多波束测深及影响精度的主要因素

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1、拓注门给2001年第1期多波束测深及影响精度的主要因素李家彪郑玉龙王小波吴自银叫自【摘要】通过多波束测深的基本原理、参数校正和数据改正方法的讨沦，阐述了保证多波束测深梢度的主要校改正方法，并在模型分析的基础上，探讨了声速剖面的结构及其时空变化对多波束测深精度的影响，指出了三个特征海区声速结构的分布特点，并提出了抑制三海区声速改正误差的可能方法及控制多波束测量中声速改正精度的措施!关键词」海洋测量多波束测深w速改正多波束勘测技术作为一项全新的高精度海底地形探测手段，其在20世纪80年代的发展有着十分独特的历史背景和技术背景一方面，传统单波束测深仪要实现高精度地形测量，面临两大难题。

2、一是采用窄波束技术，但波束的变窄需以换能器加大为代价，从而增加了测深仪的价格和安装的费用;二是加密测线，但义使测量成本大幅度地提高_因此在传统测深技术框架下要寻找精度和价格平衡的支点}分困难另一方面，高精度定位系统和运动传感器、高性能计算机技术、高分辨率显示系统以及采集技术的数字化和相关的信号处理技术，已得到迅速发展。定位精度达到了lOm或更高，高速的计算机使大量复杂的运算在瞬间完成已成为可能，数字化采集技术与信号处理技术相互结合、互相推动，从而使测深技术打破原有技术框架，进行新的技术构思成为可能由于多波束技术采取广角度发射和多信道定向接收，获得水下高密度条幅式海底地形数据，从而

3、彻底刷新了传统测深技术的基本概念，突破了传统单波束测深技术的局限，大大提高了海底地形勘fIli的精度、分辨率和工作效率，实现r测深技术史上的一次革命性突破多波束勘测技术形成了新的海底地形测量技术框架，使其在测深原理、系统构成、射线儿何学、误差来源、校改正技术和勘测方法等方面形成了鲜明的特点[‘’。1多波束测深的参考坐标系与测点归位方法与传统单波束测深仪相比，多波束测深系统在波束发射接收方式、海底信号获取与数据处理技术等方面出现了大量革新，从而使其在系统构成、坐标系统转换、测点空间归位方法等方面形成了自身的特点。1.1多波束测深的参考坐标系由f多波束测深采用了广角度发射、多阵列信号

4、定向接收和多个波束的形成及处理等技术，为了建1L海底测点的空间关系，进行波束的空间位置转化，必须首先建立多波束测量的参考坐标系统;51多波束系统的换能器不论是固定安装还是便携性安装，它相对测量船的位置是不变的，因此测量船是多波束勘测的最现实的参考工作平台。考虑到换能器(即船只)姿态补偿汁算方法的便利，1般多波束勘测的船只参考坐标系选择以换能器对称中心为原点，船只横向左舷方向为X轴，船只纵向船头方向为Y轴，铅垂向下为Z轴。可见多波束的船只参考坐标系是与船只固定并随船只李家彪等多波束浏深及影响精度的主要因素运动而运动的参考坐标系。多波束的垂直参考坐标系是一种中间过渡型参考坐标系，‘已

5、是在船只参考坐标系基础上规定XY轴平面始终保持水平的参考坐标系。多波束的船只参考坐标系通过垂直参考坐标系和测量船的定位系统与大地测量参考坐标系建立了联系，为多波束各测深点的空间位置转换提供了空间关系和基本方法。1.2多波束测点的归位方法多波束海底归位本质上是参考坐标系统之间的变量转化。引人多波束海底归位的五个(组)基本探侧变量是船位、航向、船姿、在船只参考坐标系统下的波束到达角和波束旅行时(传播时I'ol),转化后输出的目标变量是波束在一定大地参考坐标系统下的平面位置坐标和水深[I.，一。具体归位方法包括:(1)将以船只参考系的波束到达角通过接收时的船姿转化为垂直参考系下的波束到

6、达角。其有电子定向装置的多波束系统无须进行此项转换。(2)在声学投射平面内，根据垂直参考系下的波束到达角和旅行时计算波束测点的侧向中心距离X和换能器以下的水深H。与单波束测深仪不同，多波束系统诸波束是按定的角度间隔定向接收的，因此各波束的到达角不同，其在介质中旅行的路径也各不相同。非均匀介质中各波束测点的空间位置反演遵循Snell定律:slPn)8=siDOnO}。二{一。dtX={二‘▲““!式中d4为计算点单程旅行时的微分，B是计算点声线切线与垂线之间的夹角，Vo为换能器表面声速,8。为波束到达角，:。是到达角为B。的声线的单程旅行时。根据Snell定律，公式中积分项8可根据

7、声速剖面结构和到达角Bo确定，即B是声速剖面和Bo的函数，因此在确定各波束的Bo和‘后可根据实际的声速剖面完成公式的积分。由于实际的声速剖面均为离散形式，因此在已知波束射线的到达角、旅行时和声速剖面进行波束测点的空间位置反演时，采用的方法也为离散形式‘。(3)根据船位、航向将声学投射平面内的侧向中心距离转化为一定大地参考坐标系统下的平面坐标(4)根据发射、接收时的船只升降(heaving)、换能器吃水和实时潮位将换能器以下的水深转化为一定参考基准面下的水深。具体波束测点的海底归位