海洋航道测量中多波束系统的应用分析

海洋航道测量中多波束系统的应用分析

杜红雨

交通运输部北海航海保障中心天津海事测绘中心 300222

摘要:随着科学技术的不断发展，在我国海洋航道测量中出现了多种测量系统，极大地提升了测量效率和准确率，推动了海洋事业的发展。在众多测量系统中，多波束测量系统由于其自身独有的优势和较好的实际效果，应用最为广泛。本文以多波束系统在海洋航道测量中的应用为研究内容，对多波束系统发展现状和特点以及在其测量中的误差进行了探讨。

关键词：多波束系统；海洋航道测量；应用

引言

多波束系统的诞生标志着海洋测深技术发生了根本性的变革，在勘测海底地形领域方面做出重大贡献。多波束测深系统是一种由多传感器组成的复杂系统，利用多波束对水底进行测量。多波束测深系统的自身发射接收系统，定位、定姿态等辅助系统和数据后处理系统在数据采集分析及波束脚印的归位计算方便发挥着重要作用。区别于单波束测深系统，多波束侧身系统具有全覆盖、高精度、高密度和高效率的特点，因此，在海道测量中被广泛应用，为我国海洋运输业的发展做出了很大的贡献。

一、多波束系统的发展现状

（一）全海深测量技术

经过四十多年的发展和改善，多波束系统各性能都得到了突破性的发展。其中最重要的一项就是实现了全海深测量。之前受技术和设备的限制，多波束系统存在系统过大但测量面小、波束数量少的问题，无法实现全覆盖式测量。近年来，随着互联网、新材料、新工艺的发展，多波束系统中的换能器设计结构和信号处理技术也得到了改进完善，这使得现在的系统扇面开角增大，波束数量增加了不少，能够在测量断面内形成几百个测深点，收集上千个回向散射强度数据，大大增加了扫海幅度，实现了全覆盖式测量。另外，现有系统能够对不同深度的海洋航道进行测量，实现了全海深测量。

集成化和模块化技术

多波束系统是集现代信号处理技术、计算机技术、高分辨显示技术、高精度导航定位技术、数字化传感器技术等多种高科技技术于一体，是一种结构复杂、技术含量较高的综合系统。随着互联网的高度发展，现有多波束系统除了自身必备的设备之外，还都配有运动传感器、声速断面、显示设备及计算机软硬件等。这些设备构成了声学系统、波束空间位置传感器子系统和数据采集与处理系统，各自发挥着独有的作用。

性能提升，仪器结构改善

现有多波束系统在仪器结构和性能方面得到了很大的提升。在仪器结构方面，体积和重量变得更小，而集成度比以前更高，并且安装和维修也比以前更加灵活简易。在性能方面，测深密度和精度得到了很大的提升，高分辨率技术不断发展，系统成像质量提升，系统整体性能比以前更稳定可靠。

二、多波束系统在海洋航道测量中应用特点

（一）带状方式测量

单波束系统的出现，使海洋航道测量实现了“点”到“线”的测量，而多波束系统的出现，则实现了“线”到“面”的测量。多波束系统能够一次性测出测量区域内上百个海底测点水深值，或一条一定宽度的全覆盖的水深条带，能够精细并准确的描绘出海底地形地貌。在海洋航道测量中运用多波束系统时，是以带状方式进行的。随着全海深测量技术的发展，多波束系统可应用于深水、中深度和浅水测量中，运用带状式测量，真正的实现全覆盖测量，收集的数据量大且可靠精确，在实际应用中取得了较好的效果。

实时收集，不断更新数据

在海洋航道测量中，测量船只是不断运动的，这对水下测量的精确性和可靠性提出了较高的要求。多波束系统测量不仅收集的数量多，而且可以实时收集数据，避免了因为数据少而出现较大偏差的问题，测量的结果在准确性和可靠性方面还是比较高的。多波束系统中的运动传感器、实时姿态测量设备、声速测量设备等可以实现测量船只的瞬时位置、姿态、航向的测定以及海水中声速传播特性的测定，同步记录测量数据，并且数据处理单元等相应软件还可以对其进行实时矫正，确保数据的精确性和可靠性。

可做成形象直观的数据图

多波束系统中有一个数据后处理子系统，即数据处理单元，主要是对所收集到的数据如定位、船姿、声速剖面等进行综合处理，并计算出相应的数据。可根据实际需要，选取相应的数据制成比较直观的数据图。随着技术的不断发展和完善，不仅可以制作多种类别的数据图，如地形模型图、测量深度数据图；还可以制作多种类型的数据图，比如平面图、三维图等。多波束系统能够比较直观形象的显示出海底真实状况，提升海洋航道测量工作的准确性。

三、多波束系统在海洋航道测量中的系统误差及修正分析

（一）系统误差主要组成成分

一个复杂的操作系统难免会存在误差，但是当海洋航道测量中误差较大时，可能会导致海底地形失真，造成严重后果，因此我们一定要做好误差的研究。多波束测深系统是一个由多传感器组成的综合系统，造成测量误差的原因很多，主要有系统安装偏差、时间延迟误差和声速改正误差。安装误差是指换能器的安装所带来的误差。在安装过程中，由于一些客观因素导致实际安装的位置与原先设定的位置之间存在一定的偏差，使得理想的测量状态遭到破坏，波束入射角因此发生细微改变，进而影响水底测点坐标，所采集的数据精确度受到一定影响。

时间延迟误差则很好理解，多波束系统时一个结构较复杂的综合性系统，组成部件较多，各个部件的时间系统没有统一，存在时间差，因此会出现时间延迟误差。另外，时间延迟误差还受测量船只的航行速度影响。船速不同，水底测点位置沿航迹方向的位移也不同，容易引起误差，进而影响整个测量结果的精确度和可靠度。声速改正误差主要由两部分组成，即声速剖面不准确和代表性误差。声速剖面代表性误差主要是由测量海域的水文因素和声速剖面采样站布设导致的。声速改正误差对边缘波束的影响较大，从而影响整个测量结果的准确性。

（二）误差修正分析

海底状况复杂多变，在实际测量中难以达到理想的测量状态，或多或少的存在误差，这无可避免。我们所能做的就是尽可能的减小误差，并合理有效的消除误差所带来的影响。近年来，国内外许多专家针对这一问题做了许多研究分析，其中最常见的是半参数法和两步滤波法。但是这两种方法都是建立在数学模型下完成的，理论性较强，可操作性较低。其实针对误差修正，目前为止还没有操作度较高且效果极好的方法。

针对以上所提的几种误差，我们应对每一种误差设计校准算法，并进行试验进行验证，构建误差修正模型。在实际测量时，借鉴试验和模型结果，尽可能的削弱误差的影响。对于误差的修正我们需要进一步深入研究，利用更好得算法对测深数据进行处理，尽可能的消除误差所带来的影响，提高测量工作的精确度、可靠性和效率。

结语

随着“一带一路”的大力开展，海洋航道的作用越来越突出，在经济发展中占据重要地位，这就需要我们做好海洋航道的测量工作。本文针对目前应用最广泛的多波束系统进行分析研究，主要从其发展现状、应用特点及存在的误差三方面进行了研究分析，希望能够对我国海洋航道的发展有所帮助。

参考文献

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作者简介：杜红雨，生于1991年，男，汉族，籍贯山西长治，大学本科，研究方向：海洋测绘。