潘 與 佳高 健劉 大 偉

(1.長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局 長(zhǎng)江口水文水資源勘測(cè)局,上海 200136； 2.上海河口海洋測(cè)繪工程技術(shù)研究中心，上海 201306； 3.上海市海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心，上海 200062)

河道演變分析對(duì)掌握河道變化規(guī)律，評(píng)估水利工程對(duì)河勢(shì)的影響，保障防洪(潮)安全，崩岸險(xiǎn)工段預(yù)警，改善航運(yùn)條件，合理開(kāi)發(fā)利用淡水、岸線、灘涂資源等方面具有重要的意義[1]。對(duì)于長(zhǎng)江這樣的大河而言，受水流沖刷的影響，河床形態(tài)復(fù)雜，既有水深流急的深槽航道，也有水淺流緩的淺灘；既有“W”型斷面的復(fù)式河槽，也有存在著陡坡的“V”型斷面的單一河槽；既有聲速剖面季節(jié)性變化明顯的河流型水庫(kù)，也有聲速剖面時(shí)空變化復(fù)雜的感潮河段，測(cè)量條件較差。另一方面，長(zhǎng)江的河道演變分析需要準(zhǔn)確可靠的河道監(jiān)測(cè)資料，而影響河道監(jiān)測(cè)精度的因素還包括定位誤差、高程控制誤差、動(dòng)吃水誤差、聲速改正誤差、測(cè)船姿態(tài)變化引起的誤差等。因此，在長(zhǎng)江航道地形變化劇烈的區(qū)域，測(cè)深的精度和可靠性往往難以保證。

一般而言，采用RTK三維測(cè)深技術(shù)能很好地解決定位、高程控制和動(dòng)吃水改正等問(wèn)題[2-3]；采用聲速剖面改正能消除或減少聲速效應(yīng)引起的測(cè)量誤差和聲線追蹤定位誤差，利用測(cè)船姿態(tài)改正能有效減弱水深測(cè)量誤差[4]，這一結(jié)論已被眾多的文獻(xiàn)和研究證實(shí)，但還存在以下3個(gè)主要的問(wèn)題：① 常規(guī)的測(cè)深儀換能器探頭波束角較大，在水深變化大的地方難以滿(mǎn)足測(cè)深要求；② 一般的姿態(tài)傳感器和POS系統(tǒng)(positioning and orientation system，定位定向系統(tǒng))價(jià)格昂貴；③ 配備姿態(tài)傳感器和POS系統(tǒng)組成精密水深測(cè)量系統(tǒng)，需要解決安裝和校準(zhǔn)等問(wèn)題。

1 精密單波束測(cè)深的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 波束角效應(yīng)

測(cè)深的原理是通過(guò)水聲換能器發(fā)射聲波，通過(guò)測(cè)量聲波在傳播路徑上的時(shí)間來(lái)進(jìn)行測(cè)距。水聲換能器通過(guò)特殊的設(shè)計(jì)，使聲能主要聚集在某一特定的角度范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定方向上的測(cè)距。主瓣波束角是水聲換能器的一個(gè)重要參數(shù)，其具體定義為主瓣內(nèi)聲強(qiáng)為最大聲強(qiáng)一半的點(diǎn)所夾的角度，在此角之外的聲能量很小，可以認(rèn)為水聲換能器只能接收波束角內(nèi)的水深信號(hào)[5]。

對(duì)于圓形換能器，在水聲換能器向水底發(fā)射聲波時(shí)，主瓣波束將覆蓋一定范圍的圓形區(qū)域，測(cè)定的水深實(shí)際上是換能器與水底之間的最短距離，若波束角過(guò)大，主瓣波束覆蓋的水底范圍就大，引起回波水深點(diǎn)位置難以確定，從而帶來(lái)測(cè)量誤差，在地形變化較大的水域，這種誤差將表現(xiàn)得更為顯著[6-8]。若要提高復(fù)雜水域的測(cè)深精度，需要盡量采用波束角較小的窄波束換能器。但限于物理原理和制造工藝，波束角效益只能減弱，但無(wú)法完全消除[9-10]。

1.2 姿態(tài)改正

在測(cè)量過(guò)程中，由于換能器安裝問(wèn)題和測(cè)船的姿態(tài)變化，換能器的波束指向并不總是垂直向下的，而是存在著縱搖值ρ和搖值ω。這種偏差將帶來(lái)水深水波點(diǎn)的定位誤差和測(cè)深誤差。為分析姿態(tài)引起的誤差，以換能器中心為原點(diǎn)、船體軸線為a軸(船頭方向?yàn)檎?、以垂直a軸的右舷為b軸建立船體坐標(biāo)系。

設(shè)測(cè)量出的縱搖值為ρ(設(shè)船頭向上為正)，橫搖值為ω(設(shè)左舷向上為正)，則回波水深點(diǎn)M相對(duì)于船體坐標(biāo)系的位移δa，δb按以下公式(1)計(jì)算：

δa=(H+h)tan(ρ+ρ0)

δb=(H+h)tan(ω+ω0)

(1)

式中,H為測(cè)量出換能器中心到水底的水深，h為GNSS相位中心到換能器中心的距離，ρ0和ω0為姿態(tài)傳感器初始的安裝偏差值。

根據(jù)船體坐標(biāo)系與測(cè)量坐標(biāo)系之間的關(guān)系，按照公式(2)計(jì)算出回波水深點(diǎn)在測(cè)量坐標(biāo)系中的北向位移δx和東向位移δy：

δx=δbsinζ+δacosζ

δy=δasinζ-δbcosζ

(2)

式中，ζ為船體軸線與測(cè)量坐標(biāo)系縱軸的夾角，可通過(guò)艏向測(cè)量值yaw計(jì)算得到。

改正后的水深H′計(jì)算如下：

H′=Hcos(ρ+ρ0)×cos(ω+ω0)

(3)

1.3 系統(tǒng)校準(zhǔn)

精密單波束系統(tǒng)無(wú)法像多波束測(cè)深系統(tǒng)那樣通過(guò)特定的條帶測(cè)量值和計(jì)算模型來(lái)進(jìn)行傳感器安裝偏差校準(zhǔn)，但可以采用陸上校準(zhǔn)的方法，具體方法如下。

設(shè)計(jì)一個(gè)一體化安裝裝置，將姿態(tài)傳感器和定位定向系統(tǒng)以測(cè)深桿為依托，與測(cè)深桿穩(wěn)固地連接，確保在測(cè)量過(guò)程中三者的關(guān)系保持穩(wěn)定不變。采用全站儀測(cè)量保證測(cè)深桿被垂直固定，此時(shí)姿態(tài)傳感器輸出的縱搖值和橫搖值即為姿態(tài)傳感器初始的安裝偏差值ρ0和ω0。

將姿態(tài)傳感器、定位定向系統(tǒng)和測(cè)深桿在陸上進(jìn)行連接和校準(zhǔn)后，保持相對(duì)關(guān)系不變，安裝到測(cè)船上，即可開(kāi)展精密水深測(cè)量工作。

2 應(yīng)用實(shí)例分析

2.1 試驗(yàn)方案選擇

在長(zhǎng)江干流蘇通大橋附近水域進(jìn)行測(cè)量，部分區(qū)域水深在10～55 m之間，坡度在30°～40°，采用4種方案進(jìn)行試驗(yàn)，以考察各自的測(cè)量精度。方案1，無(wú)姿態(tài)改正的波束角為8°的單波束測(cè)深系統(tǒng)；方案2，無(wú)姿態(tài)改正的波束角為3°的單波束測(cè)深系統(tǒng)；方案3，有姿態(tài)改正的波束角為8°的單波束測(cè)深系統(tǒng)；方案4，有姿態(tài)改正的波束角為3°的窄波束測(cè)深系統(tǒng)。同時(shí)采用波束角為0.5°的高精度多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)該區(qū)域進(jìn)行精細(xì)測(cè)量，將其成果測(cè)量參考值，與前4種測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。

測(cè)區(qū)地形和單波束測(cè)線布置如圖1所示。

該試驗(yàn)中，在測(cè)區(qū)內(nèi)布設(shè)了7條測(cè)深線，測(cè)深線與陡坡垂直，且涵蓋了淺水平坦區(qū)域(水深在10～15 m之間)、陡坡區(qū)域(水深在15～45 m之間)和深水平坦區(qū)域(水深在45～50 m之間)，采用RTK三維水深測(cè)量的技術(shù)進(jìn)行單波束測(cè)量，測(cè)量過(guò)程中，測(cè)船姿態(tài)變化較小，縱搖值和橫搖值的變化不大于6°。

圖1 測(cè)區(qū)地形和單波束測(cè)線布置示意Fig.1 Topography and single-beam line layout in survey area

2.2 精密單波束測(cè)深系統(tǒng)的組成

選擇HY1600型精密測(cè)深儀，配合波束角為3°的特制窄波束探頭(見(jiàn)圖2)，姿態(tài)傳感器采用Honeywell的HMR3000型姿態(tài)傳感器(見(jiàn)圖3)，該姿態(tài)傳感器固定安裝在特制的一體化安裝裝置(見(jiàn)圖4)上，能測(cè)量并輸出橫搖、縱搖、艏向等3個(gè)參數(shù)，其精度參數(shù)如表1所示，單波束精密測(cè)深系統(tǒng)最終集成安裝如圖5所示。

2.3 系統(tǒng)校準(zhǔn)

將姿態(tài)傳感器和POS測(cè)量系統(tǒng)以測(cè)深桿為依托，與測(cè)深桿剛性連接，采用精密全站儀測(cè)量保證測(cè)深桿被垂直固定，此時(shí)姿態(tài)傳感器輸出的縱搖值和橫搖值即為姿態(tài)傳感器原始的安裝偏差ρ0,ω0，該試驗(yàn)中實(shí)際校準(zhǔn)的安裝偏差為ρ0=0.2°、ω0=-0.4°，將上述校準(zhǔn)值在測(cè)量時(shí)輸入數(shù)據(jù)采集軟件的相關(guān)設(shè)置中。

圖2 3°波束角換能器 Fig.2 3° beam angle transducer

圖3 姿態(tài)與艏向測(cè)量?jī)x器Fig.3 Attitude and heading measurement instrument

圖4 傳感器安裝裝置Fig.4 Sensor installation device

表1 精密測(cè)深系統(tǒng)主要組成Tab.1 Main composition of precision single beam sounding system

圖5 系統(tǒng)集成安裝示意Fig.5 Sketch of system integration installation

2.4 成果分析

通過(guò)對(duì)上述的4種測(cè)量方案的測(cè)量數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理，計(jì)算輸出間距為2 m的三維數(shù)據(jù)，對(duì)高密度的多波束數(shù)據(jù)采用克里金插值法建立曲面模型，計(jì)算3個(gè)區(qū)域的單波束測(cè)量數(shù)據(jù)與多波束測(cè)量結(jié)果的差異，以均方差為評(píng)價(jià)依據(jù)計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表2～4。

表2 淺水平坦區(qū)域單波束與多波束測(cè)量結(jié)果差異分析Tab.2 Difference analysis of single-beam and multi-beam measurements in shallow flat area

表3 陡坡區(qū)域單波束與多波束測(cè)量結(jié)果差異分析Tab.3 Difference analysis of single-beam and multi-beam measurements in steep slope area

表4 深水平坦區(qū)域單波束與多波束測(cè)量結(jié)果差異分析Tab.4 Difference analysis of single-beam and multi-beam measurements in deep flat area

理論和試驗(yàn)結(jié)果表明，在地形變化大的水域，所產(chǎn)生的誤差主要為波束角和姿態(tài)耦合效應(yīng)而產(chǎn)生的位移誤差。具體差異分析如下。

(1) 在10～15 m的淺水平坦區(qū)域，常規(guī)波束角和窄波束的測(cè)量結(jié)果高度接近，無(wú)論是否進(jìn)行姿態(tài)改正，測(cè)量結(jié)果差異不大。

(2) 在15～45 m的陡坡區(qū)域，窄波束換能器的測(cè)量精度比常規(guī)波束角換能器的測(cè)量精度提升了約40%，有姿態(tài)改正比無(wú)姿態(tài)改正的測(cè)量精度提升了約30%，有姿態(tài)改正窄波束換能器的測(cè)量精度比常規(guī)波束角換能器的測(cè)量精度提升了約60%。

(3) 在45～50 m的深水平坦區(qū)域，窄波束換能器的測(cè)量精度比常規(guī)波束角換能器的測(cè)量精度提升了約30%，有姿態(tài)改正比無(wú)姿態(tài)改正的測(cè)量精度提升了約30%，有姿態(tài)改正的窄波束換能器的測(cè)量精度比無(wú)姿態(tài)改正的常規(guī)波束角換能器的測(cè)量精度提升了約50%。

3 結(jié) 語(yǔ)

水下地形測(cè)量的難點(diǎn)是如何在地形變化大的區(qū)域獲取高精度和高可靠性的測(cè)量成果，在平坦水域，由于水深測(cè)量結(jié)果對(duì)定位精度不敏感，由姿態(tài)變化和換能器波束角等因素引起的定位誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較?。欢谒露钙聟^(qū)域，姿態(tài)變化和換能器波束角所產(chǎn)生的影響會(huì)非常明顯，在這種情況下，應(yīng)采用波束角較小的換能器探頭，配合一定精度的姿態(tài)傳感器和POS系統(tǒng)，在陸上進(jìn)行有效校準(zhǔn)，組成精密多波束測(cè)深系統(tǒng)。在測(cè)深儀換能器波束角小于4°的條件下，配合一定精度的姿態(tài)改正儀器和POS系統(tǒng)，能有效提高復(fù)雜水域水深測(cè)量的精度。