浅谈多波束测深质量控制（全小龙）

摘要: 多波束测深技术已经成为水下地形测量工程中一种非常重要的水深测量方法。由于多波束测深系统是一套多传感器的综合性测量系统，与传统的测深设备相比，其测深误差具有一定的复杂性和隐蔽性。在测量过程中，仪器设备因素、海况因素、人为因素等都会不同程度地给多波束系统的正常测量工作带来一定的干扰与影响。为了获取高质量、高精度的水下河床扫测成果，必须对多波束系统的整个测量过程进行检查监测和质量控制。

关 键 词: 多波束测深;检查监测;质量控制;水下地形测量;水深测量

中图分类号: P332 文献标识码: A

1 概述

多波束测深系统也称声纳阵列测深系统，它以全覆盖、高效率、高精度等优势，在沿海港口和内河湖泊水下地形测量中发挥着越来越重要的作用。由于多波束测深系统是一套多传感器的综合性测量系统，它集当代电子技术、计算机技术、卫星定位技术等先进技术于一体，与传统的单波束测深设备相比，在数据采集、数据后处理等方面有着明显先进性与复杂性。为了获取高质量、高精度的水下河床扫测成果，必须要求在多波束系统的整个测量过程中进行检查监测与质量控制。

由于多波束测深系统的高新技术性，系统的使用与维护，扫测成果的研究与应用，目前仍处在探索性阶段，国标及行业标准中对多波束测深质量的控制与检验工作一直没有统一的规范和标准可以遵循。因此，深入开展多波束测深质量控制措施探讨，总结多波束测深质量控制经验，对推广普及多波束测深新技术运用，提高多波束测深系统测量成果质量有着重要意义。

2 测前准备阶段质量控制

在测量准备阶段，应收集测区已有的水文等资料，并根据测区实地查勘情况及任务的要求制定周密的测量计划和多波束扫测质量控制方案，并使其贯穿整个多波束测量全过程。测前准备阶段质量控制的具体内容主要包括:测区查勘与资料收集、传感器系数校正、系统稳定性试验、位置与水深误差评估、多波束测线布设方案等。

（1）测区查勘与资料收集。测区查勘与资料收集是进行多波束测量设计和观测布置的主要依据。多波束测量前应充分收集测区已有成果资料并需开展实地查勘。收集资料应包含测区控制成果、地形图资料、水文资料等。测区查勘内容应包括测区水流、过往船舶、水悬物分布、礁石浅滩分布等情况。当在新测区开展多波束扫测任务时，应在多波束扫测前布置1次较小比例尺的单波束测量，其施测成果作为多波束扫测布线依据。

（2）传感器系数校正。在测量前应对多波束测深系统各传感器进行测试、检查与校准。定位系统可采用已知点检测、全站仪比测、系统定点连续观测等方式，并将采集获得的比测数据、定位数据进行分析处理，评估其稳定性、误差、差分信号质量和接收卫星数是否符合精度要求。对姿态传感器、电罗经测前应进行必要的检查和系统测试，以确定信号是否正常、连续，并需进行必要的校正。

（3）系统稳定性试验。测前应对多波束测深系统进行系统稳定性试验和测区不同深度、不同航速下的航行试验。可选一水深大于20m的平坦水域，对水深进行重复测量，根据测量数据进行系统精度评估，同时观察主机及定位系统、船姿、电罗经等传感器设备是否工作正常，精度可靠。在测区选择地形起伏变化较大的水域，进行数据采集，以观测系统在不同水深、不同航速下是否工作正常，每个发射脉冲接收到的波束数是否大于总波束数的80%，系统的其他方面的工作是否正常。

（4）位置与水深误差评估。系统试验所有采集的测深点应采用95%的置信度对位置和水深进行误差估计，观察其是否符合精度要求。对于位置，可以用多条检查线进行对比，检测其精度是否符合设计及规范要求。对于水深，可结合测线进行精度评价，并确定主检不符值的误差分布特征。同时由于各传感器（如定位、姿态、电罗经等）具有各自独特的误差特征，因此应在试验采集的数据中抽取各传感器的数据进行独立的误差分析，以便发现问题及时解决。

（5）多波束测线布设。多波束测线应沿测区主体地形走向（即水深等值线走向）平行布设，测线间距应能保证相邻测幅有一定的相互重叠，测幅间重叠度应根据任务要求进行规定。多波束测量期间要根据实际水深情况和相互重叠的程度合理调整测线间距，以避免扫测盲区，或不必要的过量重叠。在测区要布设至少1条跨越整个测区、与大多数测线方向垂直的检查测线。

3 系统安装与校准阶段质量控制

多波束测深系统是一套多传感器的综合性测量系统，除多波束本身外，还包括导航定位测量系统、船舶姿态测量系统、船艏向测量系统。多波束系统安装与校准是多波束测量的一个重要环节，其校准数据的好坏将直接影响测量精度和成果质量。系统安装与校准阶段质量控制主要内容包括:系统各传感器设备安装要求、测船坐标系建立、系统安装偏差校准等。

（1）系统各传感器设备安装要求。系统设备安装应严格按照相关设备安装技术要求进行，系统安装布局应使综合噪声水平降至最低，多波束换能器应优先考虑船底安装。多波束换能器安装应牢实稳固，位置不宜靠近测船机房，其探头安装深度需超出船体，探头轴线方向应与船体轴线平行。换能器安装完成后应进行走航检验，并测定探头从静止到最大航速间不同速度的下沉量;姿态传感器安装应牢实稳固，安装位置应接近船体重心，其轴线方向应与船体轴线方向平行;电罗经安装应牢实稳固，其安装轴线应尽量与船体轴线重合，读数零点应指向船艏方向;GPS天线安装时应考虑多路径效应及电磁干扰影响。所有设备安装完成后，应精确测量各相关设备至测船坐标参考点间偏移（Office）量，并认真填写多波束系统设备安装记录。

（2）测船坐标系建立方法。测船坐标系应严格按照多波束系统设备及数据采集软件要求进行定义，并注意正负取值。测船坐标系的参考点（测船坐标原点）/参考面应严格按照数据采集软件要求进行定义。

（3）系统安装偏差校准。系统校准项目包括横摇（Roll）偏差、时延（Latency）偏差、纵摇（Pitch）偏差、艏摇（Yaw）偏差等4个方面内容。系统校准观测应在系统设备安装完后测量开始前进行。如果在测量过程中发生仪器更换、维修、移位等情况，应及时增加系统校准观测。观测人员应认真做好系统校准外业记录。在大型多波束测量项目中，系统校准观测应安排3次，即测量前期、中期、后期各观测1次。系统校准项目的顺序一般为横摇（Roll）、时延（Latency）、纵摇（Pitch）、艏摇（Yaw），当使用的多波束软件有不同要求时，应按软件要求的校准顺序进行。多波束系统校准时，应进行4组特定测线测量，为保证校准效果，每组测量还需要反向加测一次。系统校准参数计算应在校准项目结束后现场完成，校准计算结果应使所有校准测线数据基本重叠，校准后残差呈正态分布。当校准计算结果不符合要求时，应重新进行系统校准观测。当采用的罗经需要校准时，应在测量前按罗经校准要求进行校准。

4 外业实施阶段质量控制

多波束测深外业实施应按照系统说明书、操作手册和测量管理机构制定的技术规定进行操作。多波束测深外业实施阶段质量控制主要内容包括:测量人员配置、吃水和声速剖面测量、海况监视、数据采集过程监视等。

（1）测量人员配置。多波束测深外业操作应配备专业技术人员。外业操作人员应熟练掌握多波束测深系统操作程序，在系统出现异常情况时，能够及时排除故障。

（2）吃水和声速剖面测量。在多波束每个作业周期开始前和结束后或每次测量前和测量间隙应经常量测多波束换能器的静态吃水，以引入吃水变化的改正;有条件的情况下，应在测量中定时测量换能器在作业时的实际吃水。声速（或声速剖面）应在多波束测深前、后各测定1次，有迹象表明声速剖面发生显著变化时，应增加声速剖面的测定次数。在大区域测量时，测量前应在测区不同位置、不同时间段进行声速测量。遇春秋季节，由于天气变化比较剧烈，此时应适当增加声速测量密度。

（3）海况监视。海况的优劣是影响多波束测深数据质量的主要因素，恶劣的海况是噪音产生的主要原因。多波束测量过程中应密切关注测量环境的变化。多波束作业天气应优于（含）海况2级（风4级，浪高1m），当姿态传感器测出的横摇（Roll）超过8°，或纵摇（Pitch）超过8°时应停止作业。当测区流速较大（大于3m/s）时，多波束测深应采取逆水方向，顺水方向不宜采集数据。当多波束系统在泡旋、顺、回流、翻花水的情况下采集水深信号时，应注意数据质量。多波束测深过程中，应与过往船舶保持一定的水平距离，应避免在过往船舶的尾部测量。当测区水下地形变化幅度较大时，在该区域应确保采集足够多的数据以消除空挡对测量数据的质量影响。

（4）数据采集过程监视。系统外业操作人员必须按照多波束系统的说明书和操作步骤认真操作。数据采集前应仔细检查系统设备是否工作正常;检查系统设备参数设置是否正确;检查测船坐标系统定义是否正确，系统设备安装偏移（Office）值输入是否正确;检查吃水改正文件、声速剖面文件、导航测线文件和矩阵填充文件调入是否正确。数据采集过程中应密切注意各监视窗口数据质量，并注意观察和监视多波束系统各相关设备运转状态，随时掌握外界环境因素的变化情况，测量中应及时填写外业观测记录。测量过程中，当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20s不正常应停止作业，并应合理补线。测量船应在预定的测线方向上保持匀速直线航行，航速不能超过设计最大航速。在线测量时，宜使用小舵角修正航向，尽量避免急转弯。当由1条测线转到另1条测线时，或遇到过往船只、水上障碍物、测量船故障及其他不可测事件而使测量船的航向航速发生较大变化时，必须停止数据记录，并在外业记录表相关栏注记说明。测量结束后，应再次现场核对多波束测深系统的关键参数设置，排除一切不确定因素后，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。

5 多波束数据后处理阶段质量控制

多波束数据后处理就是对系统实时采集的多波束数据进行数据编辑，剔除假信息，恢复、保留真实信息。多波束数据后处理阶段质量控制主要内容有:后处理软件选择、后处理人员的技术素质、后处理流程控制、后处理原则与方法等。

（1）后处理软件选择。多波束数据后处理软件功能应齐全。软件应具备数据回放、系统校准与改正、数据滤波、数据编辑、潮位改正、声速改正、精度评价、三维图像处理、DTM构建、土方计算等功能。

（2）后处理人员的技术素质。后处理人员的技术素质对后处理产生的误差会有很大的影响，有时会因为人的素质而影响整个测深成果质量。因此，数据后处理人员应具备一定的专业水平及实践经验，熟悉后处理软件功能及操作流程。

（3）后处理流程控制。多波束数据后处理应严格按照所用软件要求的流程进行操作，流程错误将会对整个处理结果产生一定的影响。多波束数据后处理流程一般为：系统校准与改正—项目参数设置—数据回放—数据格式转换—声速改正及潮位改正—数据滤波与编辑—二维与三维浏览—DTM构建—成果输出。不同的软件其数据后处理流程不相同，数据后处理流程应按所使用的后处理软件所规定的流程操作。

（4）后处理原则与方法。多波束数据后处理总原则为“去伪存真”。在数据编辑时，应忠实于实时采集的数据，尽量减少人为主观因素。在处理异常水深时，操作人员必须谨慎处理，对异常水深所处的位置及处理的方法必须记录，以备检查质量时查证。多波束数据编辑方法一般包括水深变化区间法、地形连续变化法、相邻测幅对比法、中央波束标准法、研判地形变化趋势法、实测编辑相结合法等几种。

6 结语

与传统的单波束测深系统相比，多波束测深系统的误差具有复杂性和隐蔽性。海况因素、人为操作不合理、系统参数设置不合理、多波束仪器的自噪声、测船的本底噪声、其他设备的声波干扰、周围船舶对水体的扰动、水底底质对声波的影响等等，都会不同程度地给多波束系统的正常测量工作带来一定的干扰与影响。因此，在多波束系统作业的各个阶段，必须进行周密细致的布置、切实有效的质量控制、科学正确的精度评估，才能有效地提高多波束测深成果质量，充分发挥多波束测深系统的优越性。

作者简介: 全小龙，男，长江水利委员会水文局长江三峡水文水资源勘测局，工程师。

来源：《人民长江》2007年第9期