多波束测深系统在内河航道测量中的运用
张从奎+蒋方强+陈宏乾
摘 要：在三角碛河段卵石沙波运动观测中，用SEABAT 8101多波束测深系统对一段航道试验段做了2次重复水深测量，目的是研究在短时间内河床卵石沙波微小变化。讨论了多波束系统的安装校准及质量控制问题；分析了测量中的主要误差源。通过对测量结果的分析表明，多波束测量的水深数据在反映水下微地形和分析局部沉积物运移趋势中，具有传统单波束测深不可比拟的优势。
关键词：多波束 水下扫描 误差来源
多波束测深系统简介
多波束测深是水声技术、计算机技术、导航定位技术和数字化传感器技术等多种技术的高度集成，最常使用在海洋环境中，多波束测深系统打破了传统单波束以点为基础的离散式的作业模式，而代之以空间面为基础的立体式作业模式，实现了立体测图、智能处理以及自动化成图。其工作原理是通过换能器阵进行声波广角度定向发射、接收，运用各种传感器（卫星定位系统、运动传感器、电罗经、声速剖面仪等）对各个波束测点的空间位置进行归算，从而获取与航向垂直的条带式高密度水深数据。
与传统的单波束测深技术相比较，多波束测深系统优势明显。①多波束系统采用了全覆盖的测量方式，采集的数据全面，能真实的反映河床地形；②多波束系统同步记录船体姿态信息，起伏、纵摇、横摇、航向等，由后处理软件对测量结果进行校正，使测量结果受外界不利因素影响减小到最低限度；③多波束系统后处理软件功能强大，能对测量资料进行多种成图处理，可生成等值线图、三维立体图、彩色图像、剖面图等，同时还能对同一测区不同测次进行比较以及土方计算等，极大地提高了工作效率；④多波束系统应用的采集软件具有实时成像功能，可以直观地看到水下的地形起伏，以及护岸工程的效果，便于指挥决策和重点监测，利用软件的回放功能，不仅在现场而且在室内也能演示；⑤多波束系统通过后处理软件可以绘制任意比例尺水下图形图，可以满足高精度的水利工程测量要求。
与常规多波束系统不同，SEA BAT 8101 采用特殊的波束形成方法，即在发射和接收时，系统均产生完全经过横摇校正的波束，此项技术被称为旋转定向发射（RDT），其优点为：在发射和接收时无论在沿航迹方向还是垂直航迹方向均可以获得极好的指向性，换能器小但声源级高、系统的安装应用非常方便灵活、旁瓣抑制好于36dB、错误率低。而常规多波束在发射脉冲时将声波照射到某一区域，仅在接收时产生波束形成。
多波束系统的安装
SEABAT 8101 系统由GPS导航定位系统、多波束换能器（探头）、光纤罗经和运动传感器、声速剖面仪、水深数据采集处理器、数据处理计算机和处理软件构成。各部分之间通过专用数据线连接，固定安装在测量船上。结合我院现有设备安装如下：SEABAT 8101多波束测深系统一套，安装于“渝工测201”上，考虑到测量船的大小（26*6m）和结构以及测量环境（内河），换能器采用船舷（右舷）固定安装并可拆卸。安装时要注意固定好，为避免换能器产生抖动、下沉，换能器与测量船用一根3m长φ200*5mm不锈钢钢管连接。OCTANS（光纤罗经和运动传感）器固定安装于船体重心位置并尽可能与水面平行；同时考虑到运动传感器的方向性，其罩壳上的指示方向与船艏方向一致。DGPS接收机天线应安装在船舶高处（低于避雷针），视场内障碍物的高度角不能超过10°；尽可能远离船舶主桅杆；尽量远离大功率的无线电发射信号源（如雷达、高频电话天线等）；天线安装要稳固，避免船舶姿态变化使其产生位移；天线位置应选择远离船体大型金属物体结构，距甲板高度为6.2m，尽可能减少信号多路径效应。
多波束系统的参数校正应在水下扫测之前或扫测结束后立即开展，以保证系统校正与扫测时多波束系统各仪器状态一致。多波束系统校正计算应在校正操作现场完成并做好校正参数记录，多波束系统校正方法及要求见下表。
实例工程运用：三角碛河段卵石沙波运动观测
1、项目背景
在三角碛水域选取两块面积为0.25平方公里的区域（南面，北面各一块），在一天时间内各测量两次（时间间隔在5～6小时），利用多波束的高密度点来反应卵石沙波的微小运动。
2、技术实施
仪器选用：该系统导航定位采用Trimble R8型GPS，利用其实时载波相位差分技术进行GPS导航定位。导航软件采用PDS2000。水下地形施测前应选取岸上至少一个D级GPS平面控制点对DGPS定位精度进行检验，达到精度要求方可用于水下定位测量，DGPS参考站架设引据控制点一般不应低于五等平面精度。
多波速系统的参数校正。
声速剖面测量：声速剖面测量采用SV Plus V2型声速剖面仪，量测扫测区域水表面至河床底（最大水深）的温度和声速，形成声速文件。
测线布设：主测线宜平行于等深线总方向或岸线，检查线垂直于主测线方向且均匀布设，在重要航行地区，测线间距取有效扫宽的1/2，一般采用全覆盖测量，测线间距不大于有效扫宽的4/5。在保证全覆盖的前提下，测线部分地段超宽长度小于测线长度1/5的不需要补线。垂直于主测线方向均匀布设3条或3条以上检查线，进行多波束测深检查。
测深准备：探测距离（量程）足够大，保证在测区最深区域仍可实现最大扫宽，又不宜太大以便获得比例适当的屏幕监测效果。发射功率应足够高，保证在全测区（或分区施测的某一区域整体）内都有足够强的回波信号；发射功率又不宜太大，以抑制二次回波、击穿海底等不良现象发生。接收增益宜取较低水平，以避免超饱和现象，并适当抑制噪声，接收增益又不可太小，否则会丢失信号。
实测地形：测深过程中实时监测动态传感器、定位及测深设备的运行状态。姿态传感器或测深设备发生故障必须立即停止作业；罗经持续10s故障应立即停止作业，定位数据持续20 s不正常停止作业，并合理补线。尽量避免急转弯。测量结束后，应再次核对多波束测深系统的关键参数设置，及时将外业原始数据转换至内业数据处理软件包能使用的数据格式，交付内业数据处理用。测量结束后，现场核对，排除一切不确定因素。记簿人签字后方可交内业使用。
3、数据处理
使用CARIS后处理软件进行水深点的后处理，除去假水深，在CARIS软件中录入潮位信息，自动对水深数据进行水位改正。数据处理包括数据预处理和成图两个部分。预处理主要包括定位数据处理，声速剖面数据处理，潮位数据处理，姿态数据处理，深度数据处理和数据编辑、去噪、合并、清项；成图处理是对预处理后得到的水深数据进行网格化，生成数字地形模型（DTM），形成水下地形图。由于最终提交成果是要BJ54坐标系和黄海高程。所以在数据处理时平面坐标转换用七参数法，潮位数据采用黄海高程。合理安排验潮位置保证测区内潮位值得最佳拟合。本次试验河段落差比较大，采用纵向三个潮位站进行多潮位改正。
4、成果检验
评估多波束测深精度的一种有效方法是采用与主测线相交的检查测线，用这种方法可以评估多波束本身以及各传感器安装、校准、水位改正、声速改正等对测量结果的综合影响。外业实施时，本次施工采用了多波束与单波束同步进行水下地形测量方式以验收多波束测深成果质量，水深测量验测精度统计见表，满足规范及设计要求。
同一区域不同时段测量的水深彩色图如图1和图2，对比两次测量结果剖面图如图3，真实的反应出了河床在短时间内的微小变化。
图1：南面第一次测量局部水深彩图
图2：南面第二次测量局部水深彩图
图3 南面两次测量断面对比图
多波束测深系统数据后处理思考-误差来源
多波束系统需由多传感器协同进行水深测量，观测值多，误差来源也多，从参数测定的准确性，到工作环境的优劣，都会影响水深成果的质量。内部来源有设备的观测精度、仪器的结构设计等；外部来源有风浪的影响、各种干扰信号等。
观测误差：横摇观测误差、纵摇观测误差、起伏观测误差、航向观测误差、波束旅行时间误差、声速误差等，一般以设备标称精度来衡量，或通过设备率定确定。这些误差属偶然误差，按误差传播律，最终反映在水深误差和点位误差中。多波束水深测量是一种动态的测量，各设备的观测精度会受到现场环境条件的很大影响，尤其是有活动部件的观测设备，环境条件差时，观测精度会明显下降，例如，风浪过大能引起涌浪滤波器测量值的严重失真。因此，系统应在各设备的限差范围内工作，才能保证质量。
偏差测定误差：多波束系统的偏差测定主要包括姿态传感器、罗经偏差的静态测定和多波束探头综合偏差的动态测定。另外，还有定位时延测定（动态测定）。显然，静态测定的精度较高，能以设备的标称精度来衡量，但如若不进行此项改正，在一定条件下，也会造成水深误差；综合偏差是用波束进行目标测定，而每个波束都具有相当大的波束角，必须通过大量的观测才可能达到所需精度。
起伏变化和摇摆变化的影响：多波束水深测量每Ping需接收很多波束，从接收第一个回波到最后一个回波，有一个时间差，在这一接收时段内，起伏和摇摆都会发生变化，可能影响水深及其点位归算的准确性。以30米水深，单边3倍水深宽度测量为例，边缘波束和中央波束接收的时间差约为80毫秒。假定起伏变化为振幅0.50米，周期5秒的正弦曲线，则在80毫秒的接收时段内，起伏最大变化近5厘米；假定横摇变化为振幅10°，周期5秒的正弦曲线，则在80毫秒的接收时段内，横摇最大变化近1°，对边缘波束水深的影响高达1.66米。摇摆变化不仅对水深产生影响，也对起伏的倾斜改正产生影响。起伏变化和摇摆变化应采用适当的模型，进行恰当的处理。
粗差处理应能准确识别和处理观测值的粗差，否则将严重影响水下地形的真实性。水深观测值的粗差主要通过相邻波束和相邻Ping的水深变化情况加以判别；姿态观测值的粗差则要通过观测值过程线变化来判断。
计算误差：主要是近似方法使用不得当，如声线计算时，入射角和旅行时间步长过大，可能带入较大的计算误差，可以通过改进计算方法加以解决。
波束单元入射角观测误差：单波束水深测量是以波束脚印中，最快回波作为该波束的水深观测值。如果多波束也采用同样方式测量水深，则可能使水深出现很大误差，对波束单元入射角大的波束尤甚。因此，多波束水深测量应当能测定波束脚印内的最浅点，确定其声线和的波束单元入射角。在对水深敏感的浅水航行水域进行测量时，要严格控制作业环境的影响，要分析水深与设备参数设置之间的关系，确保多波束系统的探测能力。除了上述外，观测值的时间同步问题、测量船的振动等都会影响水深的质量。
结束语
通过测前精确测定并校准安装仪器偏差、过程中实时监控测深数据质量并及时采集姿态、声速、潮汐等数据、测后对原始数据经行各项严密环境效应改正以及相关处理，得到该区域最终水深成果。潮汐改正精度内符合检验、条带拼接状况、河床二、三维地形图等各项检验表明，多波束测量的高精度和高密度数据可以分辨水下地形地貌的细微结构和变化，这为那些对水深（地形）测量有较高要求的水下工程以及研究河床地形变化问题等提供了有力的手段。
（作者单位：长江重庆航运工程勘察设计院）
3、数据处理
使用CARIS后处理软件进行水深点的后处理，除去假水深，在CARIS软件中录入潮位信息，自动对水深数据进行水位改正。数据处理包括数据预处理和成图两个部分。预处理主要包括定位数据处理，声速剖面数据处理，潮位数据处理，姿态数据处理，深度数据处理和数据编辑、去噪、合并、清项；成图处理是对预处理后得到的水深数据进行网格化，生成数字地形模型（DTM），形成水下地形图。由于最终提交成果是要BJ54坐标系和黄海高程。所以在数据处理时平面坐标转换用七参数法，潮位数据采用黄海高程。合理安排验潮位置保证测区内潮位值得最佳拟合。本次试验河段落差比较大，采用纵向三个潮位站进行多潮位改正。
4、成果检验
评估多波束测深精度的一种有效方法是采用与主测线相交的检查测线，用这种方法可以评估多波束本身以及各传感器安装、校准、水位改正、声速改正等对测量结果的综合影响。外业实施时，本次施工采用了多波束与单波束同步进行水下地形测量方式以验收多波束测深成果质量，水深测量验测精度统计见表，满足规范及设计要求。
同一区域不同时段测量的水深彩色图如图1和图2，对比两次测量结果剖面图如图3，真实的反应出了河床在短时间内的微小变化。
图1：南面第一次测量局部水深彩图
图2：南面第二次测量局部水深彩图
图3 南面两次测量断面对比图
多波束测深系统数据后处理思考-误差来源
多波束系统需由多传感器协同进行水深测量，观测值多，误差来源也多，从参数测定的准确性，到工作环境的优劣，都会影响水深成果的质量。内部来源有设备的观测精度、仪器的结构设计等；外部来源有风浪的影响、各种干扰信号等。
观测误差：横摇观测误差、纵摇观测误差、起伏观测误差、航向观测误差、波束旅行时间误差、声速误差等，一般以设备标称精度来衡量，或通过设备率定确定。这些误差属偶然误差，按误差传播律，最终反映在水深误差和点位误差中。多波束水深测量是一种动态的测量，各设备的观测精度会受到现场环境条件的很大影响，尤其是有活动部件的观测设备，环境条件差时，观测精度会明显下降，例如，风浪过大能引起涌浪滤波器测量值的严重失真。因此，系统应在各设备的限差范围内工作，才能保证质量。
偏差测定误差：多波束系统的偏差测定主要包括姿态传感器、罗经偏差的静态测定和多波束探头综合偏差的动态测定。另外，还有定位时延测定（动态测定）。显然，静态测定的精度较高，能以设备的标称精度来衡量，但如若不进行此项改正，在一定条件下，也会造成水深误差；综合偏差是用波束进行目标测定，而每个波束都具有相当大的波束角，必须通过大量的观测才可能达到所需精度。
起伏变化和摇摆变化的影响：多波束水深测量每Ping需接收很多波束，从接收第一个回波到最后一个回波，有一个时间差，在这一接收时段内，起伏和摇摆都会发生变化，可能影响水深及其点位归算的准确性。以30米水深，单边3倍水深宽度测量为例，边缘波束和中央波束接收的时间差约为80毫秒。假定起伏变化为振幅0.50米，周期5秒的正弦曲线，则在80毫秒的接收时段内，起伏最大变化近5厘米；假定横摇变化为振幅10°，周期5秒的正弦曲线，则在80毫秒的接收时段内，横摇最大变化近1°，对边缘波束水深的影响高达1.66米。摇摆变化不仅对水深产生影响，也对起伏的倾斜改正产生影响。起伏变化和摇摆变化应采用适当的模型，进行恰当的处理。
粗差处理应能准确识别和处理观测值的粗差，否则将严重影响水下地形的真实性。水深观测值的粗差主要通过相邻波束和相邻Ping的水深变化情况加以判别；姿态观测值的粗差则要通过观测值过程线变化来判断。
计算误差：主要是近似方法使用不得当，如声线计算时，入射角和旅行时间步长过大，可能带入较大的计算误差，可以通过改进计算方法加以解决。
波束单元入射角观测误差：单波束水深测量是以波束脚印中，最快回波作为该波束的水深观测值。如果多波束也采用同样方式测量水深，则可能使水深出现很大误差，对波束单元入射角大的波束尤甚。因此，多波束水深测量应当能测定波束脚印内的最浅点，确定其声线和的波束单元入射角。在对水深敏感的浅水航行水域进行测量时，要严格控制作业环境的影响，要分析水深与设备参数设置之间的关系，确保多波束系统的探测能力。除了上述外，观测值的时间同步问题、测量船的振动等都会影响水深的质量。
结束语
通过测前精确测定并校准安装仪器偏差、过程中实时监控测深数据质量并及时采集姿态、声速、潮汐等数据、测后对原始数据经行各项严密环境效应改正以及相关处理，得到该区域最终水深成果。潮汐改正精度内符合检验、条带拼接状况、河床二、三维地形图等各项检验表明，多波束测量的高精度和高密度数据可以分辨水下地形地貌的细微结构和变化，这为那些对水深（地形）测量有较高要求的水下工程以及研究河床地形变化问题等提供了有力的手段。
（作者单位：长江重庆航运工程勘察设计院）
3、数据处理
使用CARIS后处理软件进行水深点的后处理，除去假水深，在CARIS软件中录入潮位信息，自动对水深数据进行水位改正。数据处理包括数据预处理和成图两个部分。预处理主要包括定位数据处理，声速剖面数据处理，潮位数据处理，姿态数据处理，深度数据处理和数据编辑、去噪、合并、清项；成图处理是对预处理后得到的水深数据进行网格化，生成数字地形模型（DTM），形成水下地形图。由于最终提交成果是要BJ54坐标系和黄海高程。所以在数据处理时平面坐标转换用七参数法，潮位数据采用黄海高程。合理安排验潮位置保证测区内潮位值得最佳拟合。本次试验河段落差比较大，采用纵向三个潮位站进行多潮位改正。
4、成果检验
评估多波束测深精度的一种有效方法是采用与主测线相交的检查测线，用这种方法可以评估多波束本身以及各传感器安装、校准、水位改正、声速改正等对测量结果的综合影响。外业实施时，本次施工采用了多波束与单波束同步进行水下地形测量方式以验收多波束测深成果质量，水深测量验测精度统计见表，满足规范及设计要求。
同一区域不同时段测量的水深彩色图如图1和图2，对比两次测量结果剖面图如图3，真实的反应出了河床在短时间内的微小变化。
图1：南面第一次测量局部水深彩图
图2：南面第二次测量局部水深彩图
图3 南面两次测量断面对比图
多波束测深系统数据后处理思考-误差来源
多波束系统需由多传感器协同进行水深测量，观测值多，误差来源也多，从参数测定的准确性，到工作环境的优劣，都会影响水深成果的质量。内部来源有设备的观测精度、仪器的结构设计等；外部来源有风浪的影响、各种干扰信号等。
观测误差：横摇观测误差、纵摇观测误差、起伏观测误差、航向观测误差、波束旅行时间误差、声速误差等，一般以设备标称精度来衡量，或通过设备率定确定。这些误差属偶然误差，按误差传播律，最终反映在水深误差和点位误差中。多波束水深测量是一种动态的测量，各设备的观测精度会受到现场环境条件的很大影响，尤其是有活动部件的观测设备，环境条件差时，观测精度会明显下降，例如，风浪过大能引起涌浪滤波器测量值的严重失真。因此，系统应在各设备的限差范围内工作，才能保证质量。
偏差测定误差：多波束系统的偏差测定主要包括姿态传感器、罗经偏差的静态测定和多波束探头综合偏差的动态测定。另外，还有定位时延测定（动态测定）。显然，静态测定的精度较高，能以设备的标称精度来衡量，但如若不进行此项改正，在一定条件下，也会造成水深误差；综合偏差是用波束进行目标测定，而每个波束都具有相当大的波束角，必须通过大量的观测才可能达到所需精度。
起伏变化和摇摆变化的影响：多波束水深测量每Ping需接收很多波束，从接收第一个回波到最后一个回波，有一个时间差，在这一接收时段内，起伏和摇摆都会发生变化，可能影响水深及其点位归算的准确性。以30米水深，单边3倍水深宽度测量为例，边缘波束和中央波束接收的时间差约为80毫秒。假定起伏变化为振幅0.50米，周期5秒的正弦曲线，则在80毫秒的接收时段内，起伏最大变化近5厘米；假定横摇变化为振幅10°，周期5秒的正弦曲线，则在80毫秒的接收时段内，横摇最大变化近1°，对边缘波束水深的影响高达1.66米。摇摆变化不仅对水深产生影响，也对起伏的倾斜改正产生影响。起伏变化和摇摆变化应采用适当的模型，进行恰当的处理。
粗差处理应能准确识别和处理观测值的粗差，否则将严重影响水下地形的真实性。水深观测值的粗差主要通过相邻波束和相邻Ping的水深变化情况加以判别；姿态观测值的粗差则要通过观测值过程线变化来判断。
计算误差：主要是近似方法使用不得当，如声线计算时，入射角和旅行时间步长过大，可能带入较大的计算误差，可以通过改进计算方法加以解决。
波束单元入射角观测误差：单波束水深测量是以波束脚印中，最快回波作为该波束的水深观测值。如果多波束也采用同样方式测量水深，则可能使水深出现很大误差，对波束单元入射角大的波束尤甚。因此，多波束水深测量应当能测定波束脚印内的最浅点，确定其声线和的波束单元入射角。在对水深敏感的浅水航行水域进行测量时，要严格控制作业环境的影响，要分析水深与设备参数设置之间的关系，确保多波束系统的探测能力。除了上述外，观测值的时间同步问题、测量船的振动等都会影响水深的质量。
结束语
通过测前精确测定并校准安装仪器偏差、过程中实时监控测深数据质量并及时采集姿态、声速、潮汐等数据、测后对原始数据经行各项严密环境效应改正以及相关处理，得到该区域最终水深成果。潮汐改正精度内符合检验、条带拼接状况、河床二、三维地形图等各项检验表明，多波束测量的高精度和高密度数据可以分辨水下地形地貌的细微结构和变化，这为那些对水深（地形）测量有较高要求的水下工程以及研究河床地形变化问题等提供了有力的手段。
（作者单位：长江重庆航运工程勘察设计院）
