多波束的校正方法浅析

多波束的校正方法浅析【摘要】近年来我司陆续购买了三种不同型号的多波束，并广泛应用于疏浚施工测量中，因其高精度、高效率、全覆盖的优势在施工中产生了极大的经济效益。

多波束的使用有两个难点，一是仪器的安装，二是多波束的校正。

本文将主要介绍多波束8101的校正方法，以及校正的注意事项与大家探讨。

【关键词】校正定位时延横摇偏差纵摇偏差艏向偏差一、多波束校正参数概述1.1、横摇偏差纵摇偏差艏向偏差简介与传统的单波束点、线状测量不同，多波束为面状测量。

由于客观原因的存在，多波束的换能器安装不可能完全水平，这就导致换能器与真实水平面存在夹角，我们习惯把换能器与船只水平面纵向的夹角称为纵摇偏差（pitch），换能器与船只水平面垂直方向的夹角为横摇偏差（roll）。

在实际测量中，由于船只的运动会导致换能器与水平面也产生一个夹角，所以对应某一时刻t，换能器的横摇角roll(t)、纵摇角pitch(t)都由两部分组成：roll(t)=roll(静)+roll（动）pitch(t)= pitch (静)+ pitch（动）即roll(t)、pitch(t)都包含一个动态分量和一个静态分量。

动态分量是由于风、涌、波浪等因素造成的，可以通过涌浪补偿器予以校正；静态分量是由于设备安装造成的，即平时所说的横摇偏角和纵摇偏角。

多波束系统在外业测量时需要配合电罗经使用，用于实时校正船的姿态对波束的影响。

电罗经安装的指向与船艏指向可能存在偏差，我们称这个偏差叫艏向偏差（yaw），实际测量时刻t对应的换能器艏摇yaw(t)=yaw(静)+yaw（动）。

罗经安装艏向校准通常与换能器安装初始角度校准联合实施，将其偏差改正综合至换能器艏摇偏差中而不单独进行校准。

1.2、定位时延latency简介因为定位系统与测深系统不同步，使测深点产生位移，导致测得的海底地形发生变形，这种效应通常称为定位时延误差（latency）。

1.3、在测量实施过程中，动态分量都通过涌浪补偿器和罗经校正，只需获取正确的静态分量值与时间延迟，即平时所说的校正参数，即可把波束形成校正到正确的位置。

二、多波束校正外业工作2.1、校正区域选取为了获取好的校正效果，海底地形的选取很重要。

横摇校正需在平坦的海底进行；其它校正需在特征地形（斜坡或礁石上）进行，最好是航道或海底障碍物明显的区域，水深在8m以上，特征地形水深变化在3－5m以上，地形变化越明显校正效果越好。

2.2、测线的布设与船速控制根据广州港工地的情况，测线垂直航道轴线沿东西方向布设，长约500m，航槽宽240m水深约-17m，海底平坦适合做横摇校正；航道边坡水深从-17m变化到-6m，适合做时延和纵摇、艏向偏差校正。

为保证校正数据准确可靠，须做到：合理控制船速减少假水产生；测量船需按测线航行，控制测量航迹线偏移距小于2m，不许调头和拐弯上线；必须有多余观测，多数情况下，校正不能一次完成，需多选取几个位置进行计算取最优值。

校正完成后，所有校准测线的数据应基本重叠，误差不能超出规范的要求。

具体的测线方向和船速要求如下表：类别地形选择测线要求船速要求备注时延特征地形同线、同向速度差1倍以上速度选3节和6节左右横摇平坦地形同线、反向同速速度选5-6节纵摇特征地形同线、反向同速速度选5-6节艏向偏差特征地形不同线、同向同速特征地形两旁布设，间距等于最大条带宽表1 校正测线布设及船速要求三、多波束校正参数的内业计算3.1、PDS2000中校正参数的计算Seabat8101多波束采用PDS2000作为外业采集软件，校正在软件的patchtest 程序下进行，校正的顺序依次为时延、横摇、纵摇、艏向偏差。

3.1.1定位时延latency的校正定位时延latency是因为GPS接收机与多波束采集数据有个时间的延迟，导致所测地形在航向上有个整体的偏移，对测量精度影响较大。

校正原理如下：在测区内选定一突出目标A，布设一条通过A的测线，以较低的航速V1(如3节)沿测线测量，得到目标A的偏移位置P1；再以较高的航速V2(如7节)沿同一方向测量，得到目标A的偏移位置P2 (见图2)。

由于存在时延，导致不同速度V1 、V2测出的目标A实际位置相差距离S，则时间延迟可按下式计算：定位时延latency=距离S/（船速V2-船速V1)校正时沿航向选择特征地形的中央波束，利用软件自动计算，分粗算（coarse）、精算（fine）、极精算（veryfine）三步进行，一步步缩小计算范围，最后得出最优值。

可以利用断面查看器判读校正效果，如果特征地形吻合或者吻合趋势较好，则校正值可以采用。

图2 时延校正原理图3.1.2横摇偏差（roll offset）的校正横摇偏差因波束发射扇面的角度旋转而产生，对测量结果的影响大小跟波束发射角度有关，中央波束影响较小，边缘波束影响较大。

校正需在平坦区域进行，垂直航向选择波束，校正原理如下：理论上相反方向测得的海底剖面线应该是吻合的，但由于换能器安装存在的横摇偏差，导致自东向西与自西向东测得的海底剖面线存在夹角，该夹角的一半即为安装的横摇偏差，可由软件计算得出。

不同部位计算的横摇偏差曲线自东向西测得的海底剖面线自西向东测得的海底剖面线图3 横摇校正原理图校正效果检验主要看边缘波束水深值吻合情况，排除潮位的因素，边缘波束水深值应该吻合良好。

下图为横摇偏差的实例，校正前相邻两条测线的边缘波束水深值无法很好地拼接，校正后相邻测线间拼接良好。

图4 横摇校正前后效果图3.1.3纵摇偏差（pitch offset）的校正换能器的纵摇偏差会导致测点沿航迹线方向产生偏移，校正原理如下图所示：理想情况纵摇偏差为0时，目标的位置为P，真实水深值为D；现存在纵摇偏差α，导致相反方向测得的目标位置分别为P1、P2，P1跟P2之间的距离为L；α可按下式计算：tgα=（L/2）/D=L/2D 即α= arctg(L/2D)图5 纵摇偏差校正原理图校正需在特征地形上进行，以相同速度相反方向布设测线。

校正时需沿航向选择中央波束，利用PDS2000软件的纵摇校正模块进行，计算过程跟时延校正类似，通过逐步调整偏差值，使两剖面最佳重合，得出的最优值即为纵摇偏差。

3.1.4、艏向偏差（gyro offset）的校正艏向偏差造成测点位置以中央波束为原点旋转同一角度，这种位移在中央波束处为0，离中央波束越远，位移越大，从而导致测量数据的错误。

艏向偏差的校正应选择特征地形进行，使用两条平行测线（测线间距应保证边缘波束重叠不小于10%），以相同速度相同方向各测量一次。

PDS2000校正时沿航向选择重合部分的波束，通过比较重叠部分的两个剖面，确定最小偏差即为艏向偏差。

图6 艏向偏差校正效果图3.2、校正参数的精度要求为保证测量的精度，按规范要求每组校正至少需进行三次，经多组校准数据计算的校正值中误差应满足如下要求: latency＜0.05s；roll offset＜0.05 °；pitch offset＜0.3 °，gyro offset＜0.1 °。

四、需注意的问题4.1、罗经和涌浪补偿器的安装非常重要。

安装时一定要固定好，确保不随船发生相对运动；安装要尽量水平，罗经应平行船中心线，可利用OCTANS自带软件监控安装过程，实时调整位置，以保证罗经和涌浪补偿器的安装精度。

测量船静止时，OCTANS显示的纵横摇值最好在1°以内。

在使用过程中也发现，安装不好纵横摇值偏大，对测量精度会有一定影响，测出的水深值有无规律的偏深或偏浅，可能是涌浪补偿器补偿不到位的原因，通过重新安装涌浪补偿器，就解决了这个问题。

4.2、校正顺序的问题。

校正按“定位时延-横摇偏差-纵摇偏差-艏向偏差”的顺序进行，且进行下一个参数校正时要先输入已校正好的值，以排除校正时其他参数的影响。

定位时延和纵摇偏差相互作用，它们引起的误差在表象上都是造成测点的位移，在水深图上看很难区分。

因此，最先进行定位时延的校正。

横摇偏差的测定在平坦的海区进行，纵摇偏差产生的影响很小；纵摇偏差的测定需在特征地形进行，由于横摇偏差的不确定，地形变形失真，会影响纵摇偏差测定的精度，所以横摇偏差测定应先于纵摇偏差。

纵摇偏差校正选择中央波束，可以排除艏向偏差的影响，所以放在时延和横摇校正后进行。

艏向偏差只影响测点的位置，测量精度影响较小，所以放在最后进行。

4.3、对校正数据采集的要求。

多波束校正精度要求高，对采集的测线数据质量要求也高，具体来说有以下要求：①校正时一般不加潮位，所以最好选择在平潮时进行；②校正应选在风浪小，水面平静，水质均匀，假水较少的区域进行；③应在测线外调整好船速后再平稳上线，船速要均匀，把定航向减小航迹线偏移，增加重合区域，尽量减少假水产生；④根据地形实时调整滤波设置，减少假水产生。

4.4、校正效果的检查。

①每做完一个参数的校正，都可以把选择的查看断面比例放大检查，潮差较小时两条线应该较好地重合；潮差大时两条线相同位置的水深值应相差一个潮位值，重合趋势应该一致；②完成四个参数的测定与校准后，还应对其进行内符合和外符合精度的测定，确认测定结果符合规范要求方可使用；③当船体有明显改变、换能器或涌浪补偿器位移、内业时测线间重合不好时，应重新进行参数的校准。

五、总结本文着重介绍了多波束校正的方法与校正的注意事项，希望为使用者提供参考。

【参考文献】[1] JT/T 790-2010，多波束测深系统测量技术要求[S].中华人民共和国交通运输部.北京：人民交通出版社，2010.[2] PDS2000 说明书。