黄智敏
天津港航工程有限公司 天津市 300456
摘要：多波束测深系统是由多种传感器组成的复杂的海底地形测量系统，加之目前一般是在动态的测量船上实施测量，因而导致多波束测深要远比其他测量复杂，多波束测深成果受到更多因素的影响和制约。优良的原始数据是后续高质量测量成果处理的重要前提，仅仅靠内业的数据处理很难提高测量数据的精度要求，所以对影响多波束测深点深度和平面位置的所有可能误差源进行分析和估计是评估测量成果可靠性的主要方法。
关键词：多波束水深测量；误差源；成果质量评定；
目前新一代多波束测深换能器的仪器标称精度与分辨率等关键指标已达到厘米级，影响多波束水深测量精度的主要因素已不再由测深设备自身误差引起（除非硬件设备本身存在重要故障），而主要决定于实施多波束水深测量时外业组织的规范性、内业数据处理的标准性以及成果检查验收的科学性和全面性。
一、多波束水深测量误差源分析
1.偏移位置误差。舷摇偏移即测量船绕：轴发生旋转有时舷摇偏移也称幅偏差或舷摇角。由于测量船坐标系统与陀螺罗经没有精确校准以及测量船坐标系统的系统误差影响使得多波束的刘幅方向产生一个与测量船航向的偏角。可以发现由于舷摇偏移随着海底倾斜度的增大，传播误差可能较大。纵摇偏移（纵摇角）是指多波束发射面绕垂直航向轴的旋转角。由于多波束在平行航向方向的波束宽很小，其影响可以忽略。另一种可能是利用传感器测得纵摇偏移。由于纵摇传感器坐标系统未准确地校准，可能使得实际波束指向向前或向后，如图4 所示。这样不但影响了测得的垂直水深精度，还影响了平面坐标位置。横摇偏移是造成多波束系统误差的一个重要因素，它直接影响多波束系统发射的斜波束的波束方向。校正方法主要有实时机械校正、实时电子校正或后处理校正。
2.测深点位置计算模型。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆由于测量载体受风、流和涌浪等各种干扰因素的影响，会产生姿态摇摆及载体升沉等运动，这些运动将使测深点归算问题转化为多维动态改正问题，其改正量将随测船航向变化和姿态摇摆幅度变化而改变，具有明显的时变特性，即动态偏心改正、动态位置归算和动态时延改正，它们都是船体姿态对测量成果影响的直接反映。动态归算的目的是将定位设备中心的位置归算到各个深度测量点，基本步骤是首先建立测深中心与各波束脚印的关系，第二步建立定位中心与换能器中心的关系，最后利用旋转矩阵将波束脚印的坐标位置转换到当地水平坐标系中。在船体坐标系和当地平面坐标系中，令当地平面坐标系的原点与船体坐标系一致，当地平面坐标系不随船体的运动而改变，测深中心和定位中心的偏移量是固定不变的，但在当地水平坐标系中，两中心的偏移量将随载体的姿态变化而变化，由于测深设备中心即为船体坐标系原点。 由于定位系统和多波束换能器测量记录不同步引起的时延会造成最终坐标的偏移，因此需要进行动态时延改正。由于还受声线弯曲影响，误差估算所用到的各参量的中误差均可参阅测量仪器固定参数表或通过简单的推导计算。
3.几何误差。多波束系统包括三个主要部分：多波束换能器、动态传感器和定位系统（如GPS）。三个主要部分相对于测量船的位置可以在安装上系统后通过测量确定，但由于测量的误差，则在三个方向各产生一个固定的偏移量。这些偏移量产生的误差影响是1：1，即偏移量引起同样大小的坐标偏移。因为所有传感器测量都是以不同的时间历元和不同的时间间隔获得数据的，因此可能由于内插误差而产生误差。这些由于时移产生的误差会随着测量船的速度增大而增大。这三种潜在的时移指的是多波束换能器与定位系统、多波束换能器与姿态传感器、姿态传感器与定位系统之间的时移。如0.01 秒的时移误差在船速的情况下，会在测量航向上产生偏移。此误差与几何误差一样同深度大小无关。为了计算发射声信号的测量范围，必须知道水中的声速。最好知道声波扇面内任意点的声速。实际上一般测量仅测量一次声速，假设声波扇面内任意点的声速不随空间和时间而变。声速产生的误差可以从两种情况说明。一种情况是声速不正确，但声轨迹不变，那么会使得测得的海底上升或下降。另一种情况是声速不正确，但声轨迹改变，则使得测得的海底向刘幅边缘压缩或扩展（若比较强的温跃层存在影响会更明显）。此误差的消除方法必须拥有测量时间段内准确的海水的温、盐、密等信息；由于测深系统固定于船体，测量船随波浪而上下起伏，而使得测深值附加一个起伏量。当定位系统的垂直定位精度能够达到厘米级时，此误差可以通过垂直坐标监测加以消除；另外，可以增加升沉补偿仪的方法监测测量船升沉情况；否则，此误差对测量值将产生很大的影响。另外，对于长时间连续测量，还会产生由于测量船的油、水等消耗而引起的测量船的吃水变化而带来的误差。
二、多波束水深测量成果质量评定
1.多波束水深测量成果质量评价指标。与单波束测深成果一样，多波束测深成果的质量评价指标主要有两个：一个是对应不同深度范围的测深极限误差，另一个是主测线与检查线的交叉点不符值统计情况，其中规范规定超限点数不得超过参加比对总点数的15%。对于单波束测深而言，根据其测深线及测深点的分布特性，测深精度主要采用表进行评估。数值实质隐含了吃水、涌浪、声速以及潮汐等多种动态海洋环境效应改正因素的综合影响，换言之，上述的各项改正是否完善通过交叉点不符值这个指标得不到明确反映。对于多波束测深而言，由于其数据全覆盖特性，测深精度除采用上述2 个指标外，还可在数据采集、处理、成果制作等各阶段，通过检查单独测深条带是否存在声线弯曲以及相邻测深条带是否存在拼接断层、“凹凸”等现象对吃水、声速、波浪以及潮汐等多种海洋环境效应改正以及仪器固定安装偏差校准等进行独立检核评估。正由于此，在多波束测深成果的检查验收中才可能发现系统性偏差。为此在多波束测深成果的检查验收和质量评价方面，还需根据其特点引入对单个ping、单个测深条带、相邻测深条带以及测深面的评价指标。
2.多波束水深测量成果质量检查与评定。在分析多波束测深成果易出现的各种粗差和系统性偏差后，以下制定涵盖多波束测深数据采集、处理、成果制作、验收、评定等各过程的质量检验方案，以期尽可能发现各种数据质量问题。由于多波束测深的全覆盖特性，在检查过程中还可依据地形变化趋势并结合表1 指标对特定深度处深度误差作出合理判断。以基本单位对多波束测深成果进行质量控制和检查验收，相对于单波束来讲，多波束数据粗差和系统性偏差解决较困难，但从另外一个角度讲，若解决了多波束测深易产生的各种质量问题，也就相应的解决了单波束测深质量问题。同时也只有发现和认清了多波束水深测量成果可能呈现的多种粗差和系统性偏差，才有可能系统地解决这些质量问题。可预见的是，多波束测深系统在未来海底地形资料获取中将居于主流地位，因此加强和提高对多波束测深软、硬件工作原理的认识，在测量过程中严格执行相关作业规定，尽可能从源头上发现和解决易出现的各种数据质量问题，在多波束测深数据处理和成果应用上将起到事半功倍作用。
本文首先分析了影响多波束测深系统的各误差源，将深度、位置误差按误差源进行更为合理的归类，通过整理合并得到新的误差估算模型。依据误差规律分析，对及时发现测量过程中由于噪声和海况的影响以及人为操作失误或参数设置不合理等情况，能够较好评定多波束测深系统的测量数据的质量，具有一定的参考价值。
参考文献：
[1]王中宇，刘智敏，夏新涛，等.测量误差与不确定度评定[M].北京：科学出版社，2018.
[2]李金海.误差理论与测量不确定度评定[M].北京：中国计量出版社，2016.
[3]朱庆，李德仁.多波束测深数据的误差分析与处理[J].武汉测绘科技大学报，2017，23（1）：1-4.
论文作者:黄智敏
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第17期
论文发表时间:2019/3/19
标签：波束论文; 测量论文; 误差论文; 成果论文; 声速论文; 水深论文; 坐标系论文; 《建筑细部》2018年第17期论文;