多波束系统在海洋工程勘察中的应用
【摘 要】随着海洋在全球战略地位日益突出，海洋工程勘察的作用也日益凸显。多波束作为海底地形测量的重要手段被广泛应用于海洋工程勘察工作之中。本文从多波束系统的组成、多波束系统与传统单波束系统的对比、影响多波束精度的因素以及多波束系统的应用范围等几方面做了详细阐述。
随着海洋在全球中的战略地位日趋突出，世界主要沿海大国纷纷把维护国家海洋权益、发展海洋经济、保护海洋环境列为本国的重大发展战略，海洋工程勘察作为海洋经济的基础性工作显得日益重要。海底地形测量时海洋工程勘察中的重要组成部分，而多波束测深系统凭借其高效率、高精度的特征被广泛应用于海洋工程勘察之中。
多波束测深是水声技术、计算机技术、导航定位技术和数字化传感器技术等多种技术的高度集成，由多个子系统构成，虽然不同的多波束系统的组成单元不尽一致，但大体上可以将其分为声学系统、数据采集系统、数据处理系统和外围辅助传感器几个部分，基本组成参见图1。多波束采集系统完成波束的触发，经换能器发射和接收后将其转换为数字信号，反算出其测量距离或记录往返时间，通过定位设备、姿态仪、声速剖面仪和电罗经等实现船舶瞬时位置、姿态、航向的测定以及海水中声速的传播特性，最终由数据处理系统综合声速、定位、姿态、声速剖面和潮位等信息，计算波束脚印的深度及坐标，绘制海底地形图。
多波束具有高分辨率、高清晰度、全覆盖的特点，能够全面客观的反映测区的海底地形，其有效扫宽可达水深的4～6倍，同时水深点间隔小，相比单波束更加快捷、直观。在通常情况下，由于多波束测深系统在测量的同时进行姿态补偿，可以减少天气、海况等因素对船体摇晃所造成的误差影响，因此其自符性要更胜一筹，尤其是在水下地形起伏较大的区域表现的更加明显;此外，当波束换能器的波束角大于单波束波束角，投影在海底的波束脚印较大，却只获得一个简单的深度值，会进一步加大测量误差。
然而，对于浅水区，声速变化不规律，且容易对多波束探头造成损坏，多使用单波束与多波束配合使用。
多波束影响精度的因素很多，但在具体工程应用中，更关心的是如何避免可控范围内的影响以及对如何已经产生的影响进行补救。在此，笔者根据造成的影响是否能够补救将影响多波束测深精度误差分为两类：固定误差和可变误差。固定误差的影响可以在后期处理过程中进行补救，如换能器、GPS、运动传感器的位置偏差，换能器吃水改正、潮位改正，以及固定传感器的时延偏移和多波束的矫正参数，包括LAT，ROLL，PITCH等。可变误差的影响会造成不可逆转的后果，包括时间同步不正确、声呐头安装杆与运动传感器自身震动、船体自身枕头导致声呐头与传感器的震动、运动传感器数据漂移、DGPS间歇性改正等可变定位误差以及声速剖面不正确等等。
在进行外业测量时，一定要保证船身稳固，并选用适合的材质制作声呐杆，并将其稳定的固定在船体，防止震动的产生，同时要确保吃水量取正确，换能器、GPS、运动传感器正常工作、相对位置精确、参数设定合理，并使用正确的潮位数据。
3.1 时延校准
多波束时延误差主要包括三个方面，定位设备与测深系统间数据传输时延、波浪运动与测深系统间的时延、罗经与定位设备间的时延，后两种产生的时延误差相对较小，因此，在通常的测量中只考虑定位时延即可。在校准时，选取在有突起的岩石、疏浚航道等有地形起伏的水域，采用同线同向不同速度穿越目标，根据二者位移与速度之差求取时延，通常高船速可为低船速的二倍。
3.2 横摇偏差校准
横摇偏差是指多波束换能器在安装过程中产生的横向角度偏差，导致的水深测量值误差会随其离开中央波束的夹角增大而增大。由于其他误差均是垂直向误差，因此建议首先校准横摇误差。校准时，选取海底平坦的海区，采用同线反向同速度各航行一次，反复计算，直至两个海底平面重合位为止。
3.3 纵摇偏差校准
纵摇偏差是指换能器纵向安装偏差所引起的沿航迹前后向的位移。在校准时，应选取航道边坡等地形变化较大的水域进行，采用同线反向同速度穿越目标，调整纵摇角度使叠加在一起的两组图形重合，计算出纵摇角度。
3.4 艏摇偏差校准
艏摇是指在平面上由于角度便宜所引起的平面上的相应水神殿坐标位置的偏差。艏摇偏差对边沿波束的定位产生影响，且随着深度增加而增大。在校准时，选取航道边坡或其他陡砍，同向同速距离最大覆盖宽度的2/3倍布设两条测线，调整YALL值，获得最佳的艏摇偏差角度。
4.1 扫海测量
锚地是指港口中供船舶安全停泊、避风、海关边防检查、检疫、装卸货物和进行过驳编组作业的水域，在船舶安全和检验检疫等方面发挥了极为重要的作用，因此要对锚地的水深、地貌、地质及流速流向资料进行定期检测。图2为日照港岚山港区锚地改扩建一期工程扫海测量时浅点多波束图片，区域内高出周围海底约0.4 m，图3为该障碍物的侧扫图片。
4.2 平台调查
多波束在海洋石油平台调查中起到了十分重要的作用，多用于探测平台周围的海底状况和分析冲淤情况。图4为早期CPOE3与CPOE33冲淤调查工程中CPOE33平台周围水域多波束调查成果。多波束结果可以直观的反映测区水深情况，其中最浅处水深位于平台东北侧;最大水深位于平台南侧，此外可以明显反映出渔业活动留下的零星散布的锚沟。
4.3 管线路由调查
海洋石油工业在国民生产中占着十分重要的地位，为确保海底管道、电缆正常稳定工作，有必要对其进行定期检测，通常采用单波束测深、多波束测深、侧扫声纳测量、管线剖面测量等多种先进工程物探相结合的调查手段，图5为福建LNG站线湄洲湾海底管线调查的多波束海底图像，图中管沟与海管位置突出，周围水深由浅及深的趋势明显，为调查工作提供了极大的便利。
文/《科技资讯》, 2014, 12(15):45-46
整理：陈柳林
审核：高冲
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