多波束海洋測(cè)繪的誤差來(lái)源及控制探討

王曉琳

摘 ?要：該文基于筆者多年從事多波束的相關(guān)工作和相關(guān)研究，在閱讀大量相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)多波束測(cè)深方法做了較為全面的解釋，分析了參數(shù)校正方法，重點(diǎn)研究了誤差來(lái)源及控制思路，希望這些研究成果和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)為從事相關(guān)工作的同行提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：多波束 ?水深測(cè)量 ?精度 ?影響因素

中圖分類號(hào)：P229 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）10（b）-0037-02

多波束勘測(cè)技術(shù)作為一項(xiàng)全新的高精度海底地形探測(cè)手段，其在20世紀(jì)80年代的發(fā)展有著十分獨(dú)特的歷史背景和技術(shù)背景。一方面，傳統(tǒng)單波束測(cè)深儀要實(shí)現(xiàn)高精度地形測(cè)量，面臨兩大難題。一是采用窄波束技術(shù)，但波束的變窄需以換能器加大為代價(jià)，從而增加了測(cè)深儀的價(jià)格和安裝的費(fèi)用;二是加密測(cè)線，但又使測(cè)量成本大幅度地提高。因此在傳統(tǒng)測(cè)深技術(shù)框架下要尋找精度和價(jià)格平衡的支點(diǎn)十分困難。另一方面，高精度定位系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)傳感器、高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)、高分辨率顯示系統(tǒng)以及采集技術(shù)的數(shù)字化和相關(guān)的信號(hào)處理技術(shù)，已得到迅速發(fā)展。定位精度達(dá)到了10m或更高，高速的計(jì)算機(jī)使大量復(fù)雜的運(yùn)算在瞬間完成已成為可能，數(shù)字化采集技術(shù)與信號(hào)處理技術(shù)相互結(jié)合、互相推動(dòng)，從而使測(cè)深技術(shù)打破原有技術(shù)框架，進(jìn)行新的技術(shù)構(gòu)思成為可能。由于多波束技術(shù)采取廣角度發(fā)射和多信道定向接收，獲得水下高密度條幅式海底地形數(shù)據(jù)，從而徹底刷新了傳統(tǒng)測(cè)深技術(shù)的基本概念，突破了傳統(tǒng)單波束測(cè)深技術(shù)的局限，大大提高了海底地形勘測(cè)的精度、分辨率和工作效率，實(shí)現(xiàn)了測(cè)深技術(shù)史上的一次革命性突破。多波束勘測(cè)技術(shù)形成了新的海底地形測(cè)量技術(shù)框架，使其在測(cè)深原理、系統(tǒng)構(gòu)成、射線幾何學(xué)、誤差來(lái)源、校改正技術(shù)和勘測(cè)方法等方面形成了鮮明的特點(diǎn)。

1 ?多波束測(cè)量參數(shù)校正研究

為了保證多波束測(cè)深的精度，除了應(yīng)具有符合IHO精度指標(biāo)要求的多波束系統(tǒng)及其外圍設(shè)備外，在測(cè)量過(guò)程中還必須進(jìn)行嚴(yán)格的各項(xiàng)內(nèi)部影響因素的校正和各項(xiàng)外部影響因素的改正。

參數(shù)校正是指多波束系統(tǒng)為消除系統(tǒng)內(nèi)部的固有誤差而引人的誤差改正的基本方法，即多波束系統(tǒng)的參數(shù)校正方法，并通過(guò)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定，達(dá)到消除內(nèi)部誤差的目的，如圖1所示。

1.1 橫搖偏差校正

橫搖偏差校正是針對(duì)多波束系統(tǒng)的換能器在安裝過(guò)程中可能存在的橫向角度誤差而引人的一種校正方法。當(dāng)換能器橫向安裝角度與理論設(shè)計(jì)角存在偏差時(shí)，海底地形將受到嚴(yán)重彎曲。雖然各多波束系統(tǒng)橫搖偏差校正的具體計(jì)算方法有所不同，但其處理原理是一致的。假定在一個(gè)絕對(duì)平坦的海底進(jìn)行一條測(cè)線的數(shù)據(jù)采集，分別對(duì)左、右舷換能器同方向波束的測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以獲得一條由各種到達(dá)方向波束的平均深度值組成連續(xù)的測(cè)量海底。橫搖偏差校正的計(jì)算方法是使該連續(xù)的測(cè)量海底的坡度縮小為零。實(shí)際校正中，由于存在其他干擾因素，因此校正計(jì)算一般不能一次完成，計(jì)算過(guò)程需不斷重復(fù)，直到海底地形坡度小于垂直參考單元橫搖精度的1/2，即一般達(dá)到0.025°。

由于在橫搖偏差校正中不能保證測(cè)區(qū)海底地形絕對(duì)平坦，一般存在著輕微的坡度，因此在應(yīng)用上述方法計(jì)算海底坡度時(shí)必須考慮海底固有坡度和橫搖偏差引起的“海底坡度”的分離。分離的方法是進(jìn)行往返測(cè)線的數(shù)據(jù)采集，換能器同舷波束兩個(gè)測(cè)線方向的計(jì)算坡度差值的1/2為海底固有坡度，而兩坡度的均值為換能器安裝偏差引起的海底畸變，并以此坡度角進(jìn)行橫搖偏差校正。

由于導(dǎo)航延遲和縱搖偏差均造成測(cè)點(diǎn)的前后位移，而航向角偏差在平坦海底只造成波束橫向排列角度的旋轉(zhuǎn)，因此在平坦海底進(jìn)行橫搖校正不會(huì)受其他偏差的影響，即橫搖偏差校正獨(dú)立于其他校正，故應(yīng)予首先進(jìn)行。

1.2 電羅經(jīng)偏差校正

導(dǎo)航延遲、縱搖偏差和電羅經(jīng)偏差則與橫搖偏差不同，這些偏差在平坦海底區(qū)測(cè)量時(shí)不會(huì)產(chǎn)生假的水深值，但都會(huì)產(chǎn)生測(cè)點(diǎn)的位移，因此這些偏差對(duì)測(cè)量的影響往往是綜合的、彼此相關(guān)的。這意味著必須選擇特殊的邊界條件來(lái)區(qū)分這些效應(yīng)，并按一定次序來(lái)完成校正。

電羅經(jīng)偏差的存在將會(huì)造成測(cè)點(diǎn)位置以中央波束為原點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)位移，即這種位移具有在中心波束處為零，但在邊緣波束處增至最大的特點(diǎn)。根據(jù)這一特點(diǎn)，在測(cè)區(qū)選擇一個(gè)線性目標(biāo)進(jìn)行往返測(cè)線測(cè)量，如果多波束系統(tǒng)確實(shí)存在電羅經(jīng)偏差（即航向偏差），則電羅經(jīng)偏差角將使線性目標(biāo)以中央波束為原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)相同的一個(gè)角度。由于往返測(cè)線航向相反，從而造成線性目標(biāo)在兩測(cè)線數(shù)據(jù)疊加后成為交叉的兩條線而不是單獨(dú)的一條線。電羅經(jīng)編差就等于這兩條線之間的夾角的1/2。

1.3 導(dǎo)航延遲校正

導(dǎo)航延遲與船只航行速度有關(guān)，它引起測(cè)點(diǎn)沿航跡方向的前后位移。因此，進(jìn)行導(dǎo)航延遲校正的合適目標(biāo)是突起巖石、疏浚航道、尖角等。為了使校正達(dá)到高精度，測(cè)量時(shí)測(cè)區(qū)水深應(yīng)較淺，以減小電羅經(jīng)和縱傾偏差效應(yīng)。并且應(yīng)以中心波束穿越目標(biāo)，以減小電羅經(jīng)偏差效應(yīng)。以相同的測(cè)線來(lái)回穿過(guò)目標(biāo)幾次，選擇最高的可能船速（要求船速不變），以減小電羅經(jīng)和縱搖偏差效應(yīng)。測(cè)量中扇區(qū)開(kāi)角應(yīng)較小，以增加發(fā)射更新率（數(shù)據(jù)密度）。測(cè)量完成后疊加兩個(gè)方向的所有測(cè)線，標(biāo)出兩個(gè)不同方向測(cè)線測(cè)得的目標(biāo)。如果多波束系統(tǒng)存在導(dǎo)航延遲，則兩個(gè)方向測(cè)線測(cè)得的同一目標(biāo)是分離的。若兩個(gè)方向測(cè)線目標(biāo)之間的距離為L(zhǎng)，則導(dǎo)航延遲（N）為：

N=L/2v ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：v為船速。

1.4 縱搖偏差校正

換能器縱向安裝角度存在偏差也會(huì)引起測(cè)點(diǎn)沿航跡前后發(fā)生位移?？v搖偏差校正應(yīng)選擇一個(gè)孤立目標(biāo)進(jìn)行，測(cè)量方法仍是以相同的測(cè)線來(lái)回穿過(guò)目標(biāo)幾次。測(cè)量中船速應(yīng)保持不變并盡可能低，以減小導(dǎo)航延遲效應(yīng)及增加位置分辨率。測(cè)區(qū)水深應(yīng)盡可能大，以減小導(dǎo)航延遲效應(yīng)和增加角度分辨率。測(cè)線布設(shè)應(yīng)以中心波束穿越目標(biāo)頂部，以減小電羅經(jīng)偏差效應(yīng)。扇區(qū)開(kāi)角以增加發(fā)射更新率。測(cè)量后疊加兩個(gè)方向的所有測(cè)線，標(biāo)出兩個(gè)不同方向測(cè)線測(cè)出的目標(biāo)。如果存在縱搖偏差，則孤立目標(biāo)在往返測(cè)線多波束數(shù)據(jù)疊加圖上將出現(xiàn)兩個(gè)分離的目標(biāo)。

2 ?誤差來(lái)源及控制

多波束測(cè)深的外部影響因素是指在多波束測(cè)深過(guò)程中因水介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和探測(cè)基面的變化所引起的影響多波束側(cè)深的因素。它主要涉及潮位（參考基準(zhǔn)面）變化、換能器吃水變化和水介質(zhì)聲速變化3個(gè)方面，因此多波束相應(yīng)的數(shù)據(jù)改正應(yīng)包括潮位改正、換能器吃水改正和水介質(zhì)聲速剖面改正這3項(xiàng)。其中潮位和換能器吃水改正一般通過(guò)預(yù)報(bào)或?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)直接進(jìn)行深度改正，聲速改正由于介質(zhì)聲速不僅受水團(tuán)運(yùn)動(dòng)而經(jīng)常發(fā)生復(fù)雜變化，而且不同的聲速結(jié)構(gòu)將直接影響波束射線的空間路徑，因此是各項(xiàng)數(shù)據(jù)改正中最重要、同時(shí)也是最難控制的影響因素。下面主要討論聲速結(jié)構(gòu)及其時(shí)空變化對(duì)測(cè)量精度的影響，并在實(shí)例數(shù)值分析的基礎(chǔ)上指出其作用機(jī)理及其相應(yīng)的技術(shù)措施。

多波束測(cè)量系統(tǒng)依賴海水介質(zhì)對(duì)聲波的傳播和海底的反射和散射，它把接收到的信號(hào)按旅行時(shí)經(jīng)過(guò)聲速剖面折算成深度和側(cè)向水平距離，因此海水介質(zhì)的聲速剖面特征和結(jié)構(gòu)變化對(duì)測(cè)量及其精度控制來(lái)說(shuō)具有十分重要的地位。

2.1 聲速剖面結(jié)構(gòu)變化的影響

一般海水介質(zhì)聲速結(jié)構(gòu)可以分解成如下4種類型，即等速的均勻?qū)咏Y(jié)構(gòu)、隨深度增加聲速線性增加的遞增型結(jié)構(gòu)、隨深度增加聲速線性減少的遞減型結(jié)構(gòu)和兩個(gè)不等速均勻?qū)酉嗷クB置的躍層結(jié)構(gòu)。造成聲速結(jié)構(gòu)具有不同類型的原因是海水介質(zhì)的層化程度和不同水團(tuán)的疊置狀況。一般來(lái)說(shuō)，具體的聲速剖面往往是上述4種結(jié)構(gòu)類型的復(fù)雜組合和疊加。不同的聲速結(jié)構(gòu)具有不同波束旅行路徑，聲速結(jié)構(gòu)的差異將通過(guò)聲線彎曲直接影響海底探測(cè)精度，導(dǎo)致海底形態(tài)的畸變。

2.2 聲速剖面時(shí)間變化的影響

隨著水團(tuán)運(yùn)動(dòng)和層化的改變，即使同一地點(diǎn)在不同時(shí)間聲速剖面也有較大的變化。與聲速剖面結(jié)構(gòu)變化的影響一樣，聲速剖面的時(shí)間變化也對(duì)多波束測(cè)量精度有著重大的影響。

2.3 聲速剖面空間變化的影響

由于水團(tuán)性質(zhì)的不同和流場(chǎng)、流態(tài)的差異，聲速剖面在同一時(shí)間的不同地點(diǎn)也不盡相同，有時(shí)這種變化還相當(dāng)大，尤其在河口沖淡水區(qū)域。在研究加拿大Halifax Appoaches河口區(qū)聲速部面中，發(fā)現(xiàn)相距10km的兩點(diǎn)除表層聲速相同外，聲速剖面的其他部分已表現(xiàn)出明顯的結(jié)構(gòu)差異。聲速改正誤差模型分析表明，若不引入新的實(shí)地聲速剖面，則到達(dá)角大于60°的波束均不符合精度要求。為保證精度，就必須使用窄的扇區(qū)開(kāi)角，否則就必須更換實(shí)地的聲速剖面。

綜上所述，由于多波束測(cè)量對(duì)聲速結(jié)構(gòu)的強(qiáng)依賴性，為提高多波束測(cè)量精度，就必須控制聲速剖的測(cè)量誤差。另一方面，由于聲速剖面在時(shí)間和空間上的可變性，在多波束聲速改正中，為保證精度就必須使用實(shí)時(shí)、實(shí)地的聲速剖面，不能使用歷史聲速剖面資料。

3 ?結(jié)語(yǔ)

綜上所述，要保證多波束測(cè)深精度，除須具備符合精度要求的多波束系統(tǒng)及其外圍設(shè)備外，在測(cè)量過(guò)程中還必須保證各項(xiàng)校正和改正的精度，而在各項(xiàng)校改正過(guò)程中最難以控制精度的因素便是聲速改正，因此應(yīng)引起高度重視。應(yīng)在施測(cè)前充分了解測(cè)區(qū)的聲速變化情況，掌握海區(qū)一般的聲速變化特征，并據(jù)此確定合理的聲速剖面最大測(cè)量間隔。

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