基于工程案例的多波束水深測(cè)量精度的影響因素研究

刁永洲

摘 要：本文結(jié)合筆者參與的珠江流域某河道水深測(cè)量的工程案例，探討了影響多波束水深測(cè)量精度的幾個(gè)因素，包括定位精度，定位時(shí)延、橫搖、縱搖、艏搖，系統(tǒng)測(cè)深精度，各設(shè)備間的距離精度，聲速測(cè)量，驗(yàn)潮精度，數(shù)據(jù)覆蓋密度，數(shù)據(jù)處理剔除噪聲等，并結(jié)合工程案例重點(diǎn)探討了橫搖、縱搖、艏搖對(duì)測(cè)深精度的影響，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：水深測(cè)量 多波束 精度 影響因素

中圖分類號(hào)：P229 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）01（b）-0081-02

目前，多波束測(cè)深系統(tǒng)已經(jīng)向集成化與模塊化方向發(fā)展，數(shù)據(jù)處理也實(shí)現(xiàn)了軟件自動(dòng)化處理，隨著珠江流域水利水電建設(shè)測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展，筆者所在單位引進(jìn)成套的多波束測(cè)深系統(tǒng)，主要設(shè)備包括：Sonic 2022聲吶系統(tǒng)、GPS羅經(jīng)、姿態(tài)儀、聲速剖面儀等，主要軟件包括：R2Sonic聲吶控制軟件、QINSy數(shù)據(jù)采集軟件、CARIS數(shù)據(jù)處理軟件等，在許多工程中發(fā)揮出了巨大的作用。現(xiàn)以珠江流域某河段多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量為例，分析影響測(cè)量精度的因素，采取提高測(cè)量精度的措施。

1 多波束系統(tǒng)工作原理

多波束測(cè)深系統(tǒng)是組合設(shè)備系統(tǒng)，GPS羅經(jīng)可以進(jìn)行瞬時(shí)定位，姿態(tài)儀可以確定瞬時(shí)姿態(tài)參數(shù)，聲吶探頭可以探測(cè)瞬時(shí)水深，將這些設(shè)備測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合計(jì)算并加以改正，便可得出準(zhǔn)確的水深數(shù)據(jù)。多波束測(cè)深系統(tǒng)的工作原理是利用發(fā)射換能器陣列向水下發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波，利用接收換能器陣列對(duì)聲波進(jìn)行窄波束接收，通過(guò)發(fā)射、接收扇區(qū)指向的正交性形成對(duì)水下地形的照射腳印，對(duì)這些腳印進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，探測(cè)瞬間就能測(cè)量出與航向垂直的垂面內(nèi)上百個(gè)甚至更多的水深值，從而能夠快速、精確地測(cè)出沿航線一定寬度內(nèi)水下目標(biāo)的大小、形狀和高低變化，比較可靠地描繪出水下地形的三維特征。

2 影響多波束測(cè)量精度的因素

2.1 定位精度影響

定位精度除受定位設(shè)備的精度直接影響外，主要還受水下地形的影響，定位誤差對(duì)水深點(diǎn)的影響是改變了具體位置處的真實(shí)水深值。測(cè)量時(shí)采用的GPS羅經(jīng)是Trimble GPS定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用信標(biāo)差分技術(shù)進(jìn)行位置定位，定位精度優(yōu)于±1m，測(cè)區(qū)水下地形坡度約為1∶20，±1m的定位誤差在坡度線上對(duì)水深產(chǎn)生±0.05m的影響，完全滿足水下地形測(cè)量精度要求，況且多波束測(cè)深時(shí)為平行河道測(cè)量，測(cè)線基本上沿水下等高線進(jìn)行，定位影響可以忽略不計(jì)。但如果水下地形坡度較大或比較復(fù)雜，提高定位精度可提高水下測(cè)量精度。

2.2 定位時(shí)延、橫搖、縱搖、艏搖的影響

定位時(shí)延中誤差規(guī)范要求不小于0.05s，以5節(jié)船速計(jì)算，所產(chǎn)生的定位誤差為±0.13m，由此產(chǎn)生的水深誤差可以忽略不計(jì)。如定位時(shí)延誤差過(guò)大、船速過(guò)快、水下地形復(fù)雜，將會(huì)對(duì)水下測(cè)量產(chǎn)生較大的影響。橫搖偏差規(guī)定中誤差應(yīng)小于0.05°，測(cè)區(qū)的平均水深為30m，波束角為1°×1°，波束橫向開(kāi)角控制在120°，當(dāng)探桿固定垂直向下無(wú)傾角誤差時(shí)，邊緣波束將產(chǎn)生約±0.05m橫向的水深誤差，這種誤差對(duì)水深測(cè)量影響很小。當(dāng)橫搖偏差校正誤差達(dá)到0.1°，將會(huì)對(duì)水深產(chǎn)生約±0.1m的誤差，隨著誤差的變大，橫搖偏差將對(duì)水深產(chǎn)生較大的影響?？v搖偏差規(guī)定中誤差應(yīng)小于0.3°，測(cè)區(qū)的平均水深為30m，波束角為1°×1°，波束橫向開(kāi)角控制在120°，當(dāng)探桿固定垂直向下無(wú)傾角誤差時(shí)，邊緣波束將產(chǎn)生約±0.05m的縱向水深誤差，這種誤差對(duì)水深測(cè)量影響很小。當(dāng)縱搖偏差過(guò)大時(shí)，同樣對(duì)水深產(chǎn)生較大的影響，與橫搖偏差相比較，縱搖偏差對(duì)水深測(cè)量影響較小。艏向偏差規(guī)定中誤差應(yīng)小于0.1°，測(cè)區(qū)的平均水深為30 m，波束橫向開(kāi)角控制在120°，當(dāng)探桿固定垂直向下無(wú)傾角誤差時(shí)，經(jīng)計(jì)算，邊緣波束將產(chǎn)生約±0.09m的點(diǎn)位偏差，在水下地形坡度約為1∶20的水域產(chǎn)生的水深誤差可以忽略不計(jì)。但如果艏向偏差誤差較大或水下坡度較大，水深誤差也隨著增大。

2.3 系統(tǒng)測(cè)深精度

Sonic 2022型高分辨率寬帶多波束測(cè)深系統(tǒng)是世界上第一臺(tái)真正的高分辨率寬帶淺水多波束測(cè)深儀，代表了當(dāng)前最先進(jìn)的水下聲學(xué)技術(shù)，其最大量程500m，量程分辨率為1.25cm，精度高，在不考慮其他因素的影響下，單獨(dú)的測(cè)深精度完全滿足水下地形測(cè)量的要求。

2.4 提高各設(shè)備間的距離精度

系統(tǒng)各配套設(shè)備的傳感器位置與測(cè)量船參考坐標(biāo)系原點(diǎn)的偏移量應(yīng)精確測(cè)量，讀數(shù)至厘米，往返各測(cè)1次，水平方向往返讀數(shù)互差應(yīng)小于50mm，豎直方向往返讀數(shù)互差應(yīng)小于20mm，在限差范圍內(nèi)取其均值作為測(cè)量結(jié)果。提高各設(shè)備間的距離量測(cè)精度或在船坐標(biāo)系中的坐標(biāo)精度，能夠提高水深計(jì)算精度。

2.5 聲速測(cè)量的影響

聲速與海水溫度、鹽度和靜水壓力密切相關(guān)，聲速隨溫度升高而增大，溫度升高1℃聲速的變化是原來(lái)的35%，則聲速將增大約5m/s，聲速受溫度影響最大；隨鹽度增加而增大，鹽度增加1，聲速值增加約1.14m/s；靜壓力增加，聲速值增加，海水深度變化100m，聲速增量約1.75m/s。經(jīng)計(jì)算，聲速每變化10m/s，水深變化將達(dá)0.3m左右，聲速對(duì)測(cè)深精度影響相當(dāng)大，多波束測(cè)深對(duì)聲速測(cè)定要求很?chē)?yán)格，多波束系統(tǒng)配備的是Odom Digibar S聲速剖面儀，量程為1400～1600m/s，分辨率為0.01m/s，精度為±0.2m/s，如按要求使用聲速剖面儀并且操作和采集數(shù)據(jù)正確，能夠滿足多波束測(cè)深的要求。

2.6 驗(yàn)潮精度的影響

水位觀測(cè)可采用驗(yàn)潮站的自記式驗(yàn)潮儀、便攜式驗(yàn)潮儀、水尺等，其觀測(cè)誤差不得大于2cm，驗(yàn)潮站的密度應(yīng)能控制測(cè)區(qū)的潮汐變化，相鄰驗(yàn)潮站之間的距離應(yīng)滿足最大超高差不大于1m、最大潮時(shí)差不大于2h、潮汐性質(zhì)相同。多波束測(cè)量時(shí)在6km河段的上游、中游、下游分別布置了3把水尺，按要求進(jìn)行觀測(cè)，驗(yàn)潮精度可以滿足要求。

2.7 數(shù)據(jù)覆蓋密度的影響

Sonic 2022型多波束測(cè)深系統(tǒng)波束角為1°×1°，瞬時(shí)測(cè)量可達(dá)256個(gè)波束，如果波束開(kāi)角控制適當(dāng)，在平均水深約30m的河底，能夠生成不大于0.52m的水下點(diǎn)位密度，可形成高分辨率的水下三維地形，但如果波束開(kāi)角較大、河水較深，勢(shì)必降低水下地形分辨率，地形的精度也會(huì)有所降低。

3 工程案例

多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量在珠江流域某河段得到了充分應(yīng)用，現(xiàn)舉例說(shuō)明橫搖、縱搖、艏搖對(duì)多波束測(cè)深的精度影響，其他因素主要屬于設(shè)備自身精度的影響，提高儀器本身的精度可以提高測(cè)深精度，這個(gè)不難理解?？紤]到橫搖、縱搖和艏搖3個(gè)姿態(tài)參數(shù)同流速、船速和波浪等因素之間的聯(lián)系，因此選取較為理想的條件進(jìn)行姿態(tài)參數(shù)求定，經(jīng)過(guò)實(shí)地測(cè)量并嚴(yán)格校準(zhǔn)，校準(zhǔn)值分別是橫搖值R=-0.45°，縱搖值 P=-0.5°，艏搖值Y=0°，經(jīng)校準(zhǔn)值計(jì)算的水深可認(rèn)為為實(shí)際水深值，圖1為一條測(cè)線的部分圖形。

根據(jù)斷面上的數(shù)據(jù)，分別變化各校準(zhǔn)值重新計(jì)算測(cè)量水深，并與實(shí)際水深值進(jìn)行比較，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，當(dāng)水深約37m，橫搖值減少0.05°和0.1°，波束角右舷60°的位置實(shí)測(cè)水深變化約0.05m和0.10m；當(dāng)水深約48.4m，橫搖值減小0.05°和0.1°，波束角左舷60°的位置實(shí)測(cè)水深變化約-0.06m和-0.13m；波束角越大，水深越深，橫搖值的變化對(duì)測(cè)深精度影響越大，因此規(guī)范要求，橫搖偏差規(guī)定中誤差應(yīng)小于0.05°。當(dāng)水深約37m，縱搖值減少0.3°，波束角右舷60°的位置實(shí)測(cè)水深變化約0.01m；當(dāng)水深約48.4m，橫搖值減小0.3°，波束角左舷60°的位置實(shí)測(cè)水深變化約-0.02m，因此規(guī)范要求，縱搖值偏差規(guī)定中誤差應(yīng)小于0.3°。

結(jié)果表明，當(dāng)水深約37m，艏搖值增加0.1°，波束角右舷60°的位置實(shí)測(cè)水深變化約0.01m；當(dāng)水深約48.4m，艏搖值增加0.1°，波束角左舷60°的位置實(shí)測(cè)水深變化約0.01 m，因此規(guī)范要求，艏搖值偏差規(guī)定中誤差應(yīng)小于0.1°。

由以上3個(gè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，橫搖偏差將對(duì)水深產(chǎn)生較大的影響，應(yīng)提高橫搖值校準(zhǔn)精度，同時(shí)當(dāng)水深較深時(shí)，應(yīng)盡量減小波束開(kāi)角，減少測(cè)量誤差。

4 結(jié)語(yǔ)

多波束測(cè)深系統(tǒng)是多種技術(shù)集成的高科技系統(tǒng)，相關(guān)的設(shè)備多，外業(yè)測(cè)量及數(shù)據(jù)處理都比較復(fù)雜，各種設(shè)備不可避免地都會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差，除上述因素影響精度外，姿態(tài)儀靈敏度精度、控制網(wǎng)及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度、探桿安裝傾斜角度的誤差因素等也會(huì)影響最終精度，通過(guò)更換更高精度的設(shè)備、提高測(cè)量或安裝精度，嚴(yán)格按照多波束測(cè)深要求測(cè)量，對(duì)姿態(tài)進(jìn)行精密校正和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)處理，可以提高多波束測(cè)深精度，形成高精度的三維水下成果，滿足一般成圖精度要求，在水利建設(shè)方面有廣闊的應(yīng)用前景。

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