海测论坛▏沈蔚等：深水多波束测深系统测深精度评估 - 海洋测绘中测深仪测量水深基于什么原理

培林志远 · 发表于海洋技术专业 2024-4-14 01:05:56

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一、引言

进入21世纪，各海洋大国维护海洋权益和开发海底资源的强烈需求促进了声纳为代表的水下声学探测技术的快速发展。用于高精度海底地形探测的多波束测深系统应这种需求而迅速发展起来，成为深海地形地貌探测的主流技术装备，并大量装备在各型科考船上。

国内外中大型科考船，绝大部分都安装了深水多波束测深系统。该系统的安装、检校和精度评估是开展水深测量的前提，是从业者必须研究和关注的问题。国内学者对多波束水深测量误差源分析与成果质量评定已有较成熟研究，而对深水多波束测深系统标定和测深精度评估的研究，近些年才开始尝试，目前国内并没有完善的标准可以遵循。

本文针对深水多波束测深系统的测深精度评估展开研究，对其原理、功能、发展做简要介绍，对多波束系统测量误差与精度评估方法进行了初步研究，并以上海海洋大学“淞航”号安装的EM302多波束系统首航中采集的实际数据开展检校和精度验证工作，为同类型深水多波束的合理高效使用提供有益的参考。

二、深水多波束测深系统介绍

⒈深水多波束测量原理

多波束测深系统主要由多阵列发射/接收换能器、收发单元、数据采集控制以及辅助设备(运动传感器、高精度定位系统、声速剖面测量仪和必要的显示输出设备等)构成。多波束测深系统通常按照工作频率分为高频(200～400KHz)、中频(50KHz)、低频(20～12KHz)三类，相应地按测深量程又分为浅水(1～500m)、中水(500～3000m)和深水(3000～11000m)三类多波束测深系统。业主需要根据自己应用需求、船型和预算等来开展多波束测深系统的选型工作。

与经典的测量原理(极坐标法)一致，从一个已知点测量另外一个未知点的坐标，需要测量两点间的距离和方位角度。所有的多波束测深系统均利用束控法或相干法来测定这两个变量。深水多波束测深系统，由于受到距离、能量、环境等因素的约束，目前均使用束控法，发射阵发射一个极窄的声波(通常为1°，也可以更小，与换能器尺寸成反比)，接收阵并利用米尔斯(Mills)交叉原理形成多路回波接收，见图1。

图1 米尔斯(Mills)交叉原理示意图

由于换能器阵尺寸较大，为便于船底安装，深水多波束测深系统均采用平面阵。与传统的单波束回声测深系统相比，多波束测深系统具有扫幅宽、全覆盖，高效和高精度的特点，可有效获得深海高精度地形地貌数据，它一出现就受到海洋科学、工业和军事界的高度重视。

⒉国内外发展现状

全世界生产多波束测深系统的厂家很多，但能够生产深水多波束测深系统的厂家屈指可数，主要有Kongsberg公司，WartsilaElac公司，TeledyneAtlas公司。这三家公司均能生产浅水、中水、深水全系列多波束产品，其深水多波束测深系统代表了当前世界最高水平。3个厂家所产的7000m级多波束产品技术参数与功能对比见表1。

表1 7000ｍ级深水多波束测深系统技术对比表

2014年5月，由中科院声学所联合中国船舶重工集团公司第七一五研究所、国家海洋局第二海洋研究所共同承担的国家“863”计划重点项目“深水多波束测深系统研制”在京通过验收，其系统突破了一系列关键技术，性能指标基本达到国际第三代水平，并对国家“863”计划重大项目“海底观测网试验系统”进行了实际试验性应用，完成了其路由调查工作。

⒊深水多波束测深系统典型功能与发展趋势

如表1统计所示，目前深水多波束测深系统普遍具有以下典型功能。

⑴更高的测深精度和密度

普遍采用了1°×1°收发波束角(甚至0.5°)保证了横向、航向的高分辨率，采用窄脉冲提高测距分辨率。通过双条带(dualswath)技术和多ping模式，波束和水深点数量成倍增加，在大水深、ping率很低的情况下，可以获得更加密集、分辨率更高的海底地形数据。

⑵更大的扫宽和能量

除传统的CW(连续波)技术，普遍采用了FM调频宽带脉冲(chirp)技术，发出更大的能量，大大拓展多波束的扫宽，提升工作效率和性能。以EM302为例，最大覆盖宽度达8000m。

⑶波束全运动补偿和动态聚焦

发射波束通过电子束控方法对roll、pitch和yaw进行了稳定，接收波束对所有的roll运动进了稳定，能够允许完全的姿态稳定，横摇稳定高达±15°，纵摇和偏航稳定达到±10°。系统对发射波束和接收波束均采用了动态聚焦，从而即使是在声波近场之内也能获得最大的分辨率，最浅可测量的水深小到只有10m。

⑷具有侧扫/后向散射能力

具有将后向散射强度等信息合成海底声纳图像功能，可以用第三方软件对图像数据进行目标识别和海底底质分类。

⑸具有水体信息探测能力

可实时显示水体的后向散射图像，记录水柱数据和原始的梯级声学信号(波束成形前)，用于水体中生物、油气的探测和分析。

⑹设备向小型化和智能化发展

随着电子技术的发展，多波束的换能器和收发设备的尺寸越来越小，性能却越来越高，数据的采集和处理的自动化和智能化程度越来越高。

三、多波束测深系统测量误差与精度

评估方法

⒈多波束测深系统测量误差来源与分析

多波束测深系统测量误差来源众多，大致可分为系统误差、偶然误差及粗差。不同来源的误差见表2。

表2 多波束测深系统测量误差

粗差的形成，主要来自于震动和噪音，多波束电子设备、表面声速仪、GNSS、姿态传感器等设备在工作状态下产生的噪音以及海洋环境的复杂性会引起测量数据产生异常。震动和噪音，需要在船舶设计和制造阶段加以考虑，并在数据采集过程中严格监测，后处理中通过不同的滤波方法加以剔除。

系统误差中换能器安置偏差一般通过安置偏移量检校获得，声速剖面、潮位、吃水误差通过更高精度的测量来保障，可以说辅助测量的精度直接决定了水深测量的精度。

⒉多波束测深系统测深精度评估方法

国内目前没有统一的多波束测量与数据处理技术标准，缺乏完善的多波束测量质量评价体系。国家和行业发布了多个版本水深测量规范，其中多波束水深测量精度评估主要有以下两种方法。

⑴水深测量极限误差

IHO海道测量标准、交通部多波束测深系统测量技术要求中测深极限误差均为：

Δ＝±(a2＋(b×d)2)-1 ⑴

式中，Δ为测深极限误差，单位m；a为系统误差，单位m；b为测深比例误差参数；d为水深，单位m。

我国现行海道测量规范规定水深测量极限误差优于水深值的2％(水深大于100m)，现行海洋调查规范规定水深测量准确度优于水深值的1％(水深大于30m)，近年海军和原海洋局制定的相关调查规范，均将深度测量极限误差定为优于水深值的1％(水深大于30m)。

⑵主测线与检查线交叉点不符值统计

几千米的深海，水深真值无法获取，故利用多波束主测线与检查线的交叉点不符值统计，进行内符合精度评估成为主要手段。

海道测量规范规定，主测线与检查线重合点(两点相距图上1.0mm以内)深度，剔除系统误差和粗差后，不符值限差为水深值的3％(水深大于100m)，超限点数不大于参加比对的总点数的15％。

近年海军和原海洋局制定的相关调查规范，均规定主测线与检查线重合点深度，剔除系统误差和粗差后，不符值限差为水深值的2２％(水深大于30m)，超限点数不大于参加比对的总点数的10％。

四、EM302深水多波束测深系统精度评估

上海海洋大学自主建造的国内首艘远洋渔业资源调查船“淞航”号，总吨位3166吨，最大排水量3271.4吨；船舶总长85m，型宽14.96m，型深8.71m，吃水4.95m；最大航速15kn，续航能力10000nm。作为一艘集远洋渔业资源调查和海洋科考于一身的综合调查科考船，“淞航”号安装了EM302深水多波束测深系统、Topas18全海洋浅地层剖面仪系统，同时配套有Applanix posMV320E姿态传感器、AMLPlus-X声速剖面仪、AMLMicro-X表面声速仪，Seafloor Information System(SIS)多波束采集软件、Caris Hips/Sips多波束数据后处理软件。

“淞航”号于2017年3月在天津下水，同年11月前往南海首航。首航中，对EM302多波束测深系统的性能进行了测试，对测深精度进行了评估，各项指标均优于现行规范要求。

⒈安置偏移量检校

换能器的安置偏移量，决定了深水地形测量的成败，可以用差之毫厘谬以千里来形容。

⑴试验计划

根据《淞航号声学测量系统验收海试计划》，2017年11月15日，选取中心坐标E118°16.8465′、N21°49.5375′海域(该区域具备平坦和起伏水下地形)，水深1200～2000m，3级海况，开展EM302多波束检校试验。本试验共计规划6条测线(其中⑥为备用测线)，每条≥7000m，平面位置见图2。

图2 EM302检校测线布置示意图

定位延时校正试验(Position Time Delay)，见图2测线①②，有效线长≥7000m，航速分别以6kn、11kn航速沿相同方向完成同一测线的测量。

横向偏角校正试验(Roll Offset)，见图2测线③④，有效线长≥7000m，航速8kn。

纵向偏角校正试验(Pitch Offset)，见图2测线③④，有效线长≥7000m测线，航速8kn。

航向偏角校正试验(Yaw Offset)，见图2测线④⑤，有效线长≥7000m测线，航速8kn。

⑵试验结果

利用1～5条测线，经SIS软件计算后，获得EM302的安装偏移量见表3。

表3 EM302的安装偏移量

⒉测深精度评估

⑴试验计划

根据《淞航号声学测量系统验收海试计划》，2017年11月16日，选择中心坐标E118°18.7569′、N21°43.1002′海域，水深范围1200～2000m，3级海况下，进行多波束测深系统测深精度评估试验。

本次实验共布置5条测线，2条主测线呈东北方向，3条检查线与主测线垂直，测线间距为3.5km，测线长12～15km。５条测线均以8kn航速完成测量，EM302多波束和EA600全海深单波束同步记录数据。试验前后，两次投放声速剖面仪测量垂直剖面的声速变化，用于声速改正。

⑵测深精度评估

①内符合精度评估

测量外业完成后，利用Caris 9.0软件对测线数据进行处理，2条主测线生成海底地形曲面一，见图3(a)，3条检查线生成海底地形曲面二，见图3(b)，将两个曲面数据进行求差运算，结果见图3(c)。

(a)主测线生成海底地形（单位：m)

(b)检查线生成海底地形（单位：m)

(c)主测线和检查线的交叉点水深不符值（单位：m)

图3 多波束测深精度内符合检验示意图

经统计，主测线和检查线的交叉点总计119680个，平均水深1500m，求差不符值，最小值-43.9m，最大值71.0m，平均值为0.4m，标准差为3.0m，远小于平均水深的2％(即±30m)的限差，超限点数量为29个，占参加比对的总点数的0.02％，符合当前各类规范要求。

②外符合精度评估

利用同船搭载的EA600单波束测深数据，经声速修正后与多波束测深数据求差。经统计，单波束和多波束水深交叉点总计3195个，平均水深1500m，求差后获得不符值最小-67.8m，最大25.6m，平均－4.2m，标准差4.9m，远小于平均水深的2％即±30m的限差，超限点数量为24个，占参加比对的总点数的0.75％，符合当前各类规范要求。

五、结束语

近年，我国军队、原海洋局系统所属单位(大洋协会、分局、研究所)、中科院、海洋地质调查局、海洋油气勘探及生产企业、海洋渔业、海洋环境、交通部海事局、涉海高校等所属的各类调查船，均安装了深水多波束测深系统。据不完全统计，目前国内科考和勘测船上已安装各型深水多波束20套以上。开展深水多波束测量和数据处理方法研究，重要性日益凸显。当前，现行的各类水深测量规范，主要是针对浅水，而深水(3000～11000m)测量的生产规范和质量评估标准缺乏，亟待完善。

对于海底地形测绘而言，测深精度由来源于仪器本身、船只和海洋环境等的测量误差决定，控制各类误差在规定的范围内是测绘成果合格的保障。深水多波束测深数据的质量评估，当前只能通过内外符合检查的方式进行评估，诸多规范明确指出，计算主、检测线交叉点不符值前应首先进行粗差及系统性偏差检验并剔除之。有学者认为构建水深交叉点不符值数列可确保评估结果的唯一性，是评估海底地形测量成果质量的前提。

保证测深精度的同时，工作效率也是作业单位重点要考虑的事项。作业效率除受外业测量的速度(船速、水深)决定外，还受到数据质量的极大影响。外业中采集的低噪音、高质量、规范的数据，将大大降低内业处理的时间，提高整体工作效率。

淞航号首航试验区域水下三维地形图

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END

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【作者简介】文/沈蔚张华臣张明星孟令文马建国张进，来自上海海洋大学海洋科学学院、上海河口海洋测绘工程技术研究中心和上海海洋大学船舶管理中心。第一作者沈蔚，男，1977出生，江苏盐城人，教授，博士，主要从事海洋测绘和水下探测技术的研究和教学。文章来自《海洋测绘》（2020年第3期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑整理。

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