位數(shù)據(jù)。

3.1 時(shí)延校準(zhǔn)

多波束時(shí)延誤差主要包括3個(gè)方面，定位設(shè)備與測深系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延、波浪運(yùn)動(dòng)與測深系統(tǒng)間的時(shí)延、羅經(jīng)與定位設(shè)備間的時(shí)延，后兩種產(chǎn)生的時(shí)延誤差相對較小，因此在通常的測量中只考慮定位時(shí)延即可。在校準(zhǔn)時(shí)，選取在有突起的巖石、疏浚航道等有地形起伏的水域，采用同線同向不同速度穿越目標(biāo)，根據(jù)二者位移與速度之差求取時(shí)延，通常高船速可為低船速的兩倍。

3.2 橫搖偏差校準(zhǔn)

橫搖偏差是指多波束換能器在安裝過程中產(chǎn)生的橫向角度偏差，導(dǎo)致的水深測量值誤差會隨其離開中央波束的夾角增大而增大。由于其他誤差均是垂直向誤差，因此建議首先校準(zhǔn)橫搖誤差。校準(zhǔn)時(shí)，選取海底平坦的海區(qū)，采用同線反向同速度各航行一次，反復(fù)計(jì)算，直至兩個(gè)海底平面重合為止。

3.3 縱搖偏差校準(zhǔn)

縱搖偏差是指換能器縱向安裝偏差所引起的沿航跡前后向的位移。在校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)選取航道邊坡等地形變化較大的水域進(jìn)行，采用同線反向同速度穿越目標(biāo)，調(diào)整縱搖角度使疊加在一起的兩組圖形重合，計(jì)算出縱搖角度。

3.4 艏搖偏差校準(zhǔn)

艏搖是指在平面上由于角度便宜所引起的平面上的相應(yīng)水神殿坐標(biāo)位置的偏差。艏搖偏差對邊沿波束的定位產(chǎn)生影響，且隨著深度增加而增大。在校準(zhǔn)時(shí)，選取航道邊坡或其他陡砍，同向同速距離最大覆蓋寬度的2/3倍布設(shè)兩條測線，調(diào)整YALL值，獲得最佳的艏搖偏差角度。

4 典型案例

4.1 掃海測量

錨地是指港口中供船舶安全停泊、避風(fēng)、海關(guān)邊防檢查、檢疫、裝卸貨物和進(jìn)行過駁編組作業(yè)的水域，在船舶安全和檢驗(yàn)檢疫等方面發(fā)揮了極為重要的作用，因此要對錨地的水深、地貌、地質(zhì)及流速流向資料進(jìn)行定期檢測。圖1為廣東某港區(qū)錨地改擴(kuò)建一期工程掃海測量時(shí)淺點(diǎn)多波束圖片，區(qū)域內(nèi)紅色部分為淺點(diǎn)的實(shí)際位置，高出周圍海底約0.4米，圖2為該障礙物的側(cè)掃圖片。

4.2 平臺調(diào)查

多波束在海洋石油平臺調(diào)查中起到了十分重要的作用，多用于探測平臺周圍的海底狀況和分析沖淤情況。圖3 為早期CPOE3與CPOE33沖淤調(diào)查工程中CPOE33平臺周圍水域多波束調(diào)查成果。多波束結(jié)果可以直觀的反映測區(qū)水深情況，其中最淺處水深位于平臺東北側(cè)（紅色區(qū)域）；最大水深位于平臺南側(cè)（深藍(lán)色區(qū)域），此外可以明顯反映出漁業(yè)活動(dòng)留下的零星散布的錨溝。

4.3 管線路由調(diào)查

海洋石油工業(yè)在國民生產(chǎn)中占著十分重要的地位，為確保海底管道、電纜正常穩(wěn)定工作，有必要對其進(jìn)行定期檢測，通常采用單波束測深、多波束測深、側(cè)掃聲納測量、管線剖面測量等多種先進(jìn)工程物探相結(jié)合的調(diào)查手段，圖4為廣東某海底管線調(diào)查的多波束海底圖像，圖中管溝與海管位置突出，周圍水深由淺及深的趨勢明顯，為調(diào)查工作提供了極大的便利。

參考文獻(xiàn)

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