淳明浩，劉振紋，毛天宇，楊肖迪，羅小橋，張寧馨

中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究有限公司，天津 300451

多波束測(cè)深系統(tǒng)也稱(chēng)為條帶式測(cè)深系統(tǒng)，是利用聲波在水體的傳播特性來(lái)測(cè)量水深的一種聲學(xué)探測(cè)技術(shù)[1]。該系統(tǒng)利用安裝于測(cè)量船底部的聲學(xué)換能器陣列，按照一定的角度向海底發(fā)射超寬聲波波束，并接收海底反向散射的回波信號(hào)[2]，根據(jù)各角度反射聲波到達(dá)接收換能器的時(shí)間和相位，經(jīng)過(guò)信號(hào)解算得到多個(gè)探測(cè)點(diǎn)的水深值，這是一個(gè)主動(dòng)識(shí)別和進(jìn)行異常校正的測(cè)深過(guò)程[3]，其水深測(cè)量值是根據(jù)發(fā)射聲波探測(cè)海底的往返時(shí)間與聲波在海水中的傳播速度來(lái)確定[4]，探測(cè)原理見(jiàn)圖1[5-6]。多波束測(cè)深系統(tǒng)在工作過(guò)程中，發(fā)生聲學(xué)換能器姿態(tài)的指向、上下高度、左右傾斜度、前后傾斜度等變化，會(huì)引起探測(cè)波束位置和波束在水體中的傳播時(shí)間誤差，對(duì)水深地形測(cè)量精度具有直接的影響[7-8]，測(cè)量誤差示意見(jiàn)圖2。因此，在海洋工程勘察測(cè)繪過(guò)程中，需對(duì)多波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行正確校正并設(shè)定正確參數(shù)，以獲得高質(zhì)量的測(cè)深數(shù)據(jù)，并最大限度地提高測(cè)量精度和效率。

圖1 多波束測(cè)深系統(tǒng)探測(cè)原理

圖2 多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量誤差示意

本文詳細(xì)介紹了多波束測(cè)深系統(tǒng)在水深地形測(cè)量過(guò)程中的系統(tǒng)校正方法，為多波束系統(tǒng)外業(yè)測(cè)量工作提供參考。

1 多波束測(cè)深系統(tǒng)校正

多波束測(cè)深系統(tǒng)校正作業(yè)由多個(gè)過(guò)程組成，包括聲速校正、橫搖縱搖校正、艏搖校正、延時(shí)校正等。

1.1 聲速校正

影響多波束測(cè)探數(shù)據(jù)的因素有很多，其中海水聲速（簡(jiǎn)稱(chēng)“聲速”）是影響多波束測(cè)深數(shù)據(jù)一個(gè)重要的因素。因此，為測(cè)深系統(tǒng)提供當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)販?zhǔn)確的聲速值是獲取可靠水深測(cè)量數(shù)據(jù)的基本保證之一。此外，多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)所輸入的聲速數(shù)據(jù)量有一定的限制，不同的聲速數(shù)據(jù)取點(diǎn)，也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。為了獲得準(zhǔn)確可靠的水深測(cè)量數(shù)據(jù)，必須進(jìn)行聲速改正[9]。聲速校正的聲速剖面原理見(jiàn)圖3。

圖3 聲速剖面原理示意

如圖3所示，在水質(zhì)均勻的理想情況下，測(cè)量的水體聲速剖面為零梯度聲速剖面（Co-CA）；實(shí)際工作中，水體多不均勻，不同層位聲速性質(zhì)差異較大，測(cè)量所得的水體聲速剖面不規(guī)則（Co-Cc）；經(jīng)過(guò)聲速校正后，所得水體聲速剖面為規(guī)則的等效聲速面（Co-CB）。

1.2 橫搖縱搖校正

在測(cè)量船上安裝多波束測(cè)深系統(tǒng)設(shè)備時(shí)和測(cè)量作業(yè)過(guò)程中，很難保證多波束換能器基陣中心的三坐標(biāo)軸與測(cè)量船中心的三坐標(biāo)軸完全重合，且隨船體運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)橫搖、縱搖和艏搖（見(jiàn)圖4）。因此，多波束測(cè)深系統(tǒng)在正式工作之前，必須正確、嚴(yán)格地進(jìn)行各項(xiàng)系統(tǒng)參數(shù)的校正測(cè)定。需要測(cè)定的系統(tǒng)參數(shù)有：橫搖偏角、縱搖偏角和艏搖偏角等[10]。

圖4 多波束測(cè)深系統(tǒng)橫搖縱搖艏搖示意

在平坦的海底，橫搖角度誤差導(dǎo)致水深誤差大，而且隨著波束角、縱橫搖角度的增大而增加，當(dāng)波束角θ＞30°時(shí)，橫搖角度誤差引起的水深相對(duì)誤差會(huì)超過(guò)0.1%[11]?？v搖參數(shù)校正時(shí)，精度須小于±0.1°；而橫搖參數(shù)校正時(shí)，精度須達(dá)到±0.01°[12]。對(duì)縱搖、橫搖角度偏差參數(shù)校正值的獲取，主要通過(guò)實(shí)測(cè)法和剖面重合法[13]。實(shí)測(cè)法即在實(shí)際測(cè)量中借助地形圖中等深線或地物間距離和坡度的計(jì)算獲得參數(shù)的方法[14]，橫搖、縱搖實(shí)測(cè)校正示意見(jiàn)圖5、圖6。

橫搖偏差可用下式計(jì)算：

圖5 橫搖校正示意

圖6 縱搖校正示意

式中：DR為橫搖偏差，（°）；Dz為測(cè)線往返方向上測(cè)量的水深差，m；Da為垂直航跡方向的距離，m。

縱搖偏差可用下式計(jì)算：

式中：Dp為縱搖偏差，（°）；Db為兩次測(cè)量的地形特征沿相反航跡方向偏移量，m；H為測(cè)量水深，m。

1.3 艏搖及升沉校正

艏搖偏差使測(cè)點(diǎn)位置以中央波束為原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)同一角度，造成位移在中央波束處為0，離中央波束越遠(yuǎn)，位移越大，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤[15]。艏搖偏差的校正應(yīng)選擇特征地形進(jìn)行，測(cè)量船通過(guò)兩條平行測(cè)線（測(cè)線間距應(yīng)保證邊緣波束重疊不小于10%），以相同速度相同方向各測(cè)量一次[16]。利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行校正時(shí)，沿航向選擇重合部分的波束，通過(guò)比較重疊部分的兩個(gè)剖面確定的最小偏差即為艏搖偏差。如圖7所示，海底孤立目標(biāo)物實(shí)際位置在B處，當(dāng)調(diào)查船從左側(cè)測(cè)線經(jīng)過(guò)時(shí)，目標(biāo)物探測(cè)位置移動(dòng)到A處，當(dāng)調(diào)查船從右側(cè)測(cè)線經(jīng)過(guò)時(shí)，目標(biāo)物探測(cè)位置移動(dòng)到C處，則艏搖偏差可用下式計(jì)算：

式中：Y（θ）為艏搖偏差，（°）；Dc為目標(biāo)物位置兩次測(cè)量相差距離，m；d為調(diào)查船移動(dòng)時(shí)與目標(biāo)物之間的最小距離，m。

圖7 艏搖偏差校正示意

1.4 延時(shí)校正

當(dāng)GPS接收機(jī)與多波束采集數(shù)據(jù)之間存在時(shí)間延遲時(shí)，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量地形在航向上發(fā)生整體偏移，即為延時(shí)偏差[17]。對(duì)這種誤差的校正方法為：在測(cè)區(qū)內(nèi)選定一個(gè)典型目標(biāo)A，布設(shè)一條通過(guò)A的測(cè)線，校正過(guò)程見(jiàn)圖8。

圖8 時(shí)間延遲校正示意

延時(shí)校正可用下式計(jì)算

式中：DT為時(shí)間延遲，s；Dd為兩次測(cè)量的特征地形沿相同航跡方向的偏移量，m；Vh為較高的航速，m/s；Vl為較低的航速，m/s。

校正時(shí)沿航向選擇特征地形的中央波束，利用多波束系統(tǒng)軟件自動(dòng)計(jì)算，分粗算、精算、極精算三步進(jìn)行，逐步縮小計(jì)算范圍，得出最優(yōu)值。通常，可以利用軟件的斷面查看器判讀校正效果，如果特征地形吻合或者吻合趨勢(shì)較好，則校正值可以采用[18]。

2 工程應(yīng)用

2.1 測(cè)量方案制訂

本測(cè)量項(xiàng)目為趙東區(qū)域某海上油田航道的維護(hù)性疏浚土方量計(jì)算提供依據(jù)。測(cè)量水深之前，先確定調(diào)查作業(yè)測(cè)線。在布設(shè)測(cè)線時(shí)，按照相關(guān)規(guī)范及技術(shù)要求，同時(shí)考慮到海流狀況，保證多波束測(cè)深儀探測(cè)時(shí)測(cè)量船舶航行的勻速與穩(wěn)定，測(cè)線間距定為20 m，符合規(guī)范要求。在測(cè)線方案中，布設(shè)不進(jìn)行系統(tǒng)校正和進(jìn)行系統(tǒng)校正的測(cè)線各2條，用來(lái)進(jìn)行水深測(cè)量效果對(duì)比分析；按規(guī)范要求數(shù)目布設(shè)主測(cè)線15條和水深聯(lián)絡(luò)測(cè)線8條（見(jiàn)圖9）。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，若顯示主測(cè)線與檢查線（水深聯(lián)絡(luò)測(cè)線）相交處水深基本吻合且處于設(shè)計(jì)水深值誤差范圍內(nèi)，測(cè)量水深圖及地形圖與航道設(shè)計(jì)水深圖及地形圖（見(jiàn)圖10）相符，表明水深測(cè)量成果符合規(guī)范要求[18]。

圖9 水深測(cè)量測(cè)線布設(shè)方案

2.2 系統(tǒng)校正作業(yè)

本測(cè)量項(xiàng)目的航道水深地形測(cè)量設(shè)備使用HT-300S多波束測(cè)深系統(tǒng)。測(cè)深系統(tǒng)換能器安裝在測(cè)量船側(cè)，以降低噪聲影響且不易產(chǎn)生氣泡；運(yùn)動(dòng)姿態(tài)傳感器（MRU）安裝在平行于測(cè)量船的軸線的駕駛艙中；電羅經(jīng)安裝在測(cè)量船的艏艉線上，方向指向船首；導(dǎo)航定位GPS天線安裝在測(cè)量船頂部開(kāi)闊的位置（見(jiàn)圖11）。水深測(cè)量校正前，先精確量取多波束換能器吃水深度，姿態(tài)傳感器、GPS與換能器之間的相對(duì)位置距離，使系統(tǒng)各部分的安裝測(cè)量準(zhǔn)確度≥0.05 m[19]。

圖10 航道設(shè)計(jì)水深圖與地形圖

圖11 多波束測(cè)深系統(tǒng)安裝示意

分別選擇系統(tǒng)校正和未校正測(cè)線進(jìn)行水深測(cè)量，以此來(lái)分析未校正水深數(shù)據(jù)測(cè)量偏差。根據(jù)文中闡述的多波束系統(tǒng)橫搖、縱搖、艏搖、延時(shí)以及聲速校正方法，在設(shè)定的系統(tǒng)校正測(cè)線上進(jìn)行校正操作。

縱搖校正時(shí)，以相同速度，沿相反方向，兩次通過(guò)同一測(cè)線進(jìn)行；橫搖校正時(shí)，也以相同速度，沿相反方向，兩次通過(guò)同一測(cè)線進(jìn)行，與縱搖校正相似；艏搖校正時(shí)，以相同速度，沿同一方向，通過(guò)等長(zhǎng)的兩條測(cè)線進(jìn)行；延時(shí)校正時(shí)，以?xún)煞N不同速度，沿同一方向，兩次通過(guò)同一測(cè)線進(jìn)行。校正過(guò)程分析見(jiàn)表1。

2.3 未校正測(cè)量與分析

對(duì)測(cè)量所得的水深數(shù)據(jù)使用專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行處理，選取未校正測(cè)線與聯(lián)絡(luò)測(cè)線交點(diǎn)處的水深值進(jìn)行對(duì)比。從對(duì)比可以看出，未進(jìn)行系統(tǒng)校正的測(cè)量水深數(shù)據(jù)點(diǎn)具有明顯異常特征，普遍相比航道設(shè)計(jì)水深值?。ㄒ?jiàn)表2），誤差范圍最大可達(dá)80%，不符合水深測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

對(duì)未進(jìn)行校正的水深測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行成圖，得出的水深圖具有明顯的異常區(qū)，海底地形圖中也明顯可見(jiàn)異常地形（見(jiàn)圖12），與航道設(shè)計(jì)參數(shù)（見(jiàn)圖10）不相符。

2.4 校正測(cè)量與分析

校正測(cè)量時(shí)，通過(guò)船速要均勻，把定航向減小航跡線偏移，增加重合區(qū)域[20]。測(cè)量過(guò)程中，當(dāng)船體姿態(tài)有明顯改變、換能器或運(yùn)動(dòng)姿態(tài)傳感器位置移動(dòng)、測(cè)線重合不好時(shí)，重新進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的校正[21]。

表1 多波束測(cè)深系統(tǒng)誤差校正

表2 未校正測(cè)量的水深值與設(shè)計(jì)值對(duì)比

圖12 系統(tǒng)未校正測(cè)量的航道水深圖與地形圖

對(duì)測(cè)量所得的水深數(shù)據(jù)使用專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行處理，對(duì)每條測(cè)線進(jìn)行仔細(xì)檢查，去掉邊側(cè)漂移點(diǎn)及明顯失真測(cè)深點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，生成水深測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)無(wú)明顯異常特征（見(jiàn)表3），誤差范圍多集中在5%，符合水深測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

對(duì)進(jìn)行校正的水深測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行成圖，得出的航道測(cè)量區(qū)域水深圖和地形圖無(wú)明顯異常區(qū)域（圖13），與航道設(shè)計(jì)參數(shù)（圖10）相符。

表3 校正測(cè)量的水深值與設(shè)計(jì)值對(duì)比

圖13 系統(tǒng)校正后測(cè)量的航道水深圖與地形圖

2.5 技術(shù)方案評(píng)價(jià)

通過(guò)設(shè)定系統(tǒng)校正和未校正測(cè)量方案，得出的未進(jìn)行系統(tǒng)校正的水深數(shù)據(jù)具有明顯異常點(diǎn)，進(jìn)行系統(tǒng)校正的水深數(shù)據(jù)平滑連續(xù)，得出的航道海底地形圖也更加真實(shí)，符合航道設(shè)計(jì)特征。多波束測(cè)深系統(tǒng)校正過(guò)程可有效減小測(cè)量誤差，剔除多束測(cè)深異常點(diǎn)，減小水深測(cè)量系統(tǒng)誤差，使得測(cè)量結(jié)果更加合理準(zhǔn)確，表明多波束測(cè)深系統(tǒng)校正技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際測(cè)量作業(yè)中是科學(xué)有效的。

3 結(jié)束語(yǔ)

多波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行水深地形測(cè)量時(shí)，系統(tǒng)換能器存在的縱搖、橫搖、艏搖差及延時(shí)偏差，直接影響水深測(cè)量質(zhì)量。通過(guò)調(diào)整儀器設(shè)備、進(jìn)行設(shè)備校正操作，可以減小測(cè)量誤差，獲得高質(zhì)量的測(cè)量數(shù)據(jù)和提高海洋勘察測(cè)繪作業(yè)效率。本文結(jié)合實(shí)際工程作業(yè)，較為系統(tǒng)地介紹和驗(yàn)證了多波束測(cè)深系統(tǒng)校正技術(shù)在水深地形測(cè)量中的科學(xué)有效性，對(duì)多波束測(cè)深系統(tǒng)的水深地形測(cè)量作業(yè)具有較好的參考指導(dǎo)作用。

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