多波束参数误差的判断及校正

多波束系统的参数误差判断及校正

刘胜旋关永贤

（广州海洋地质调查局510760）

摘要多波束回声测深系统是当今世界上最先进的测深系统之一，高精度、高效率是其最突出的特点。系统参数的可靠性直接影响着测量结果的精度。本文试图对主要的系统参数误差进行分析，判断误差的种类和来源，并提出测定的方法及校正措施。

关键词多波束，纵倾偏角，横摇偏角，时间延迟，航偏角，声速剖面，潮汐改正

一引言

多波束回声测深系统的出现，为研究海底地形地貌、寻找沉没于水中的飞机船舰、进行水下考古、铺设海底管线、航道岸堤测量、工程疏浚的土方计算等一系列工作提供了可靠的手段。然而，对于任何一套精密仪器，其参数正确与否，是影响整个系统性能和精度的主要因素。因此，在正式工作前，都必须正确、严格地测定它们的各项参数。多波束测深系统也不例外，在每一个航次前，或有关键硬件设备更换时，都应进行系统参数测定。需要测定的系统参数有：横摇偏角（Roll bias）、纵倾偏角（Pitch bias）、时间延迟（Time Offset）、航偏角（Yaw bias）。另外，在以上四项参数测定前，还需要作声速剖面（SVP）校正。

结合多年来的多波束工作经验，本文试图系统地介绍各参数误差的现象，判断误差的来源，并提出相应的测定和校正方法。

二声速剖面误差及校正

海水是不均匀的介质，声波在海水中传播时，速度受海水温度、压力和盐度等因素影响而发生变化。声速随着温度、压力、盐度的增大而增大，其中与温度的相关性最大，压力次之，盐度最小。但在江河入海口、海底淡水泉口等处，由于海水与淡水的混合，盐度变得极为不均匀，声速也随时空而频繁变化。不同的声速在海水中构成一系列声速层，使得声波传播时遵循Snell定律

图1 声波在不同介质中的传播

发生声线弯曲（如图1）。声线弯曲误差对多波束测深的影响主要反映在两个方面：一是对声线传播距离的影响，也就是对覆盖宽度的影响；二是对水深测深值的影响。图2是典型的声速误差的例子，该图是东亚交汇2号光缆路由调查的一部分，距香港大屿山南部仅25公里。该海域的海水盐度变化较大，水中悬浮颗粒成分复杂和分布不均，因而声速随时空变化较快。图中共有5条测线，其中第3条测线是由于使用了不适当的声速剖面，造成了条幅两侧出现了非地形因素的对称性弯曲，这是声速剖面误差的典型表现。

图2 声速校正误差实例（Simrad EM950,2000年）

采集更多的声速剖面，并且在时间和空间上分布合理，是保证多波束测深精度的关键。一般来说，在远离海岸线的较深海域，主要考虑温度及水深的变化即可，因为该类海域的海水盐分在潮流、涌浪等动力的作用下，混合得较充分，且受河流淡水的影响较小，横向上很少出现盐度明显变化的情况，在这种情况下，声速剖面在空间上的分布密度可适当地放宽。在近岸较浅水域，应重点考虑盐度的变化，声速剖面在空间上的分布密度应适当加大，但在昼夜温差变化较大的海区，还应考虑温度因素，声速剖面在时间上的分布密度应加大。表1是作者根据调查研究后提出的声速剖面在空间和时间上的最大控制范围。

在海上作业过程中，判断声速剖面是否适用的比较有效的方法有：①实时表层声速（假如有的话）的是否发生明显变化，如 3.5m/s；②实时条幅剖面的两侧是否出现非地形因素的对称弯曲现象。当发现声速剖面不再适用时，要及时地进行声速剖面的采集和更换使用。

表1

三导航定位时间延迟误差及校正

1 误差分析

如果定位系统与测深系统不同步，将使测深点产生位移，使测得的海底地形发生变形，这种效应通常称为定位时间延迟误差。

P″P P′

系统延迟效应对测深的影响见图3(a)、3(b)所示。图中箭头所指为测线航行，P 为真实位置，P′为记录位置，△为位移。从图3(a)可知，当测量船沿统一方向测量时，系统性延迟将使所有的水深点位移△，从而使整个海底地形产生偏移；而当测量船按正反方向交替测量时(见图3(b))，系统性延迟将使正向测量的水深值向右移△，反向测深值左移△，使整个海底地形产生条带状交叉错位。位移△的大小与航速成正比，例如：当延迟△t=0.6秒、V=12节时，位移值将达3.7米。因此，在精度要求较高的沿岸及港口工程测量中，当船速较大时，时间延迟效应不容忽视。

2误差校正

2.1同一目标探测法

在海区内选定一突出目标，沿某一固定测线以相同的速度往返观测两次，得到同

一目标的两个偏移位置P ′和P ″(参见图3(b)),可得延迟位移△为：

△=P ′P ″/2

测定船速V ，进一步得定位系统的时间延迟为：

△t=△/V

需要注意的是，用以上方法来测定延迟误差时，应首先消除纵倾偏角误差，否则不能用此法。

2.2剖面重叠法

在海区内选定一突出目标或斜坡，布设一条通过突出目标或垂直斜坡的测线，以较低的航速V 1(如4节)沿测线测量，得到目标P 的偏移位置P ′；再以较高的航速V 2(如10节)沿同一方向测量，得到目标P 的偏移位置P ″ (见图4(a))。作两条测线的纵向剖面图，得到如图4(b)两条虚线所示的剖面图,通过水平移动两条虚线，使它们最佳重叠，得到位移距离2△，则时间延迟△t=2△/(V 2-V 1)。

通过以上方法得到△t

后，输入实时数据采集系统或后处理系统即可完成导航定位时间误差延迟校正。

用剖面重叠法来测定延迟误差，不受纵倾偏角误差存在的影响。值得注意的是，由定位时间延迟引起的误差和由纵倾偏角引起的误差，在表象上相似，仅从地形图上看，较难区分。因此，应尽量使用剖面重叠法测定时间延迟，并应优先于其它参数安排测定。

四 横摇偏角、纵倾偏角误差及校正

1 误差分析

与传统单波束探测的线状剖面不同，多波束达到条幅式面状测量，船舶摆动时换能器与水平面存在夹角，对其探测产生较大影响，波束形成时必须校正到水平面。一般将夹角分解为两个方向的假想夹角，即纵倾角、横摇角。纵倾角（Pitch ）是换能

图4(b)