摘  要：淮河航道的维护和整治必须以高精度的测量数据作为核心基础。为了提高单波束测深的精度，通过阐述单波束测深系统的作业原理，找出单波束测深实际操作过程中的误差来源为：声速、测船姿态、换能器相对位置，并分析各因子对测深精度的影响，从而有针对性地提出因声速、测船姿态、换能器相对位置变化引起误差的消除措施。通过对相关参数的改正、校准和作业流程的规范来进行质量控制，提升单波束测深精度。

关键词：单波束;误差;質量控制

中图分类号：P207;P229      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）22-0033-03

Error Sources and Quality Control of Single Beam Sounding

GAO Mushuai

（Huaihe Waterway Bureau of Anhui Port and Waterway Administration，Bengbu  233000，China）

Abstract：The maintenance and improvement of the Huaihe waterway must be based on high-precision measurement data. In order to improve the accuracy of single beam sounding，this paper describes the operation principle of single beam sounding system，and finds out the error source in the actual operation process of single beam sounding：sound speed，ship attitude，relative position of energy converter，and analyzes the influence of each factor on the accuracy of the sounding，and then puts forward targeted measures to eliminate errors caused by the sound speed，ship attitude，and relative position of energy converter. Through the correction and calibration of relevant parameters and the specification of operation process，the quality control is carried out to improve the accuracy of single beam sounding.

Keywords：single beam;error;quality control

0  引  言

随着“十四五”的开局起步，安徽水运迎来了大发展、大跨越的机遇，这也助推了淮河航道事业的发展。安徽省港航管理局淮河航道局主要负责淮河（三河尖—红山头）航道、涡河（怀远口门—蒙城闸下）航道、茨淮新河（入淮口—阚疃闸）航道的勘察测量和日常维护工作。为了确保淮河航道安全畅通，淮河航道局利用单波束测深系统定期对淮河进行水深测量。作者长期从事港口与航道相关工作，在航道测量方面具有丰富的实战经验，在实际航道测量中发现，受诸多因素影响，单波束测深有时难以满足淮河航道维护和整治工程对高精度测量数据的要求。

为了解决该问题，本文着重分析了单波束测深随机误差源和它们对测深精度的影响以及常用的质量控制方法。该研究的成果应用在淮河航道整治和维护工程的水深测量工作后，提升了单波束测深的精度，为全面提升淮河航道保障维护水平，为促进淮河航道的安全畅通提供理论支撑。

1  单波束测深系统介绍

1.1  单波束测深原理

水下地形测量是指运用测量仪器确定水下地物的三维坐标，从而对河底起伏形态和地物进行描述的一种测量手段，其中，最核心的就是水深测量，即测深。根据使用仪器的不同，水深测量可以划分为测绳重锤测量、单波束测深、多波束测深、机载激光测深。凭借着作业效率高、使用便捷、成本较低、操作简单等优势，单波束测深逐渐成了水深测量最常用的技术手段。

单波束测深采用的是回声测深原理，采用换能器垂直向下发射短脉冲声波，当脉冲声波遇到水底时发生反射，反射回波被换能器接收，从而根据声波在河底间的双程旅行时间和水介质的平均声速确定水深。如图1所示，换能器至水底的深度H为：

其中，c为水介质中的声速;t为声波在水中往返所需的时间。

将图1中换能器至水底的深度加上换能器的吃水深度，可得水面至水底的深度D为：

其中，h为换能器吃水深度，即换能器吃水深度改正值;ΔDt为潮位改正值。

1.2  单波束测深仪的安装与校准

采用单波束测深时，应将RTK仪器和换能器安装在固定杆上，并把固定杆安装在船艇总长的  处，避免测船航行产生的气泡对声速的影响。固定杆安装时应用铁丝或绳索固定，以免作业过程中产生晃动，同时，还应远离螺旋桨，从而排除杂声的干扰。换能器入水深度根据测区大致水深、流速、航速和测船吃水深度确定，一般为0.30～0.80 m。

声速的大小与水温、盐度和压力等因素有关。为了确保测深的准确性，在作业开始前必须对单波束测深仪进行校准。现场校准时，如果条件具备，可用声速仪直接测量声速剖面，也可利用数字温度计现场测定海水的温度，根据水域的盐度，利用测深仪声速计算软件计算声速值。

一般选择水流平稳、底质较硬且平坦的3.00～5.00 m的水域进行校准。利用单波束与塔尺同时分别测量水深，当两者之差不超过10 cm时，即认为测深成果准确，仪器性能正常。也可利用比对盘比测，比对盘可用一适当大小的金属圆盘和连接圆盘的线绳制成，线绳每1.00 m或0.50 m做一标记，如图2所示。利用比对盘不但可以检查声速是否正确，还可以检查测深仪换能器吃水的情况。

利用比对盘比测的操作步骤如下：

（1）将比对盘放置在测深仪换能器下方距离水面1.00 m处，查看此时测深仪显示的深度，如果测深仪未设置吃水参数，则1减去测深仪显示的深度值即是换能器吃水;如果已输入吃水参数，则1减去测深仪显示的深度值就是吃水误差，当差值超过±0.05 m，需要重新确定吃水参数。

（2）将比对盘尽可能低地放于换能器下方，同时在测深仪上可以检测到比对盘的深度，通过线绳上的标记和测深仪的测量深度，查看测量结果，如果结果相同说明测深仪使用的声速参数正确，仪器工作正常;如果差值较大，说明测深仪的声速参数不正确或者仪器有问题。当排除仪器的问题后，差值仍较大时，可以对测深仪使用的声速进行修正，用计算的正确声速代替当前的声速，再做进一步比测。

（3）将比对盘分别放置在测深仪换能器下方不同深度，查看测深仪在比对盘不同深度时的测量值，根据差值调整声速或者吃水。

（4）重复上述过程，直到两者的深度匹配为止。在用比对盘比测时，最好选在平静、水流小的水域进行。

2  单波束测深的误差来源

根据测深误差产生的原因和出现的规律，可将其分为粗差、系统误差和随机误差。粗差是指由于测量人员疏忽大意造成的错误导致的测量结果明显地偏离了真实值的误差。如大数被读错、记错。系统误差主要是由于测量仪器偏差导致的，可以通过系统的校准来检测并补偿改正。在消除和补偿了粗差及系统误差后，剩余的随机误差采用统计方法来分析。这里简要分析几个主要的测深随机误差源和它们对测深的影响，以及常用的质量控制方法。

2.1  声速引起的误差

根据公式H=ct可知，换能器至水底的深度H与声速c和声波在水中往返所需的时间t直接相关。现代化的单波束测深仪，时间测量误差一般比较小而且稳定，经过校准测量并检定合格的仪器产生的时间误差可以忽略不计。所以，声速是测深误差的主要外部原因。

在单波束测量中，声速随着水体的温度、盐度和压力的变化而变化，声速误差的大小主要与声速测量的精度、声速随时间的变化、声速随空间的变化因素有关。声速值设置的不准确，直接导致测深数值的偏差。以淮河航道蚌埠闸下段水深测量为例，同一测区，水温为5 ℃时，声速为1 425.71 m/s，

水温为10 ℃时，声速为1 446.59 m/s，水温为20 ℃时，声速为1 481.62 m/s。

2.2  测船姿态引起的误差

测量船只的姿态测量包括船的横摇、纵摇和垂荡。测量船只受到风、浪、流的作用，会出现横摇、縱摇和垂荡的姿态，从而导致测深仪中心波束倾斜面产生复杂的误差变化，是一个既影响平面定位又影响测深的复杂过程。

当船的横摇角小于等于半波速角时，横摇角造成的测深信号偏移仍在波束角范围内，所测得的深度可以认为没有附加误差。当船的横摇角大于半波速角时，不仅会产生测深误差，同时还会产生测深点的位置误差。

测船纵摇产生的测深误差比较复杂，纵摇不产生偏离测深线的位移，但会使水深点在测线上前后摆动。如果河底是平的，则产生的误差与横摇产生的误差类似，如果不进行改正，记录的图像可能不是一个平面。

受涌浪的影响，测量船舶在作业时会产生垂荡，从而直接影响测深数据。测深仪换能器安装的位置与该船舶垂荡对测深数据的影响有直接关系。通过理论分析，当测深仪换能器与测船的重心重合时，垂荡对测深的影响最小。

2.3  换能器相对位置变化引起的误差

引起换能器相对位置变化的因素主要有三方面：

（1）测船重量。测量船舶作业时会不断消耗船载燃料和水，船舶整体重量减轻，从而导致固定在船上的换能器吃水深度发生变化，进而影响测量精度。

（2）测船航行下沉量。船舶在航行的过程中，船艏会发生下沉的现象，因而其吃水量比静止时会有所增加，换能器的吃水深度也随之变化，尤其是在浅水区域，由此产生的误差更明显。

（3）测船航速。测船航行时会出现拱头和尾沉的现象，不同航速下，拱头或尾沉的程度不同，换能器吃水深度也不同。

为提升单波束测深精度，应全面分析误差来源，掌握影响测深精度的因素，摸清其原理，采取相应措施消除误差，实现单波束测深的质量控制。

3  单波束测深的质量控制

3.1  消减声速产生的误差

由于声速随时间和空间而变化，其变化难以监测和处理。因此，在测深数据采集时，应根据测区情况，以适当的时间和空间间隔布设声速剖面测量点，以减少由于声速变化产生的测深误差。尤其是水温变化较快的测区，应增加声速剖面的测量。

3.2  降低测船姿态引起的误差

测量船受到风、浪、流的作用，出现横摇、纵摇和垂荡的姿态，会导致测深仪中心波束倾斜面产生复杂的误差变化，进而影响到平面定位和测深。

针对横摇和纵摇产生的误差，可通过建立严密的船体坐标系并实时测量船体姿态，对定位中心进行改算来消除。

针对测量船出现垂荡姿态时对测深的影响，可通过水深值改正来进行消除：

（1）通过涌浪传感器进行改正。把涌浪传感器与测深仪换能器放置在同一位置时，传感器实测的数值就是为水深值的改正值。

（2）利用GPS高程数据的变化进行改正。RTK测量不仅能获得高精度的平面坐标，还能获得可靠的GPS高程数据。当RTK仪器固定在连接杆上进行作业时，获得的GPS高程数据的变化即为换能器随波浪的垂荡变化。因此，可以根据GPS高程数据的变化值对水深进行改正，消除或降低测船垂荡产生的误差。

3.3  消除换能器相对位置变化引起的误差

测船重量、测船航行下沉量及测船航速会改变换能器吃水深度，从而影响测深精度。针对这一问题，在实际测量时应该从以下三方面做好质量控制：

（1）测船作业前，燃料和水应保持满载状态，作业过程中定期检查燃料和水的消耗情况，并添加至满载状态。

（2）正确设置换能器的吃水深度。作业开始前，测船以测深时的正常航速航行，获取换能器的吃水，并设置为换能器吃水深度。或者将测船处于静止状态时换能器的吃水设置为换能器吃水深度，同时量取船舶航行时较静止时的下沉量，并把该下沉量设置为动态吃水改正数。

（3）测船作业过程中沿计划主测线匀速航行，船速以获取换能器动态吃水时的航速为宜。同时测深作业应在风浪较小的情况下进行，内河波高超过0.40 m时，应停止作业。

4  结  论

高精度的水深数据是淮河航道维护和整治最基础的科学依据。为了获取高精度的水深数据，本文结合测深常用的单波束测深手段，阐述了单波束测深的作业原理，分析了声速、测船姿态、换能器相对位置对测深精度的影响，并针对性地提出了实际作业过程中消减声速产生的误差、降低测船姿态引起的误差和消除换能器相对位置变化引起的误差的措施，为进一步提升单波束测深精度提供了思路。

参考文献：

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[3] 勾启泰.利用GPS-RTK高程进行换能器升沉改正的研究 [J].岩土工程技术，2017，31（5）：225-228+257.

作者简介：高慕帅（1988—），男，汉族，山东嘉祥人，科员，工程师，学士学位，研究方向：港口與航道工程、工程测量。