海上多波束测深系统误差来源分析与校准方法研究

引言：

多波束测深系统因其覆盖面大、效率高、精度高等明显的工作优势而被广泛应用于海道测量、海洋工程测量、海洋资源调查、水下考古测量、海底障碍物探测等领域，在经济建设中发挥着越来越重要的作用。目前新一代多波束测深仪的仪器标称精度与分辨率等关键指标已达到厘米级，影响多波束水深测量精度的主要因素已不再是由设备本身误差引起的，而主要取决于实施多波束水深测量时外业组织的规范性、内业数据处理的标准性。

一、海上多波束测深系统测量精度相关问题

（一）换能器与定位系统空间基准偏差问题

海上多波束测深系统中，换能器声学中心与 GNSS 定位系统相位中心存在空间基准不重合问题，安装时未完成标定，会导致测深点平面坐标计算出现系统偏差。换能器与船体坐标系的相对位置偏差会耦合船体横摇、纵倾运动参数，使波束实际覆盖范围与理论计算范围产生偏移，造成海底地形数据在横向与纵向维度的位置失真，该偏差无法通过后期数据处理完全补偿，直接影响测深数据的地理参考精度。

（二）声速剖面实时性与准确性偏差问题

多波束测深系统依赖声速剖面数据计算波束传播时延与折射路径，测量海域因温盐跃层移动、洋流变化导致声速分布动态改变时，系统采用预先获取的静态声速剖面，会产生声速数据与实际环境不匹配问题。声速计在深海区域测量时存在响应延迟，导致采集的声速数据无法反映测量瞬间的海水声速垂直分布，引发波束深度计算偏差，使测深值与海底真实深度存在差异。

（三）数据处理参数与环境适配性不足问题

多波束测深数据处理中，波束归位算法未针对测量海域的海底坡度、底质类型调整模型参数，会导致算法对波束传播路径的计算精度下降，出现测深点深度偏差[1]。回波信号检测门限、波束开角筛选阈值等参数保持固定设置，无法适配不同海域的水文噪声环境，会造成有效回波信号漏检或噪声信号误判，导致部分测深数据无效，降低整体测量数据的精度与完整性。

二、海上多波束测深系统误差来源分析

（一）设备安装几何误差

海上多波束测深系统中，换能器安装过程易产生几何误差，主要体现为换能器声学中心与船体坐标系基准点的相对位置偏差，包括横向偏移、纵向偏移及垂向偏移。此类偏差会导致波束发射方向与理论计算方向存在夹角，船体发生横摇、纵倾运动时，偏差会进一步耦合运动参数，改变波束实际入射角度，使测深点在地理坐标系中的平面坐标与深度计算出现系统性偏差。换能器安装时未严格保证水平姿态，会引发波束开角不对称，导致单侧波束覆盖范围的深度测量值普遍偏大或偏小，该误差具有固定方向性，无法通过后期数据平滑处理消除。

（二）运动与定位传感器误差

横摇误差会导致波束在垂直于航向方向的深度计算出现偏差，误差值随横摇角度增大而线性增加；纵倾误差会使沿航向方向的测深点深度产生偏移，偏移量与纵倾角度及波束作用距离正相关；艏向误差则会导致测深点平面坐标在航向方向的投影出现偏差，引发海底地形轨迹的横向偏移[2]。定位系统的误差主要包括静态偏差与动态漂移，静态偏差源于定位系统相位中心与换能器声学中心的标定误差，动态漂移由电离层延迟、对流层折射等因素导致，二者均会使测深点的平面坐标精度下降。

（三）声速与数据处理误差

声速误差主要源于声速剖面测量与应用过程，声速计自身的传感器偏差会导致采集的声速数据存在固定偏移，偏移量随海水温度、深度变化而改变，进而影响波束传播时延的计算精度；未实时更新声速剖面时，海水温盐跃层的动态变化会使实际声速分布与系统预设声速模型不匹配，导致波束折射路径计算偏差，引发深度测量误差。

数据处理误差包括算法误差与参数设置误差，波束归位算法未考虑海底坡度对波束传播路径的影响，会导致深度计算偏差；回波信号检测门限、波束角度筛选阈值等参数未根据海域噪声环境调整，会造成有效信号漏检或噪声信号误判，使部分测深数据无效，降低整体数据精度。

三、海上多波束测深系统校准方法

（一）换能器几何参数现场标定校准方法

选取海底地形平坦无显著起伏的区域作为校准场，在区域内布设具有已知精确坐标的海底控制点。同步启动多波束测深系统、GNSS 定位系统及姿态传感器，按预设测量航线连续采集测深数据，确保数据覆盖全部海底控制点。采用加权最小二乘法对采集的海底地形数据拟合运算，计算得到海底地形实际倾角，将该倾角与多波束系统内预设的换能器横摇参数比对，确定换能器横摇偏差角度。根据偏差角度调整系统内存储的换能器与船体坐标系相对位置参数，包括横向偏移、纵向偏移及垂向偏移量。调整完成后，再次按原航线采集校准后的测深数据，将新数据与海底控制点已知坐标比对，通过反复迭代调整参数，使换能器几何参数偏差控制在测量精度要求范围内。

（二）运动传感器与声速剖面动态校准方法

运动传感器校准需将待校准的姿态传感器与高精度惯性测量单元物理固定，确保二者测量过程中保持相同运动状态。将搭载两类设备的船体驶入平静海域，保持船体稳定无明显摇摆，同步记录两类设备输出的横摇、纵倾、艏向数据，持续采集足够时长获取充足样本。对采集到的两组数据差值计算，建立运动传感器误差修正模型，将模型生成的修正值嵌入多波束系统的运动参数处理模块，实现运动数据实时修正。定位系统校准采用 GNSS 静态测量模式，将 GNSS 接收机天线安置在已知精确坐标的基准点上，开展长时间连续数据观测，通过数据解算获取定位系统静态偏差，依据偏差值调整系统内定位相位中心与换能器声学中心的坐标转换参数[3]。声速校准使用高精度声速仪在测量海域内按预设深度间隔分层采集海水声速数据，生成实时声速剖面并替换系统中预设的静态声速模型，同时对比不同深度的声速测量值与系统计算值，修正声速计固有偏差，完成运动与声速参数校准。

（三）数据处理参数适配性调整校准方法

波束归位算法校准需先通过前期测量获取目标海域的海底坡度数据，依据坡度数据调整算法中波束传播路径的计算模型，引入与实际坡度匹配的修正系数，重新编译算法模块并加载至多波束数据处理系统。回波信号检测门限校准在测量海域内选取不同时段采集海水噪声数据，对噪声信号的幅值分布统计分析，确定能够区分有效回波与噪声的最低幅值阈值，根据该阈值调整系统中信号检测的门限参数。波束角度筛选阈值校准需结合测量海域的波束覆盖范围要求与海底底质反射特性，设定合理的波束开角筛选区间，通过系统设置剔除超出区间的异常波束数据。选取标准地形区域，按校准后的参数采集测深数据，验证数据的完整性与精度指标，未达到要求则重新调整参数，反复优化直至数据精度符合测量标准，完成数据处理参数校准。

结语：

海上多波束测深系统的测量精度受多类问题与误差影响，设备安装、传感器、声速及数据处理误差均会降低数据可靠性。针对性提出的换能器标定、运动声速动态校准、数据参数适配调整方法，可有效修正系统误差，为保障测深数据精度、支撑海洋测绘相关工作稳定开展提供技术保障。

参考文献：

[1]王晓琳.多波束海洋测绘的误差来源及控制探讨[J].科技资讯,2019,17(29):37-38.

[2]陈志勇.浅谈多波束测深系统的主要误差来源及影响因素[J].中国水运.航道科技,2018,(30):63-68.

[3]陈代志.多波束测深系统误差来源分析、精度评估和解决方法[J].江西测绘,2015,(02):21-22+27.