作品展示▏李炜：姿态对单波束测深作业的影响

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在使用单波束进行水深测量时，很多情况下并没有配备姿态仪，进行姿态修正，那么这种作业方式是否合理呢？本文就分析下，姿态对单波束测量会产生哪些影响。

首先，我们需要了一项比较关键的技术参数指标---换能器波束角，根据无锡海鹰的HY1602型号的测深仪技术参数描述“换能器208kHz的波束角≤8°，24kHz，波束角≤22°”，那么什么是换能器的波束角呢？换能器波束角指的是发射能量衰减小于-3dB的发射带夹角，如下图所示是一个换能器的能量发射指向性直角坐标图，从图1中可以看出，换能器标称波束角度外还是有能量发射出去的，只是能量比较少。

图1   换能器指向性

由于单频换能器的物理特性，虽然208kHz的换能器的波束开角一般在8°左右，但实际发射过程中，还存在很多旁瓣，也就是说在8°这个范围的能量最强，其他范围依然有能量较小的波束，见图2。

图2    换能器能量分布

测深仪的水底跟踪，一般要同时满足两个条件：①第一个接收到的信号；②第一个较强能量的信号。从上图可以看出，换能器正下方所要测的水底，到换能器的距离最短，而且能量最强，能同时满足这两个条件，因此，测得的水深正是换能器正下方的水深。

但实际情况是，在测量过程中，船会摇晃，换能器不是垂直向下，存在一定的偏角θ，如图3所示，从理论上分析：

图3      换能器倾斜

如果θ<4°，即波束角度的二分之一，换能器正下方的水底反射回来的信号依然很强，换能器正下方水底反射的信号依然是最先接收到，还是可以满足水底跟踪的两个必要条件，因此测得水深依然是换能器正下方的水深。

如果θ>4°， 换能器正下方依然会有水底信号反射回来，信号可能是旁瓣波束反射的，信号强度比较弱，但换能器正下方水底反射的信号依然是最先接收到，这样，就不完全满足水底跟踪的判别条件，测得的水深结果就有一定的不确定性，对测量的精度造成影响。

从以上分析可以看出，测量船的小幅度姿态摇晃，对测深的结果没有影响，接下来再分析下姿态对平面定位的结果造成影响：

假设：①X方向的摇摆角度为α；②Y方向的摇摆角度为β；③GPS天线的定位平面坐标为P(x，y)；④GPS天线到换能器的距离为D。

那么我们所要计算的测量点A点的平面坐标为:

     A_x＝P_x－d_x，d_x＝D×Sinα           ⑴

     A_y＝P_y－d_y，d_Y＝D×Sinβ           ⑵

如前所述，由于测深仪的换能器摇摆角度<4°为佳，因此，理应α<4°且β<4°，假设换能器的固定杆长为2m，那么d_x＜0.14m，d_Y＜0.14m。由于通常使用的信标机的平面定位精度在亚米级范围(＜0.5m)，因此，在这种情况下，姿态对测量结果的平面坐标造成的影响相对较小，但如果采用RTK定位，进行高精度水深测量情况下，最好配备姿态仪，进行姿态修正。

综合上述，在安装换能器时，尽可能保持垂直水平面方向，并固定好。在测量的过程中，船保持平稳，最好选择风浪比较小的天气去做测量，并选择适合的抗风浪船只进行测量，如果测量船摇摆角度较小（＜4°)，姿态对测深结果影响有限。

【作者简介】李炜，1982年9月出生，湖北随州人，主要从事海洋测绘相关软件研发，2016年8月创立了广州点深软件有限公司，任总经理一职；主要研发的软件包括水深测量、疏浚、施工定位、海上打桩、电子海图、ADCP、超短基线等等，于2016年11月1日带领团队，开发出了国内首套多波束内外业商业软件---亿点通多波束测量与后处理软件；作者联系电话为15989163513，QQ为191968690。

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