浅谈影响多波束测深系统数据质量的几个问题
多波束测深系统在航道测量中的关键问题探讨
多波束测深系统在航道测量中的关键问题探讨摘要：介绍了多波束测深系统与GPS RTK技术集成的工作原理及优势，并以秦皇岛港航道疏浚前后多波束扫海测量为例，论述该作业模式中的几个关键问题，即在声速改正和参数校准的前提下，RTK三维水深测量省去传统水深测量中繁琐的水位测量，能够自动消除波浪起伏和动态吃水变化的误差影响。
航道疏浚结果表明，在近海海域该方法可以取代有验潮的常规水深测量，既能指导疏浚施工，又能方便检查疏浚结果，为今后的相关工作提供参考。
关键词：多波束测深；GPS RTK；航道测量；校准1、前言近年来，随着国家对沿海港口城市综合规划和开发的重视，多波速扫海测量在港口航道的扩建和疏浚维护工程中的应用也日渐增多。
而多波速系统的不断更新以及GPS RTK技术的普及，则为航道设计、建设、维护等工程提供了极大的便利。
尽管如此，经过笔者多次水深测量应用，认识到RTK模式下的多波束测深有诸多方面不同于常规水深测量，尤其是误差分析和改正。
因此，要想充分利用该技术进行生产作业，必须系统地分析和研究测深中影响水深测量精度若干因素，探讨减小和改正测量误差的方法，以满足实际工程的精度要求。
本文将重点介绍利用美国产Odom一E S3多波束测深系统结合Trimble双频GPS接收机等在秦皇岛港航道疏浚维护工程中扫海测量的工作情况和关键问题探讨。
2、多波束RTK三维水深测量作业模式多波束测深系统以其全覆盖、效率高、后处理数据强大的扫海测深特点[o -z}，结合目前常用的GPS RTK实时定位技术，能够良好的完成水运工程方面的测量任务。
其工作原理是：GPS基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信号传输给流动站GPS流动站通过接收基准站数据，在测量船上实时得出三维坐标；而多波束系统通过与GPS流动站连接与设置，在秒脉冲PPS（Pulse一Per -Second）技术的协同下自动同步接收并记录实时定应用多波束RTK三维水深测量作业模式，优势在于同步采集船体姿态和水深数据，并根据同一垂直面上GPS天线与与换能器相互位置关系，在相同基准面上进行综合数据处理，在顾及测量船的运动姿态改正的前提下（通常通过多波束系统集成姿态传感器解决），能有效解决水位、波浪及换能器动态吃水变化对测深精度的综合影响。
多波束测深数据失真的原因及解决办法
0引言近年来中海油服物探事业部工程勘察作业公司开展了较多的多波束勘测项目，获取了相关海域的多波束测深资料，但在上述多波束勘测数据的后处理成图过程中也发现了一些问题，且这些问题具有一定的代表性。
今后勘探向深水发展，这些问题造成的误差势必更大，必须彻底解决这些问题才能制作符合规范要求的海底地形图件。
本文探寻了多波束测深数据失真的原因并提出相应的解决办法。
1外业测量因素及解决方法1.1多波束安装校准只有当多波束安装参数如横向角度偏差（Roll ）、纵向角度偏差（Pitch ）、艏向角度偏差（Yaw ）、探头相对于导航系统天线的轴向偏差（沿测线方向△X 、垂直于测线方向△Y ）、由运动传感器（motion sensor ）与换能器分离造成的运动传感器偏移误差等经过严格校准后才能获取到可靠的测深数据。
校准并不需要在已知水深地区进行，而是基于不同测量条件下地形数据全局吻合的理念。
Roll 偏差使得海底以前进方向为轴左或右倾斜；Pitch 的存在使得测量的结果发生前（后）位移；Yaw 误差会造成测深点以中央波束为轴位置发生水平旋转。
运动传感器的偏移误差限于运动传感器和换能器是分离的情况（大多数情况如此）。
由于运动传感器测量的姿态并不完全与换能器姿态一致，它们之间的偏差称之为运动传感器偏移误差，包含运动传感器纵轴与船坐标纵轴方向不一致带来的姿态误差，及由运动传感器的姿态误差带来的上下升沉误差[1]。
换能器的起伏与传感器的测量值间相差一个由纵摇和横摇引起的感生起伏（induced heave ），可通过横摇、纵摇及换能器与垂直参考单元之间偏移量、艏向间复杂的关系式加以表述[1，2]。
各参数校准的先后顺序非常重要，一般遵循GPS 时延、Roll 、Pitch 、Yaw 的校准顺序。
为了取得较好的校准效果，要根据校准参数选择在不同特征的地形上进行，且一般要求在水较深处进行。
双探头的多波束系统校准与单探头多波束系统校准并无本质不同，实质是分别对每个探头单独进行校准。
浅谈提高多波束测量精度的研究和对策
浅谈提高多波束测量精度的研究和对策摘要随着国家的战略发展，海洋资源越来越受到重视，不同于陆域的测量，海洋测量需要借助精密的水下测量设备才能准确的反应海底地貌，如何更加高效、准确的测量海底地貌急需被解决。
目前多波束全覆盖测量是业内公认的测量效率高、精度高的测量手段。
全文介绍了我们在多波束测量中遇到的常见问题及解决办法，为从事海洋测绘的技术人员提供参考。
关健词R2sonic 2024、CARIS HIPS、声速异常、测量船实际导航位置与多波束测量参考原点偏差、水位改正、姿态改正一前言多波束测深系统是单波束测深系统发展过来的，与传统的单波束测量相比，多波束测深系统能在测量船航线的垂直平面内一次获取256个测深点。
实现了从“点—线”测量到“线—面”测量，测量效率大大提高。
目前我国海洋测量中的多波束系统多为进口国外设备，学习资料较少，发现问题不能及时解决，严重影响测量效率。
下面以业内使用较多的R2Sonic 2024型多波束测深系统及CARIS HIPS多波束数据处理软件为例，遇到的有关声速改正等问题及解决办法。
二多波束测量中的问题1、多波束CARIS HIPS数据处理中的声速异常问题在平坦海底测量，使用多波束CARIS HIPS软件中导入数据进行声速改正后在线模式和块模式中能明显看出波束有弯曲，向上弯曲“哭脸形”或向下弯曲“笑脸形”如图1、图2，由于两侧边缘波束上翘或是下沉，块模式下无法对相邻测线进行准确拼接，影响了多波束数据水深的准确性，这是声速异常导致的水深不准情况。
当多波束换能器的表面声速大于实际声速时呈“哭脸形”，当表面声速小于实际声速时呈“笑脸形”。
原因可能是多波束换能器的表面声速测量有误差，在使用声速剖面仪测量声速剖面时仪器有误差，导致声速改正后条带弯曲，未真实反映出海底地形，降低了多波束测深系统的精度。
图1“哭脸”形图2 “笑脸”形遇到这种问题的解决办法其一是认为多波束换能器表面声速仪有问题，手动关闭R2sonic 2024多波束控制软件自动实时测量表面声速仪功能，测量前在测区附近范围内选择较深水域使用声速剖面仪进行声速剖面测量，在电脑导出声速数据后，直接手动将多波束换能器吃水深度的声速手动输入到R2sonic 2024控制软件中。
影响载体搭载多波束测深系统数据精度的误差分析
第３ ４卷
冯湘子 ： 影 响 载 体 搭 载 多 波束 测 深 系 统 数 据 精 度 的 误 差 分 析
５ ７
应 用 较为广 泛 。
一 … 海 面 … ；
ｄｌ
载体
ｄ２
…
海底 … 、
图 ２ 载 体 多 波 束 与船 载 多 波 束 模 式 对 比
Ｆｉ ｇ． ２ Ｃｏｎ ｔ ｒ ａ ｓ ｔ ｂｅ ｔ ｗｅ ｅ ｎ ｔ ｈｅ ｗ ｏｒ ｋｉ ｎｇ Ｉ ｎ ｏｄ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｖ ｅ ｈｉ ｃ ｌ ｅ － ｍ ｏｕ ｎｔ ｅ ｄ Ｍ ＢＥＳ ａ ｎｄ ｔ ｈ ｅ ｖｅ ｓ ｓ ｅ ｌ — ｍｏｕｎ ｔ ｅ ｄ Ｍ ＢＥＳ
摘
要： 相 对 于 船 载 多波 束 系统 而 言 ， 载 体搭 载 多 波 束 系统 的精 度 受更 多 因 素 的 影 响 。 和 压 力 传 感 器 误 差 ， 这 些误 差 会 影 响 栽 体搭 载 多 波 束 所 获 取 的 数 据 质 量， 降低所获取的水深精度 ， 不 利 于 进 一 步 的 分 析 和 解 释 。本 文 分析 了几 类 拖 体 调 查 水 深 的 影 响因素， 并 结 合 近 期 综 合 深 水 调 查项 目中 现 场 所 获 取 的 资 料 ， 分 析 栽 体 搭 载 多 波 束 数 据 精 度 的 实 际误 差 ， 为现场作业和综合分析提供 参考和依据 。结果表 明， 作 业前 的 校 准 工 作 时 载 体 搭 载 多波 束 的数 据 精 度 影 响较 大 ， 而在 水 深较 浅 的 区域 ， 采 用船 载 多波 束 的 所 获 取 的 水 深
随 着海 洋工 程勘察 向深水迈 进 ， 船载 仪器 的调 查方 法 已经不 能满足 调查 需求 ， 多种 载 体搭 载 仪器 在水 下进行 调 查 的技术 愈发 成熟 。经过 近 十 几年 来 的 应用 ， 船 载 多 波束 测 深 的现场 作业 规范 和解 释方 法 已相 当成熟 ， 但 相对 于船载 多波束 而 言 ， 载 体搭 载多 波束 系统 需要 经 过更 复杂 的归位 计算 ， 涉 及更 多 的仪 器设 备 和 更 多样 的影 响 因素 。随 着 载体 搭 载
半参数模型处理多波束测深数据系统误差关键问题的研究
式 中 ，Ｇ 为 ：
８
、
阵 ，
＝（ Ｘ ， … ， Ｘ ） 为 待 估 参 数 ； 观 测 噪 声
△＝（ △ ． ． ， △ ） ，其中△ 一 ， Ｊ 且各 △ ， 相互独立 ；
系 统 误 差 ｓ是 位 置 或 时 间 的 函 数 。
式 （ １ ）的误 差方程及其相应 的法 方程为 ：
第１ ３卷 第 ６期
２ ０１ ３住
中 国
水
运
Ｖｏ１ ．１ ３ Ｊ ｕ ｎｅ
Ｎｏ． ６ ２ ０１ ３
６ 月
Ｏｈ ｉ ｎａ Ｗａｒ ｅｒ Ｔｒ ａ ｎｓ ｐｏｒ ｔ
半参数模 型处理 多波束测 深数据 系统 误 差关键 问题的研究
方叉 万 文 明
（ 长 江 南 京航 道 工 程 局 安 庆 航 道 工 程 处 ，江 苏 南 京 ２ １ ０ ０ ０ ０）
＝
、
半 参 数 模 型 基 本 原 理
设 声速 和 姿态 测量 等误 差对 测 深数据 造 成 的系统 误差
Ｓ，则 测 深 观 测 值 Ｌ可 表 示 为 ：
Ｌ＝ 十 ＋△ （ １ ）
Ｇ ｒ Ｇ
（ ７ ）
，
式 中， 观测量 Ｌ ＝（ ． ． ． ， ） ， 为 月× ｔ 维设 计 矩
构造拉格朗 日函数 ：
，
Ｓ ， ）＝ Ｖ ＰＶ＋ 册
＋２ Ｋ （ ｚ ｚ ＋ Ｓ — Ｌ— Ｖ ）
（ ５ ）
一
ｌ
＝
— ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． １
法 方程 的解 为 ：
一
多波束换能器艏线偏移对多波束测深质量的影响
文章编号!"#$#%"$&&’(""&)"*%""(*%"(中图分类号!+,*-.#文献标识码!/多波束换能器艏线偏移对多波束测深质量的影响肖付民0刘雁春0暴景阳’大连舰艇学院海洋测绘系0辽宁大连&&,"&1)23456647896:;<8=>4?@A B =C D >=?C ;E 9F834G 9;F H =F IJ K L M N O %P Q R 0S K +T U R %V W O R 0/L M X Q R Y %Z U R Y摘要!多波束换能器艏线偏移是影响多波束测量精度的因素之一[通过理论分析和实例数值计算0分析了多波束艏线偏移对所探测海底点平面位置和深度的影响0阐述艏线偏移的校正和改正方法[关键词!多波束换能器\艏线偏移\校准方法一]引言目前0多波束测深系统作为高精度]高效率的测深系统0在海洋开发]海洋地理环境调查等方面拥有广阔的应用前景[作为高精度海上测深仪器0其同样受到众多因素的影响0其中多波束换能器艏线偏移’简称艏线偏移)就是影响探测精度的主要因素之一0许多相关的多波束资料反映出它并不像其他系统误差’如横纵摇偏移]延时效应等)一样引起作业人员的广泛探讨和细致研究0因此0本文对此通过数值计算作进一步探讨[二]艏线偏移艏线偏移是由于多波束的发射接收面纵向轴线与测量船船艏线不一致而造成的一个偏移量’本文用^表示0下同)0有时也称多波束刈幅偏差[它主要是由于安装]校准过程不准确产生的一种系统误差[如图&所示0艏线偏移的存在造成了测量实际状态基准线与数据处理基准线不统一0直接给测量数据附加一个偏移值[应该注意到由于其属于系统误差且在安装仪器后即为一个固定的常数0在测量过程中不经过再校准过程很难发现[相对传统的回声测深而言0只要换能器安装基本正确0艏线偏移一般不会影响测深精度[相对多波束采用横断面测深方式0艏线偏移直接影响了探测海底点的平面位置和水深值以及多波束探测有效探测宽度0因而必须引起重视[图&艏线偏移示意图三]艏线偏移对多波束刈幅内点的水平位置和水深影响多波束测量过程中因为艏线偏移^的存在0使得波束面与测量船航向不垂直’测量船船艏线方向)\而在进行多波束测深数据处理时0采用的是与测量船船艏线方向垂直直线作为数据归算的基准方向’图&中的数据处理基准)[艏线偏移使数据归算的基准方向发生了偏移0导致测量结果产生附加误差[利用波束传播规律可推导出所测波束内海底点的平面位置和水深在不同程度上产生了位移和偏差’图()0用数学公式表为_‘ab c Q R^_d ab eb V f c ^g hi_j a_‘k U Rl ’&)式中0’‘0d 0j)表示测量船坐标系的坐标0这里‘轴方向为舰’船)艏线方向mm 从船尾指向船艏\d 方向为指向测量船左舷\‘d 平面与船切水方向垂直\j 方向与‘d 平面垂直向上0与‘0d 轴组成右手坐标系\b 表示多波束换能器中心至海底点的水平距离\^表示艏线偏移角\_‘表示海底点测量值与计算值在平行测量船航向上的水平位移\_d 表示海底点测量值与计算值在垂直测量船航向上的水平位移\_j 表示海底点测量深度值与计算深度值差值\l 表示海底的倾斜度’为说明问题0计算时假设在平行测量船航向上有("n 倾斜)[图(艏线偏移产生的海底点位水平位移根据上述公式0本文对水深o "P ’按刈幅宽为-倍水深计算0多波束探测宽度为左右各*-P )]艏线偏移角^为".&n 至(."n 的情况分别进行了数值计算0表&p 表o 仅列出部分计算结果[表中q 表示刈幅内相对垂直波束垂直轴的水平距离’又称测量船横向水平距离)0单位P \偏移’对应表中数字)表示海底点的坐标偏移_‘0_d 0_j 0单位为V P [表r 水深点s 轴方向坐标偏移H sV Pq t P^t ’n )".&".(".o ".#".-".,&."&.-&.1(."&"o ","*-&.*--.(#&".#*&o ."$o .#$&".#*(".$#(,.&1-.(#&-.*&o &.#(o $.(*,.$1(".$##&.1$-(.o ,1.*o (,.&1-(.o ,,-.#-&".#*o &.#(,(.1o *1.-#&*.#--(.o ,&"#.*&&o ".1$(,.&1*1.-o &-*.",&$,.o o o &.#&$#.(o &11.#,(o -.-1o #.$"&"#.*"("$.#"(,&.*-*((""&年第*uu u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u 期测绘通报表!水深点"轴方向坐标偏移#"$%&’%(’)*+,-.,-/,-0,-1,-2,-3.-,.-2.-4/-,.,0,3,52,-,,,-,,,-,.,-,.,-,.,-,/,-,1,-,2,-,.,-,1,-,4,-.,,-,/,-,5,-.2,-.4,-,1,-..,-/0,-/6,-,2,-.3,-00,-1.,-.2,-13,-6..-.1,-01.-,0/-,3/-25,-16.-14/-630-5,,-3..-400-331-25表7水深点8轴方向坐标偏移#8$%&’%(’)*+,-.,-/,-0,-1,-2,-3.-,.-2.-4/-,.,0,3,52,-31.-6.0-4.1-53.-/50-4.5-3/6-20.-6.2-5/..-10.1-/6/-215-3/.2-/2.6-,30-.46-20.6-,3/0-4/0-4...-10//-45/4-263-02.6-,304-..15-316-20/4-2425-.55.-13..-1001-0,34-3,42-51./-5,04-..53-/.62-/5从上述的计算结果来看9尽管数值计算中的艏线偏移角仅有,-.*:/-,*9但对测深点沿测线方向上左右产生了.-52:/3.-52$%的偏差;垂直测线方向上左右产生了,-,:1-25$%的偏差<在假设沿测线方向海底有/,*倾斜度的情况下9使得测深点的水深产生了上下=,-31:=62-/5$%的差值<单以,-/*艏线偏移角为例93,%测量船横向水平距离上9其沿测线方向上左右产生了=/,-61$%的偏差9垂直测线方向上左右产生=,-,1$%的偏差9测深点的水深上下产生=5-3/$%的偏差<还应该认识到(的存在直接导致水平误差)即点位错位+9同时使得在不平坦海底点的位置附加一个错误的水深值9即导致了测量刈幅内各深度点错误的平面位置和错误的水深值9这样就影响了测图的质量<因此9在多波束测深数据处理中应引起足够重视9采取一定的措施加以消除<图0给出了>?9>@9>A 与艏线偏移角和横向水平距离关系示意图9分别为>?B0,$%9>@B0$%9>A B 0,$%的等值线图<从图0和上述各表可知9艏线偏移角的存在对平行测线方向)?方向+产生的偏差影响最大9垂直测线方向)@方向+影响要小一些<随着发射波束入射角)相对多波束探测宽度+和水深的增大产生的偏差也会随之增大9影响也就越明显;特别是对平行测线方向产生的偏差影响<如图0所示9要使得>?在52%范围内小于0,$%9则(必须小于,-/*<同时随着海底倾斜度的增大以及变化剧烈的复杂海底地形9水深误差和水深值错位会更大)在刈幅边缘最为显著+<C D E F海道测量标准第G H 11I 的最低标准规定J 一级测量水平位置精度=/%K 水深精度的误差限差=L /2M),-52&+/N O $%;二级测量水平位置精度=2%K 水深精度的误差限差=L 2,M).-0&+/N O $%;三级测量水平位置精度=/,%K 水深精度的误差限差=L .,,M)/-0&+/N O $%)&为海底深度9$%单位+等<.666年版F 海道测量规范I 规定J 水深测量定位中误差不超过图上=.-2%%)大于.J 2,,,比例尺+9深度测量极限误差为=0,$%)P/,%水深+K =1,$%)/,%P 水深P0,%+等<对照规定并结合上述计算结果和等值线图9很显然以,-/*艏线偏移角为例93,%测量船横向水平距离的测深点产生的误差对测量结果的贡献已很大;艏线偏移角的存在不但影响了多波束测量数据的位置和水深精度9而且使得多波束刈幅内满足精度要求的水深点的个数减少9极大地限制了多波束的有效探测刈幅宽度9从而导致了多波束探测效率的降低<四K 消除艏线偏移影响的方法Q -检测艏线偏移的方法上面的分析计算说明多波束艏线偏移角的存在对多波束测量成果精度产生较大影响9是不能忽视的误差因素<因而9一旦多波束安装完毕后9仍需要对多波束基阵的波束发射接收指向作进一步的检测<本文认为可采用/种方法求得艏线偏移角)以下)R 9S+坐标为测图坐标系中的坐标+<).+第一动态检测法如图1所示9假定海底有一规则固定目标T )多波束能够识别+9其坐标未知;检测环境选择水面平静且检验水域无跃层)盐K 温K 密度跃层+的地方;当安装多波束的同一测量船从目标左右两侧通过时)两航向最好平行K 同向与目标距离有一定距离+9利用多波束可以测得测量船与海底目标的水平距离U .9U /9并同时测得测量船位置)R .9S .+9)R /9S /+;可以建立如下方程J)RVR .+/M)S VS .+/BU /.)RVR /+/M)S VS /+/BU W//)/+解方程组9可得目标点的坐标)R 9S +9参见图2<通过上述方程组计算的目标点的坐标)R 9S +9测量船位置点)R .9S .+或)R /9S /+与实际假定无艏线偏移条件下测得的目标位置)R X 9SX +9组成三角形可以计算艏线偏移角(<(B Y Z $[Y \S X VS .RX VR .V YZ $[Y \S VS .RVR .)0+图1校准示意图)/+第二动态检测法如图2所示9假定海底有一规则固定目标T )最好为规则形状物体且能被多波束探测到其坐标已知检测4/测绘通报/,,.年第5]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]期通过比较!我们取函数"#!$%"&’()*+,-.作为协方差函数/式中"&%01#%,23#1+,4.*%+5#(5$.36+7#(7$.83!#!$为水准重合点点号9先验协方差采用下式计算:"#!$%01#%,0;$%,+2#(2.+2$(2.;+3&.式中!2%01#%,2#19#!$为某一固定距离的两端点点号9;为这一固定距离的对点数/在选区不同的固定距离之后!我们就可以得到在不同的距离下的先验协方差/这样!我们就可以把式+,-.线性化后得到一个包含待定参数)的一元方程组!采用最小二乘法解得)后!代入式+,-.!进而利用协方差函数重新求解"#!$!并组成协方差矩阵/另外需要注意的是:式+,4.和式+3&.中的2表示的是高程异常值!可是当采用拟合推估的两步极小解法时!它就表示的是拟合残差值/计算方案设计如下:方案一!加权平均法9方案二!二次曲面法9方案三!移动二次曲面法9方案四!<=>?@多面函数法9方案五!拟合推估正常解法9方案六!拟合推估两步极小解法!函数模型采用<=>?@多面函数式+A .!其中平滑因子B %&/计算结果见表,/表C 各种计算方案精度比较D方案一二三四五六外部符合精度E&F AG AE&F G A 3E&F &G 3E&F &-HE&F &I -E&F &,,由计算结果可以看出!拟合推估的两步极小解法由于同时考虑到了高程异常的趋势性和随机性!所以在理论上更为合理!实践计算中也确实能提高计算精度/参考文献:J ,K 杨元喜!刘长建F 似大地水准面的确定J L KF 大地测量学的发展J MK F 北京:测绘出版社!,44N F J 3K 吉渊明!赵水泉F 曲面拟合法求O P Q 网正常高的几点认识J RK F 测绘通报!,44-!+A .FJ H K 乔仰文!辛久志!王晓辉!等F O P Q 高程转换的若干问题的研究J RK F 测绘通报SSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSS!,444!+,,.F +上接第3-页.环境选择水面平静且检验水域无跃层+盐T 温T 密度跃层.的地方!当安装多波束的测量船从目标一侧通过时!利用测得的测量船位置+U ,!V ,.T 多波束测得的海底目标位置+U W !V W .和海底目标的已知位置+U !V.9同样方法可以利用公式+H .!求得艏线偏移角X /当然!为了精确求得艏线偏移角X !可以通过对海底目标进行多次测量!利用平差原理求得艏线偏移角X 的最优估计值/由于第二种方法借助于已知点进行检测且容易获取多余观测数据进行平差!因而它比第一种方法精度要高!便于实施!只不过对校准目标的位置T 形状和大小有较严格的要求/图I 海底目标实测位置与准确位置关系图Y F 改正方法当多波束艏线偏移角X 检测出以后!第一种方法是对多波束换能器进行重新安装和校准/由于重新安装对测量船只而言是一项非常复杂的工程!例如涉及到船体的开洞T 焊接等!使得此种方法实施比较困难!因此只有当多波束艏线偏移角X 特别大时!才用此法/第二种方法是将多波束艏线偏移角作为一个常数改正项加入数据实时或后处理过程的程序中+附加测量航向一偏移量或将计算的坐标偏差加入相应的坐标.!达到减弱或消除艏线偏移角的影响!而且此法易于实施/五T 结束语多波束艏线偏移角是仪器在安装后产生的多波束系统误差之一/我们还对测量船横向水平距离,&&D ZI &&D +相对更大水深.范围测深点的?5!?7!?[进行了计算!计算结果+略.与上述图表类似!只不过偏差更大!影响更为明显/因此!随着多波束探测宽度和深度的增大!特别对外侧波束而言!为了达到\规范]和Q ^G G 的精度要求!又要提高作业效率!必须提高多波束艏线偏移角的确定精度!减小此类误差的影响/通过上述数值计算和现有仪器的测角精度!本文认为要满足多波束高精度高效率的探测要求!建议最好将多波束艏线偏移角减小到&F ,_或更小/参考文献:J ,K 黄谟涛!等F 多波束和机载激光测深位置及姿态影响研究J RK F 测绘学报!3&&&!+,.FJ 3K 李家彪!等F 多波束勘测原理技术与方法J ‘KF 北京:海洋出版社!,444FJ H K R a b c a d e F e @f =D g h M =i g j >=k g l fl m ‘n i k g j o =D Q @p k o D p J ‘KF d o k q o >i =f ?p :e o i m k r f g s o >p g k @P >o p p!,44-F ,H 3&&,年第A tt t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t 期测绘通报。
多波束测深及影响精度的主要因素
区域治理调查与发现多波束测深及影响精度的主要因素刘晓金1 宫帅良21.交通运输部北海航海保障中心天津海事测绘中心，天津 3000002.内蒙古水利水电勘测设计院，内蒙古 呼和浩特 010020摘要：本文结合笔者参与的某流域某河道水深测量的工程案例，探讨了影响多波束水深测量精度的几个因素，包括定位精度，定位时延、横摇、纵摇、艏摇，系统测深精度，各设备间的距离精度，声速测量，验潮精度，数据覆盖密度，数据处理剔除噪声等，并结合工程案例重点探讨了横摇、纵摇、艏摇对测深精度的影响，相信对从事相关工作的同行能有所裨益。
关键词：水深测量；多波束；精度；影响因素目前，多波束测深系统已经向集成化与模块化方向发展，数据处理也实现了软件自动化处理，随着某流域水利水电建设测绘技术的发展，笔者所在单位引进成套的多波束测深系统，主要设备包括：Sonic2022声呐系统、GPS罗经、姿态仪、声速剖面仪等，主要软件包括：R2Sonic 声呐控制软件、QlNSy数据采集软件、CARlS数据处理软件等，在许多工程中发挥出了巨大的作用。
一、多波束系统工作原理多波束测深系统是组合设备系统，GPS罗经可以进行瞬时定位，姿态仪可以确定瞬时姿态参数，声呐探头可以探测瞬时水深，将这些设备测量的数据进行整合计算并加以改正，便可得出准确的水深数据。
多波束测深系统的工作原理是利用发射换能器阵列向水下发射宽扇区覆盖的声波，利用接收换能器阵列对声波进行窄波束接收，通过发射、接收扇区指向的正交性形成对水下地形的照射脚印，对这些脚印进行适当的处理，探测瞬间就能测量出与航向垂直的垂面内上百个甚至更多的水深值。
二、影响多波束测量精度的因素1定位精度影响定位精度除受定位设备的精度直接影响外，主要还受水下地形的影响，定位误差对水深点的影响是改变了具体位置处的真实水深值。
测量时采用的GPS罗经是TrimbleGPS定位系统，该系统使用信标差分技术进行位置定位，定位精度优于±1m，测区水下地形坡度约为1:20，±1m的定位误差在坡度线上对水深产生±0.05m的影响，完全满足水下地形测量精度要求。
海测技术▏浅谈声速在多波束水深测量中的影响及对策
海测技术▏浅谈声速在多波束⽔深测量中的影响及对策多波束系统是计算机技术、导航定位技术、姿态传感技术、海⽔⽔⽂参数⾃动获取技术、图像处理技术等多项技术的⾼度集成。
根据国际海道测量规范IHO S-44 的要求，等级为特等的区域（港⼝、锚地和具有最⼩富余⽔深的相关航道）要求使⽤全覆盖扫测，对于等级为⼀等的区域（港⼝、⼊港航道、推荐航道和⽔深在100m以内的沿岸⽔域）只要求特殊⽔深进⾏全覆盖测量，现在多波束主要⽤于航道、锚地、障碍物的扫测、浅点加密以及⼀些⼤⽐例尺的⽔深测量；其中，声速是影响其测量精度的⼀项重要因素。
通常，在某⼀测区内从海⾯到海底的声速值并不⼀样，⽽是存在着不同的声速层，使声波射线发⽣弯曲，这样就与理论产⽣不⼀致；如果在平坦的区域，实际声速⼤于改正声速，多波束测得的测幅内的横断⾯⽔深图曲线两侧是向上翘，成笑脸，相反，横断⾯⽔深图曲线两侧向下压，成哭脸，从⽽产⽣⼀个深度误差和位置误差。
⼀、声速的概念及影响声速的⼏点因素⒈声速的概念单位时间内波阵⾯（等相位⾯）传播的距离为声波传播的速度，简称为声速，在海⽔中，该值⼀般在1420～1550m/s范围内，⽐空⽓中的声速快4倍多。
⒉影响声速及测量的⼏点因素由于海⽔的不均匀性和多变性，海⽔的密度和体积压缩系数是海⽔温度、盐度和静压⼒（与⽔深有关）的函数且随时间变化，因此海⽔中的声速也是温度、盐度和静压⼒的函数，由此可见，获得准确的声速数值，对⽔深测量的准确度⾄关重要。
此外，由于海⽔为⾮均匀介质，在海⽔中含有各种杂质，如海⽔中的⽓泡、悬浮物、海洋⽣物等，其中特别是海⽔中所溶解的⽓泡，对声波传播有⼀定影响；对外业测量⽽⾔，当测量船经过前边船舶航迹的尾流，或者测量船倒车时，由于多波束换能器安装不当，导致换能器下⼤量⽓泡的存在，其都能对测量⼯作造成很⼤影响，甚⾄⽆法正常⼯作。
⽬前在外业测量中，⽐较常⽤的获取海⽔中声速的⽅法主要为利⽤声速剖⾯仪直接测量。
声速剖⾯仪的⼯作原理⽐较简单，其不断发射⾼频短脉冲，当接收到前⼀个短脉冲的回波后，便⽴即发射下⼀脉冲；声速测量仪记录每秒钟脉冲的发射次数（即脉冲重复频率），再乘上每隔短脉冲在海⽔介质的已知声传播路程，即可获得海⽔介质的声传播速度。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
浅谈影响多波束测深系统数据质量的几个问题
为了为海图的数字化管理及更新提供高精度的数据,在多波束测深系统的应用过程中,正确设置并校正其各个设备之间的安装误差显得尤为重要。
通过不断的实践,本文总结了影响多波束测深精度的几个问题,并采用正确的校正方法得以解决,确保数据质量。
标签：GPS延时纵摇偏差横摇偏差艏摇偏差
0 引言
目前多波束系统正逐渐普及,并在海上油田井场调查、航道疏浚、港口测量、大陆架经济区勘测等领域得到广泛应用,可以进行高精度、全覆盖水深测量,实现了由线到面的飞跃。
多波束测深系统连接设备比单波束测深要多并复杂,一套多波束系统由多种设备或传感器组成,为了得到真实世界中精确的三维水深坐标必须考虑各设备间的安装误差,并通过不同校正方法改正其姿态。
本文以多波束SeaBat 8125和软件PDS2000为例,总结了影响其测深精度的几个问题。
1 多波束系统主要组成
①RESON SeaBat 8125:频率:455kHz;测深分辨率:6mm;覆盖角度:120°;最大测深范围:120m;波束数:240;沿航线波束角:1°;垂直航线波束角:0.5°;最大船速:12节;最大发射速率:40次/秒。
②OCTANS光电罗经、运动传感器:真北方位精度:0.1 °;稳定时间:5分钟;纵横摇分辨率:0.01°;升沉精度:5%。
③GPS信标机④PDS2000数据采集软件⑤HY1200声速剖面仪。
2 影响系统精度的几个问题及采用措施和校正方法
水中的声速:海洋中各处的声速都可能不一样,它取决于以下三个参数:盐度变1ppt=声速约变1.3m/s;温度变1°C=声速约变3 m/s。
压力:165米深度变化的影响相当于温度变1°C。
针对参数,使用hy1200声速剖面仪测前和测后两次测量水中声速,并将声速曲线应用到数据后处理中。
背景噪声:在测量过程中,由于声纳、船体电子、气泡断裂、螺旋桨和发动机引起的自身噪声一般可以控制,而其他声源如波浪、潮汐、流速、地震、海洋生物和其它船只引起的环境噪声,一般不可控制。
在自身噪声控制中,可以采取以下措施:①在换能器上安装导流罩,设计流体型船体形状,改变声纳头到船壳的高度等,可使水流气泡的影响最小化。
②仔细选择声纳头安装位置,远离船主机、副机、泵和螺旋桨,并保证声纳杆舷侧安装稳定牢固,超出船底。
③增益的选择:当水深小于等于5米时,可以使用固定增益;当水深大于5米时,采用TVG自动增益。
TVG的确定主要取决于Absorption和Spreading Loss两个主要参数,在干净的淡水中,或者在海底具有很好的反射体的水中时,两个参数设置通常较低,反之,较高。
校正:在进行多波束校正之前,首先选择良好的海况和特定的海底地形(有明显水深变化如航道和港池的边坡)上采集数据,安装一次就要校正一次,当更换设备或改变传感器位置时都需要重新校正。
多波束校正
包括:①GPS 延时②横摇偏差(Roll)③纵摇偏差(Pitch)④艏摇偏差(Yaw)
2.1 GPS延时时间同步是使PDS 计算机的时间与从GPS 来的精确时间同步,以保证实时采集的水深值和定位坐标保持一致。
因为GPS接收机要花时间计算位置,还得输出其他数据,大部分GPS都不能没有延时的输出数据,延时通常从200毫秒到1200毫秒。
如图示一,分别以不同速度两次测量同一条线,速度要求相差最少一半,地形要求有明显水深变化。
2.2 横摇偏差(Roll) 横摇偏差即声纳探头在船型安装坐标系统中的安装误差,声纳头发射的中央波束没有垂直发射到海底,而是朝船左或船右某个角度发射,Roll误差会直接导致水深值误差,水越深误差越大,因此校正时应达到0.01°的精度。
如图二,分别以相同速度,选择平坦地形,不同方向测量同一条线。
2.3 纵摇偏差(Pitch) 纵摇偏差也是声纳头在船型安装坐标系统中的安装误差,声纳头发射的中央波束没有垂直发射到海底,而是朝船前或船后某个角度发射波束,Pitch误差会造成沿航线方向上的位移,位移值和水深成正比,水深越大位移越大。
如图示三,分别以相同速度,选择有明显变化水深地形,不同方向测量同一条线。
2.4 艏摇偏差(Yaw) 艏摇偏差即声纳探头发射波束面在船型坐标系中,没有垂直于船前进方向即坐标系Y方向,Yaw误差会引起边缘波束水深点的位置误差。
如图示四,在斜坡或一个礁石上布设两条平行测线,测线间距应保证两个测线间有10-50%的波束覆盖率,测线方向可以相反也可以相同,速度相同。
2.5 处理校正数据打开PDS2000软件Proessing菜单的Multibeam PatchTest 校正应用程序。
分别调用对应四个误差的测线数据,依次计算出Latency(延时)、Roll、Pitch、和Yaw的校正值,注意先后顺序非常重要,在校正计算时要注意潮位改正,因当潮位变化很大时会引起校正结果误差。
3 問题数据总结
在实时采集状态可以通过测量覆盖窗口观察采集数据是否存在异常,一般问题如下:①整个条带沿航线波浪起伏。
原因:运动传感器升沉带宽设置问题;时间同步不对。
②边缘波束波浪起伏。
原因:系统时间同步不对;声纳杆不牢固有运动。
③水底声纳信号有旁瓣特征。
解决方法:增加发射功率及接收增益可消除或减少其影响。
④相邻测线间的水深不符。
原因:运动传感器升沉带宽设置有问题;因流速引起船吃水改变等。
在各种数据问题中,固定误差影响是可以在数据后处理过程中改正,如系统安装位置、吃水改正、潮位改正、固定传感器延时偏移和多波束校正参数等,而可变误差影响是不可以改正,如时间同步不正确、声纳头安装杆运动传感器震动、可变定位误差、运动传感器数据漂移和缺乏合适的声速剖面等。
多波束测深精度的影响因素很多,以上介绍是保证采集真实可靠的原始数据主要影响因素,在实时测量过程中,要求测量人员认真考虑每项改正参数,准确观察测深覆盖图并判断是
否存在问题。
随着多波束的广泛应用,其测深技术逐渐成熟。
参考文献:
[1]徐卫明,肖付民,刘雁春等.内陆水域测量学.2004年海军大连舰艇学院.
[2]阎福旺.水声基础技术.2001年海洋出版社.
[3]梁开龙.水下地形测量.1995年测绘出版社.
[4]殷晓东.海道测量学.2004年海军大连舰艇学院.
[5]刘忠臣等.浅水多波束系统及其最新技术发展[J].海洋测绘.2005.No.6.。