精密單波束測(cè)深分析與實(shí)踐

郭志金 何雯 羅曄

摘要：隨著對(duì)多波束系統(tǒng)組成單元的研究不斷深入，多傳感器集成技術(shù)已從傳統(tǒng)單波束測(cè)深向精細(xì)化方向發(fā)展。在分析普通單波束測(cè)深精度因子的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)針對(duì)延時(shí)效應(yīng)、動(dòng)吃水效應(yīng)和波束角效應(yīng)進(jìn)行了分析和試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于中高速運(yùn)行的測(cè)船測(cè)深作業(yè)，應(yīng)進(jìn)行延時(shí)改正;采用波束角小的換能器以無(wú)驗(yàn)潮模式進(jìn)行單波束測(cè)深可有效提高測(cè)深精度。得出了測(cè)深傳感器實(shí)時(shí)姿態(tài)對(duì)測(cè)深精度的影響，以及水下不同地貌對(duì)測(cè)深傳感器的敏感性。

關(guān)鍵詞：精密測(cè)深;單波束;精度因子;地貌敏感性

中圖法分類號(hào)：P332 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.05.005

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）05 - 0019 - 04

影響水深測(cè)量精度的因素很多，如定位誤差、驗(yàn)潮誤差、動(dòng)吃水誤差、聲速誤差、測(cè)船姿態(tài)變化導(dǎo)致的誤差等。以往的研究證實(shí)：采用RTK三維水深測(cè)量的無(wú)驗(yàn)潮模式測(cè)深能有效解決定位、驗(yàn)潮和動(dòng)吃水誤差[1]，同時(shí)聲速剖面改正能有效減弱聲速效應(yīng)引起的測(cè)深誤差。但實(shí)際工作中，也不能只追求測(cè)深精度而大量搭載各種傳感器，應(yīng)依據(jù)地形特征分析各傳感器對(duì)測(cè)深精度提升的貢獻(xiàn)率，然后選擇搭載。應(yīng)在分析普通單波束測(cè)深精度因子的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)針對(duì)延時(shí)效應(yīng)、動(dòng)吃水效應(yīng)和波束角效應(yīng)進(jìn)行分析和試驗(yàn)，選擇最優(yōu)的測(cè)深傳感器組合。

1 精密測(cè)深主要精度因子

不同于普通測(cè)深，分析了影響精密單波束測(cè)深精度的因素，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)處理進(jìn)行優(yōu)化。單波束測(cè)深精度的主要影響因子如下[2-4]。

1.1 延時(shí)效應(yīng)和動(dòng)吃水效應(yīng)

測(cè)深系統(tǒng)性延時(shí)包括測(cè)深數(shù)據(jù)延時(shí)、定位數(shù)據(jù)延遲、采集軟件處理時(shí)間及定位和測(cè)深單元安裝偏差[5-6]。延時(shí)效應(yīng)導(dǎo)致岸坡等區(qū)域等高線呈現(xiàn)鋸齒狀，與實(shí)際平順的岸坡地形特征嚴(yán)重不符。一般采用如下3種方案減弱延時(shí)效應(yīng)：①降低船速，以減小延時(shí)導(dǎo)致的定位點(diǎn)和測(cè)深點(diǎn)位置偏差。②測(cè)前先驗(yàn)算時(shí)延值，然后開始作業(yè)，選取坡比較大區(qū)域進(jìn)行往返測(cè)，調(diào)整時(shí)延值達(dá)到往返斷面的最佳吻合。③通過后處理軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償。

動(dòng)吃水效應(yīng)主要表現(xiàn)為起伏水流導(dǎo)致的船體垂蕩，以及測(cè)船行進(jìn)速度變化時(shí)船體吃水的變化。采用無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深模式時(shí)，垂蕩值已在GNSS高程信息中體現(xiàn)[7-8]，可不用考慮;采用驗(yàn)潮測(cè)深模式時(shí)，宜加裝涌浪傳感器，以改正測(cè)深值[9-10]。

1.2 波束角效應(yīng)

由于傳播過程中能量的衰減，測(cè)深換能器發(fā)射的波束中，只有一定開角內(nèi)的回波才能被換能器接收。根據(jù)底跟蹤原理，換能器只記錄此開角范圍內(nèi)最早的回波作為計(jì)算水深的依據(jù)，因此水深值可能是開角范圍內(nèi)水底任意點(diǎn)至換能器的距離，即波束角效應(yīng)。以下從不同地形角度分析波束角效應(yīng)對(duì)測(cè)深精度的影響。

（1）坡向不變區(qū)域。如圖1所示，在波束角效應(yīng)影響下，實(shí)測(cè)水深并非測(cè)船定位點(diǎn)正下方水深，河底地形坡度的存在導(dǎo)致地形測(cè)量值失真，總體上表現(xiàn)為坡面向坡腳方向平移。

（2）坡向變化區(qū)域。如圖2所示，對(duì)于凸形水底，波束角效應(yīng)在一定區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)為頂部加寬變平，兩側(cè)在坡向不變區(qū)域表現(xiàn)為平移。頂部平灘寬度為

對(duì)于凹形水底，測(cè)船前進(jìn)過程中，當(dāng)出現(xiàn)波束腳印范圍內(nèi)非平坦地形但邊緣波束水深[H1=H2]時(shí)，必然導(dǎo)致凹槽底部黑色區(qū)域部分水底數(shù)據(jù)丟失。由圖2可知，只有當(dāng)凹槽底部平緩，點(diǎn)1和點(diǎn)2切線對(duì)應(yīng)夾角C小于開角B時(shí)，凹槽最低點(diǎn)深度不會(huì)丟失。

綜上所述，波束角效應(yīng)帶來(lái)的測(cè)深誤差與波束角和水深成正比，隨地形起伏程度的加劇而增大。波束角效應(yīng)的關(guān)鍵在于波束腳印大小，因此在進(jìn)行水下地形施測(cè)時(shí)，宜先調(diào)查測(cè)區(qū)水深范圍，根據(jù)測(cè)圖比例尺測(cè)點(diǎn)間距要求和腳印大小選擇合適開角的換能器。

1.3 姿態(tài)效應(yīng)

在測(cè)深作業(yè)中，受風(fēng)浪等影響，測(cè)船顛簸造成換能器無(wú)法保持垂直向下，必然有橫搖α和縱搖β，導(dǎo)致定位點(diǎn)和波束腳印平面位置不重合，需要進(jìn)行平面坐標(biāo)改算和深度改正。

（1）平面坐標(biāo)改算。首先以GPS相位中心為原點(diǎn)，船體前進(jìn)方向?yàn)閤軸建立船體的左手坐標(biāo)系，波束腳印的船體坐標(biāo)系平面坐標(biāo)為

（2）深度改正。

2 試驗(yàn)與分析

2.1 試驗(yàn)組織實(shí)施

試驗(yàn)選擇在長(zhǎng)江中游河段進(jìn)行，水深區(qū)間為（4 m，45 m），坡度區(qū)間為（0°，35°），分別采用單波束測(cè)深系統(tǒng)配合8°開角和3°開角的換能器，以無(wú)驗(yàn)潮模式采集水下地形。試驗(yàn)對(duì)姿態(tài)效應(yīng)的影響只作定性分析，分別采用兩條航行穩(wěn)定性不同的測(cè)船（水文021測(cè)船和快艇）施測(cè)。每組數(shù)據(jù)包含6條測(cè)線，測(cè)線間隔為15 m，測(cè)點(diǎn)間距為2 m。同時(shí)采用波束角為1°×0.5°（航向×垂向）的多波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行水下地形精細(xì)化掃測(cè)，以此作為參考值對(duì)比分析單波束測(cè)深精度的影響因素。

2.2 成果對(duì)比分析

（1）動(dòng)吃水和延時(shí)效應(yīng)分析。采用快艇測(cè)深時(shí)，行進(jìn)中船尾下沉明顯，解算快艇行進(jìn)時(shí)的實(shí)時(shí)潮位，并與驗(yàn)潮模式潮位比較，結(jié)果見圖3?？梢娍焱y(cè)深時(shí)，動(dòng)吃水因素對(duì)測(cè)深質(zhì)量影響極其明顯，為提高測(cè)深精度必須采用無(wú)驗(yàn)潮模式。分別基于未進(jìn)行延時(shí)改正和已進(jìn)行延時(shí)改正的測(cè)深數(shù)據(jù)作圖，見圖4。由圖4可見，成圖比例尺越大，等高線鋸齒表現(xiàn)越明顯，進(jìn)行改正后，效果明顯。

（2）波束角效應(yīng)和姿態(tài)效應(yīng)分析。分別以多波束系統(tǒng)和3°，8°開角單波束系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)繪制河道橫斷面圖，并作疊合分析，見圖5。由圖5可見，單波束實(shí)測(cè)地形在斜坡區(qū)域有明顯的平移效應(yīng)，平移值大小隨波束角和深度的增大而增大。在平坦區(qū)域無(wú)明顯差異，但依然總體高程較多波束測(cè)點(diǎn)高程低。

計(jì)算河道過水?dāng)嗝婷娣e比例誤差和28 m水位時(shí)的槽蓄量[9]比例誤差，見表1。由表1可知，隨波束角的減小，過水面積和槽蓄量計(jì)算精度明顯提高。同時(shí)，姿態(tài)穩(wěn)定的作業(yè)平臺(tái)對(duì)精度提升有一定的貢獻(xiàn)率。

分別以4種作業(yè)形態(tài)的單波束測(cè)深數(shù)據(jù)和多波束點(diǎn)云數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，應(yīng)用克里金插值法，建立曲面模型。對(duì)兩曲面模型進(jìn)行柵格代數(shù)求差運(yùn)算，以此研究誤差大小及其分布特征，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

為直觀研究誤差分布特性，將求差之后的DEM貼合于三維模型上，以波束角8°和多波束數(shù)據(jù)為例，見圖6。由圖6可見，斜坡區(qū)域整體高程精度偏低，且隨深度的增加誤差逐步增大，同深度坡度越大精度越低;平坦和淺水區(qū)域整體精度較高?？蓪y(cè)區(qū)分為淺水平坦區(qū)（水深H≤15 m、坡度A≤5°）、深水平坦區(qū)（H>15 m、A≤5°）、緩坡區(qū)（5°

表3精度分區(qū)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在平坦區(qū)域，測(cè)深對(duì)定位精度因素不敏感，姿態(tài)效應(yīng)與波束角效應(yīng)對(duì)測(cè)深精度影響較小。在陡坡區(qū)域，姿態(tài)效應(yīng)與波束角效應(yīng)對(duì)測(cè)深精度影響較為顯著。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了單波束測(cè)深的主要精度因子，并通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，在單波束水深測(cè)量中，地形的復(fù)雜程度和波束角的大小是影響測(cè)量精度的顯著因素。通過算法改進(jìn)可減少延時(shí)、姿態(tài)等因素的影響。然而本文試驗(yàn)未能集成姿態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)定位和測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化修正，應(yīng)在以后的研究中加以改進(jìn)和完善。

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（編輯：李 慧）

Abstract：With the increasingly intensive research on the components of multi-beam system， the technology of multi-sensor integration has become the fine sounding development direction of traditional single beam bathymetry. Based on the analysis of the influential factors of precision of common single beam sounding， the analysis and test of delay effect， dynamic draft effect and beam angle effect were focused. The results showed that the delay should be corrected for the sounding operation at medium and high ship speed， and the single beam sounding with smaller beam angle transducer in non tidal mode can effectively improve the sounding precision. The influence of the real-time attitude of the sounding sensor on the sounding precision was described. The sensitivity of different underwater landforms to the sounding sensor was compared and analyzed.

Key words：precise sounding;single beam;precision factor;geomorphological sensitivity