摘要：多波束测深技术已经成为水下地形测量工程中的一种非常重要的水深测量方法。由于多波束测深系统是一套多传感器的综合性测量系统，与单波束测深设备相比，其测深误差具有一定的复杂性和隐蔽性。在多波束测量过程中，自然因素、仪器设备因素、人为操作因素等都会不同程度地影响测量精度。为获取高精度的多波束测量成果，必须对整个多波束测量过程进行严密的质量控制。
关键词：多波束测深系统；水深地形测量；水深数据；系统误差
1 前言
近年来，随着计算机以及卫星定位测量的高速发展，多波束测深系统的应用越来广泛，特别是在发达的欧美国家，多波束测量已经成为水下地形测量的常规手段。我国也陆续从国外引进大量多波束测深系统，并广泛应用于江河、水库、湖泊、海洋水下地形的测量。多波束测深系统在河道疏浚及港口、码头、桥梁工程的测量，并在抗洪抢险实时监测及溃口、崩岸监测，江岸堤防工程及险工险段水下监测，水下管线、电缆布设监测，水下工程检测，沉船、水下物体打捞搜寻等方面有着良好的应用，在国家经济建设中发挥着越来越重要的作用，对我国测绘事业的发展也有着积极的影响。
2 多波束测深系统组成
一套完整多波束测深系统包括声呐湿端、干端显控计算机、辅助传感器以及数据采集和后处理系统。其中，声呐湿端完成声学信号的发射和采集，并结合辅助传感器实现声学数据与传感器数据的同步及传输；干端显控计算机结合显控软件、采集软件和后处理软件，主要完成系统控制和数据处理，从而获得水底绝对深度，即从基准水平面至水底的深度值。多波束测深系统组成如图1所示。
图1 多波束测深系统组成
3 多波束测深系统水深测量应用
在测量阶段，应收集测区已有的水文资料，并根据测区实地查勘情况及任务的要求制定周密的测量计划和多波束扫测质量控制方案，并使其贯穿整个多波束测量过程。
多波束测深系统在水深测量的应用具体内容主要包括：（1）测区查勘与资料收集；（2）多波束系统的安装校准；（3）测量船动吃水测定；（4）测线布设。
3.1测区查勘与资料收集
测区查勘与资料收集是进行多波束测量设计和水位观测点布置的主要依据。多波束测量前应充分收集测区已有成果资料，再开展实地查勘。
当在新测区开展多波束测深任务时，应在多波束扫测前布置一次较小比例尺的单波束测量，其成果作为多波束测深计划线布置的依据。
根据测区查勘与收集到的资料，制定详细的测量方案，并按照相关规范要求制定技术设计书。测量技术设计书应详细说明整个测量过程的计划安排以及需要注意的事项。具体应根据中华人民共和国测绘行业标准《测绘技术设计规定》（CH/T1001-2005）以及测量任务要求进行技术设计书的制定。
3.2多波束系统的安装校准
安装校准工作是多波束测深系统实际应用中的一个主要难点，其校准效果的好坏将直接关系到测量成果的质量。
设备安装参数包括换能器、运动传感器、罗经以及定位系统天线等设备的位置安装参数。这些参数是直接测量获得的。进行两坐标系统之间的平移，需要对多波束仪器进行安装后，进行仪器安装参数测量，包括GPS天线与姿态仪的相对位置、多波束换能器与姿态仪的相对位置、多波束换能器的吃水深度、GPS天线离水面的高度等，并将多波束系统所需要的各参数结果写入采集参数文件。由于各个部件之间安装固定在船舶之后，可能存在很多障碍物而导致不能之间丈量出各部件之间的相对位置，所以这个测量过程要求测量人员做到重复丈量，通过多次测量结果的比对，尽可能把两坐标系统之间的平移值误差缩到最小，保证测量结果的精度。
进行两坐标系统之间的旋转校准，就是在测深作业前，于测区合适区域布设测线进行多波束的校准，计算出多波束系统的纵摇（Pitch）、横摇（Roll）、艏摇（Yaw）等校正参数。校准多波束旋转参数时，要求测量时必须为RTK固定解。
3.3测量船动吃水测定
测量船的动吃水测定要求测量时船速在5～6节之间。为了真实、可靠、简便的测定船体的下沉量，测量人员应在测区附近选择了一平坦海域，在平潮期间，测量船以准静止状态（1～2节）进行水深测量，再以工作船速（5～6节）沿同一轨迹重复测量。再分别处理不同船速下的测线文件，选择坐标相近的点位（半径1m之内）分别计算工作船速（5～6节）与准静止状态下同一点位的水深差值。
根据规范中要求，当使用机动船测深时，测定的测深仪换能器动吃水改正数小于0.05m时可不改正，如果超过0.05m，则在数据处理时需做改正。
3.4测线布设
根据测区查勘和收集到的资料，了解到测量时段的一公里水位落差以及同位置一小时水位变化情况，再进行测线的合理布设。如果测区水位比降较大，或者测区的范围过大，应该适当分段对测区进行多波束测深。主测深线布设方向应按工程的需要选择平行于等深线的走向、潮流的流向、航道轴线方向或测区的最长边等其中之一布设，主测深线的间距应不大于有效测深宽度的80%，在重要航行水域，测深线的间距应不大于有效测深宽度的50%。
4 多波束测深系统水深测量质量控制及误差分析
多波束测深系统集成复杂，处理环节不仅包括声学端多通道原始回波信号的采集，多种传感器数据的同步、水深值解算、还包括参数改正、波束位置归位、噪声剔除等后处理过程。任何一个处理环节都存在着误差不确定性，影响水深测量质量。此外，传感器性能、精度，以及作业环境和仪器操作流程都有可能是产生测量误差的原因。
影响多波束测深系统的主要噪声源一般有测深、定位、安装校准、姿态、声速、潮汐几种。测深精度引起的误差主要取决于多波束厂家仪器性能。在处理机计算能力、硬件设计复杂度等条件下，通过提高换能器通道数，来保证角度分辨率，提高信噪比。使用能量法和相位法联合测深，兼顾中间波束强回波信号和边缘波束弱回波信号时的水深测量；此外，用户端需根据不同作业水深调节发射声源级大小，根据不同水质情况调节吸收和扩散系数，使多波束测深系统达到最好的工作状态；定位引起的误差主要分为信号丢失和定位精度影响，对于信号丢失，采集控制软件需要有异常处理机制，小范围的数据丢失可以通过数据内插和外推出来，大范围数据丢失必须有警报，会提示操作人员；换能器横摇、纵摇、艏摇的安装校准不准确、不严格，会造成条重合部分数据不吻合。受安装牢固度影响，惯导IMU输出姿态数据可能无法反映真实换能器姿态，当湿端和载体产生高频共振时，惯导数据也不能和换能器状态对应起来，从而造成地形测量异常；对于水库、湖泊等静水环境下，不同剖面声速变化较大，忽略声速剖面影响，会造成笑脸地形（表面声速比底层声速大）或哭脸地形（表面声速比底层声速小）；内河、海洋环境作业时，潮汐现象不可忽略，需人工或GPS等验潮方式来补偿实际水深。
结束语
多波束测深系统组成复杂，集成度高、数据处理环节多、数据同步性要求严格，对操作人员的要求也比较高。所以要获得理想的测试效果，必须要对多波束测深系统有全面的认识。同时多波束测深系统进行水深地形测量时，会受到各种影响，本文中对此进行了简单的介绍，希望可以对多波束测深系统的水深地形测量作业提供一定的参考指导作用。
参考文献：
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[2]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（05）
[3]王建忠，王玉龙.多波束与RTK三维水深测量技术的联合应用[J].测绘工程，2014（04）
论文作者:李兆麟
论文发表刊物:《基层建设》2018年第20期
论文发表时间:2018/8/13
标签：波束论文; 测量论文; 水深论文; 系统论文; 声速论文; 误差论文; 地形论文; 《基层建设》2018年第20期论文;