單波束測深的誤差來源與質(zhì)量控制

摘? 要：淮河航道的維護(hù)和整治必須以高精度的測量數(shù)據(jù)作為核心基礎(chǔ)。為了提高單波束測深的精度，通過闡述單波束測深系統(tǒng)的作業(yè)原理，找出單波束測深實(shí)際操作過程中的誤差來源為：聲速、測船姿態(tài)、換能器相對(duì)位置，并分析各因子對(duì)測深精度的影響，從而有針對(duì)性地提出因聲速、測船姿態(tài)、換能器相對(duì)位置變化引起誤差的消除措施。通過對(duì)相關(guān)參數(shù)的改正、校準(zhǔn)和作業(yè)流程的規(guī)范來進(jìn)行質(zhì)量控制，提升單波束測深精度。

關(guān)鍵詞：單波束;誤差;質(zhì)量控制

中圖分類號(hào)：P207;P229 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）22-0033-03

Error Sources and Quality Control of Single Beam Sounding

GAO Mushuai

（Huaihe Waterway Bureau of Anhui Port and Waterway Administration，Bengbu? 233000，China）

Abstract：The maintenance and improvement of the Huaihe waterway must be based on high-precision measurement data. In order to improve the accuracy of single beam sounding，this paper describes the operation principle of single beam sounding system，and finds out the error source in the actual operation process of single beam sounding：sound speed，ship attitude，relative position of energy converter，and analyzes the influence of each factor on the accuracy of the sounding，and then puts forward targeted measures to eliminate errors caused by the sound speed，ship attitude，and relative position of energy converter. Through the correction and calibration of relevant parameters and the specification of operation process，the quality control is carried out to improve the accuracy of single beam sounding.

Keywords：single beam;error;quality control

0? 引? 言

隨著“十四五”的開局起步，安徽水運(yùn)迎來了大發(fā)展、大跨越的機(jī)遇，這也助推了淮河航道事業(yè)的發(fā)展。安徽省港航管理局淮河航道局主要負(fù)責(zé)淮河（三河尖—紅山頭）航道、渦河（懷遠(yuǎn)口門—蒙城閘下）航道、茨淮新河（入淮口—闞疃閘）航道的勘察測量和日常維護(hù)工作。為了確?；春雍降腊踩珪惩?，淮河航道局利用單波束測深系統(tǒng)定期對(duì)淮河進(jìn)行水深測量。作者長期從事港口與航道相關(guān)工作，在航道測量方面具有豐富的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)際航道測量中發(fā)現(xiàn)，受諸多因素影響，單波束測深有時(shí)難以滿足淮河航道維護(hù)和整治工程對(duì)高精度測量數(shù)據(jù)的要求。

為了解決該問題，本文著重分析了單波束測深隨機(jī)誤差源和它們對(duì)測深精度的影響以及常用的質(zhì)量控制方法。該研究的成果應(yīng)用在淮河航道整治和維護(hù)工程的水深測量工作后，提升了單波束測深的精度，為全面提升淮河航道保障維護(hù)水平，為促進(jìn)淮河航道的安全暢通提供理論支撐。

1? 單波束測深系統(tǒng)介紹

1.1? 單波束測深原理

水下地形測量是指運(yùn)用測量儀器確定水下地物的三維坐標(biāo)，從而對(duì)河底起伏形態(tài)和地物進(jìn)行描述的一種測量手段，其中，最核心的就是水深測量，即測深。根據(jù)使用儀器的不同，水深測量可以劃分為測繩重錘測量、單波束測深、多波束測深、機(jī)載激光測深。憑借著作業(yè)效率高、使用便捷、成本較低、操作簡單等優(yōu)勢，單波束測深逐漸成了水深測量最常用的技術(shù)手段。

單波束測深采用的是回聲測深原理，采用換能器垂直向下發(fā)射短脈沖聲波，當(dāng)脈沖聲波遇到水底時(shí)發(fā)生反射，反射回波被換能器接收，從而根據(jù)聲波在河底間的雙程旅行時(shí)間和水介質(zhì)的平均聲速確定水深。如圖1所示，換能器至水底的深度H為：

其中，c為水介質(zhì)中的聲速;t為聲波在水中往返所需的時(shí)間。

將圖1中換能器至水底的深度加上換能器的吃水深度，可得水面至水底的深度D為：

其中，h為換能器吃水深度，即換能器吃水深度改正值;ΔDt為潮位改正值。

1.2? 單波束測深儀的安裝與校準(zhǔn)

采用單波束測深時(shí)，應(yīng)將RTK儀器和換能器安裝在固定桿上，并把固定桿安裝在船艇總長的? 處，避免測船航行產(chǎn)生的氣泡對(duì)聲速的影響。固定桿安裝時(shí)應(yīng)用鐵絲或繩索固定，以免作業(yè)過程中產(chǎn)生晃動(dòng)，同時(shí)，還應(yīng)遠(yuǎn)離螺旋槳，從而排除雜聲的干擾。換能器入水深度根據(jù)測區(qū)大致水深、流速、航速和測船吃水深度確定，一般為0.30～0.80 m。

聲速的大小與水溫、鹽度和壓力等因素有關(guān)。為了確保測深的準(zhǔn)確性，在作業(yè)開始前必須對(duì)單波束測深儀進(jìn)行校準(zhǔn)?，F(xiàn)場校準(zhǔn)時(shí)，如果條件具備，可用聲速儀直接測量聲速剖面，也可利用數(shù)字溫度計(jì)現(xiàn)場測定海水的溫度，根據(jù)水域的鹽度，利用測深儀聲速計(jì)算軟件計(jì)算聲速值。

一般選擇水流平穩(wěn)、底質(zhì)較硬且平坦的3.00～5.00 m的水域進(jìn)行校準(zhǔn)。利用單波束與塔尺同時(shí)分別測量水深，當(dāng)兩者之差不超過10 cm時(shí)，即認(rèn)為測深成果準(zhǔn)確，儀器性能正常。也可利用比對(duì)盤比測，比對(duì)盤可用一適當(dāng)大小的金屬圓盤和連接圓盤的線繩制成，線繩每1.00 m或0.50 m做一標(biāo)記，如圖2所示。利用比對(duì)盤不但可以檢查聲速是否正確，還可以檢查測深儀換能器吃水的情況。

利用比對(duì)盤比測的操作步驟如下：

（1）將比對(duì)盤放置在測深儀換能器下方距離水面1.00 m處，查看此時(shí)測深儀顯示的深度，如果測深儀未設(shè)置吃水參數(shù)，則1減去測深儀顯示的深度值即是換能器吃水;如果已輸入吃水參數(shù)，則1減去測深儀顯示的深度值就是吃水誤差，當(dāng)差值超過±0.05 m，需要重新確定吃水參數(shù)。

（2）將比對(duì)盤盡可能低地放于換能器下方，同時(shí)在測深儀上可以檢測到比對(duì)盤的深度，通過線繩上的標(biāo)記和測深儀的測量深度，查看測量結(jié)果，如果結(jié)果相同說明測深儀使用的聲速參數(shù)正確，儀器工作正常;如果差值較大，說明測深儀的聲速參數(shù)不正確或者儀器有問題。當(dāng)排除儀器的問題后，差值仍較大時(shí)，可以對(duì)測深儀使用的聲速進(jìn)行修正，用計(jì)算的正確聲速代替當(dāng)前的聲速，再做進(jìn)一步比測。

（3）將比對(duì)盤分別放置在測深儀換能器下方不同深度，查看測深儀在比對(duì)盤不同深度時(shí)的測量值，根據(jù)差值調(diào)整聲速或者吃水。

（4）重復(fù)上述過程，直到兩者的深度匹配為止。在用比對(duì)盤比測時(shí)，最好選在平靜、水流小的水域進(jìn)行。

2? 單波束測深的誤差來源

根據(jù)測深誤差產(chǎn)生的原因和出現(xiàn)的規(guī)律，可將其分為粗差、系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。粗差是指由于測量人員疏忽大意造成的錯(cuò)誤導(dǎo)致的測量結(jié)果明顯地偏離了真實(shí)值的誤差。如大數(shù)被讀錯(cuò)、記錯(cuò)。系統(tǒng)誤差主要是由于測量儀器偏差導(dǎo)致的，可以通過系統(tǒng)的校準(zhǔn)來檢測并補(bǔ)償改正。在消除和補(bǔ)償了粗差及系統(tǒng)誤差后，剩余的隨機(jī)誤差采用統(tǒng)計(jì)方法來分析。這里簡要分析幾個(gè)主要的測深隨機(jī)誤差源和它們對(duì)測深的影響，以及常用的質(zhì)量控制方法。

2.1? 聲速引起的誤差

根據(jù)公式H=ct可知，換能器至水底的深度H與聲速c和聲波在水中往返所需的時(shí)間t直接相關(guān)?，F(xiàn)代化的單波束測深儀，時(shí)間測量誤差一般比較小而且穩(wěn)定，經(jīng)過校準(zhǔn)測量并檢定合格的儀器產(chǎn)生的時(shí)間誤差可以忽略不計(jì)。所以，聲速是測深誤差的主要外部原因。

在單波束測量中，聲速隨著水體的溫度、鹽度和壓力的變化而變化，聲速誤差的大小主要與聲速測量的精度、聲速隨時(shí)間的變化、聲速隨空間的變化因素有關(guān)。聲速值設(shè)置的不準(zhǔn)確，直接導(dǎo)致測深數(shù)值的偏差。以淮河航道蚌埠閘下段水深測量為例，同一測區(qū)，水溫為5 ℃時(shí)，聲速為1 425.71 m/s，

水溫為10 ℃時(shí)，聲速為1 446.59 m/s，水溫為20 ℃時(shí)，聲速為1 481.62 m/s。

2.2? 測船姿態(tài)引起的誤差

測量船只的姿態(tài)測量包括船的橫搖、縱搖和垂蕩。測量船只受到風(fēng)、浪、流的作用，會(huì)出現(xiàn)橫搖、縱搖和垂蕩的姿態(tài)，從而導(dǎo)致測深儀中心波束傾斜面產(chǎn)生復(fù)雜的誤差變化，是一個(gè)既影響平面定位又影響測深的復(fù)雜過程。

當(dāng)船的橫搖角小于等于半波速角時(shí)，橫搖角造成的測深信號(hào)偏移仍在波束角范圍內(nèi)，所測得的深度可以認(rèn)為沒有附加誤差。當(dāng)船的橫搖角大于半波速角時(shí)，不僅會(huì)產(chǎn)生測深誤差，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生測深點(diǎn)的位置誤差。

測船縱搖產(chǎn)生的測深誤差比較復(fù)雜，縱搖不產(chǎn)生偏離測深線的位移，但會(huì)使水深點(diǎn)在測線上前后擺動(dòng)。如果河底是平的，則產(chǎn)生的誤差與橫搖產(chǎn)生的誤差類似，如果不進(jìn)行改正，記錄的圖像可能不是一個(gè)平面。

受涌浪的影響，測量船舶在作業(yè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生垂蕩，從而直接影響測深數(shù)據(jù)。測深儀換能器安裝的位置與該船舶垂蕩對(duì)測深數(shù)據(jù)的影響有直接關(guān)系。通過理論分析，當(dāng)測深儀換能器與測船的重心重合時(shí)，垂蕩對(duì)測深的影響最小。

2.3? 換能器相對(duì)位置變化引起的誤差

引起換能器相對(duì)位置變化的因素主要有三方面：

（1）測船重量。測量船舶作業(yè)時(shí)會(huì)不斷消耗船載燃料和水，船舶整體重量減輕，從而導(dǎo)致固定在船上的換能器吃水深度發(fā)生變化，進(jìn)而影響測量精度。

（2）測船航行下沉量。船舶在航行的過程中，船艏會(huì)發(fā)生下沉的現(xiàn)象，因而其吃水量比靜止時(shí)會(huì)有所增加，換能器的吃水深度也隨之變化，尤其是在淺水區(qū)域，由此產(chǎn)生的誤差更明顯。

（3）測船航速。測船航行時(shí)會(huì)出現(xiàn)拱頭和尾沉的現(xiàn)象，不同航速下，拱頭或尾沉的程度不同，換能器吃水深度也不同。

為提升單波束測深精度，應(yīng)全面分析誤差來源，掌握影響測深精度的因素，摸清其原理，采取相應(yīng)措施消除誤差，實(shí)現(xiàn)單波束測深的質(zhì)量控制。

3? 單波束測深的質(zhì)量控制

3.1? 消減聲速產(chǎn)生的誤差

由于聲速隨時(shí)間和空間而變化，其變化難以監(jiān)測和處理。因此，在測深數(shù)據(jù)采集時(shí)，應(yīng)根據(jù)測區(qū)情況，以適當(dāng)?shù)臅r(shí)間和空間間隔布設(shè)聲速剖面測量點(diǎn)，以減少由于聲速變化產(chǎn)生的測深誤差。尤其是水溫變化較快的測區(qū)，應(yīng)增加聲速剖面的測量。

3.2? 降低測船姿態(tài)引起的誤差

測量船受到風(fēng)、浪、流的作用，出現(xiàn)橫搖、縱搖和垂蕩的姿態(tài)，會(huì)導(dǎo)致測深儀中心波束傾斜面產(chǎn)生復(fù)雜的誤差變化，進(jìn)而影響到平面定位和測深。

針對(duì)橫搖和縱搖產(chǎn)生的誤差，可通過建立嚴(yán)密的船體坐標(biāo)系并實(shí)時(shí)測量船體姿態(tài)，對(duì)定位中心進(jìn)行改算來消除。

針對(duì)測量船出現(xiàn)垂蕩姿態(tài)時(shí)對(duì)測深的影響，可通過水深值改正來進(jìn)行消除：

（1）通過涌浪傳感器進(jìn)行改正。把涌浪傳感器與測深儀換能器放置在同一位置時(shí)，傳感器實(shí)測的數(shù)值就是為水深值的改正值。

（2）利用GPS高程數(shù)據(jù)的變化進(jìn)行改正。RTK測量不僅能獲得高精度的平面坐標(biāo)，還能獲得可靠的GPS高程數(shù)據(jù)。當(dāng)RTK儀器固定在連接桿上進(jìn)行作業(yè)時(shí)，獲得的GPS高程數(shù)據(jù)的變化即為換能器隨波浪的垂蕩變化。因此，可以根據(jù)GPS高程數(shù)據(jù)的變化值對(duì)水深進(jìn)行改正，消除或降低測船垂蕩產(chǎn)生的誤差。

3.3? 消除換能器相對(duì)位置變化引起的誤差

測船重量、測船航行下沉量及測船航速會(huì)改變換能器吃水深度，從而影響測深精度。針對(duì)這一問題，在實(shí)際測量時(shí)應(yīng)該從以下三方面做好質(zhì)量控制：

（1）測船作業(yè)前，燃料和水應(yīng)保持滿載狀態(tài)，作業(yè)過程中定期檢查燃料和水的消耗情況，并添加至滿載狀態(tài)。

（2）正確設(shè)置換能器的吃水深度。作業(yè)開始前，測船以測深時(shí)的正常航速航行，獲取換能器的吃水，并設(shè)置為換能器吃水深度?；蛘邔y船處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)換能器的吃水設(shè)置為換能器吃水深度，同時(shí)量取船舶航行時(shí)較靜止時(shí)的下沉量，并把該下沉量設(shè)置為動(dòng)態(tài)吃水改正數(shù)。

（3）測船作業(yè)過程中沿計(jì)劃主測線勻速航行，船速以獲取換能器動(dòng)態(tài)吃水時(shí)的航速為宜。同時(shí)測深作業(yè)應(yīng)在風(fēng)浪較小的情況下進(jìn)行，內(nèi)河波高超過0.40 m時(shí)，應(yīng)停止作業(yè)。

4? 結(jié)? 論

高精度的水深數(shù)據(jù)是淮河航道維護(hù)和整治最基礎(chǔ)的科學(xué)依據(jù)。為了獲取高精度的水深數(shù)據(jù)，本文結(jié)合測深常用的單波束測深手段，闡述了單波束測深的作業(yè)原理，分析了聲速、測船姿態(tài)、換能器相對(duì)位置對(duì)測深精度的影響，并針對(duì)性地提出了實(shí)際作業(yè)過程中消減聲速產(chǎn)生的誤差、降低測船姿態(tài)引起的誤差和消除換能器相對(duì)位置變化引起的誤差的措施，為進(jìn)一步提升單波束測深精度提供了思路。

參考文獻(xiàn)：

[1] 褚宏憲，周小明，史慧杰，等.水深測量誤差分析與改正 [J].物探與化探，2011，35（3）：358-363.

[2] 杜國元，黃金發(fā)，沈理.無姿態(tài)傳感器下RTK三維水深測量方法 [J].中國水運(yùn)，2015（11）：46-48.

[3] 勾啟泰.利用GPS-RTK高程進(jìn)行換能器升沉改正的研究 [J].巖土工程技術(shù)，2017，31（5）：225-228+257.

作者簡介：高慕帥（1988—），男，漢族，山東嘉祥人，科員，工程師，學(xué)士學(xué)位，研究方向：港口與航道工程、工程測量。