一、多波束校正参数概述

1.1、横摇偏差 纵摇偏差 艏向偏差简介

      多波束为面状点云测量。由于客观原因的存在，多波束的换能器安装不可能完全水平，这就导致换能器与真实水平面存在夹角，理论上把换能器与船只水平面纵向的夹角称为纵摇偏差（pitch),换能器与船只水平面垂直方向的夹角为（roll）。

                         

        在实际测量中，由于船只的运动会导致换能器与水平面也产生一个夹角，所以对应某一时刻t，换能器的横摇角roll(t)、纵摇角pitch(t)都由两部分组成：

                             roll(t)=roll(静)+roll(动)、pitch(t)=pitch(静)+pitch(动)

      即roll(t)、pitch(t)都包含一个动态分量和一个静态分量。动态分量是由于风、涌、波浪等因素造成的，可以通过涌浪补偿仪予以校正；静态分量是由于设备安装造成的，即平时所说的横摇偏角和纵摇偏角。

    多波束系统在外业测量时需要配合电罗经或光纤罗经或POS MV等设备使用，用于实时校正船舶的姿态对波束的影响。设备安装的指向与船舶指向可能存在偏差（即艏向偏差-yaw)，实际测量时刻t对应的换能器艏摇yaw(t)=yaw(静)+yaw(动)。设备安装艏向校准通常与换能器安装初始角度校准联合实施，将其偏差改正综合至换能器艏摇偏差中而不单独进行校准。

 1.2 定位时延latency简介

          因为定位系统与测深系统不同步，使测深点产生位移，导致测得的海底地形发生变形，这种效应通常称为定位时延误差（latency）。

1.3 在测量实施过程中，动态分量都通过涌浪补偿仪和罗经校正，只需获取正确的静态分量值与时延，即平时所说的校正参数，即可把波束形成校正到正确的位置。

二、多波束校正外业

2.1 校正区域选取

     为了获取好的校正效果，海底地形的选取很重要。横摇校正需在平坦的海底进行；其它校正需在特征地形斜坡或陡峭区域（进行），最好是航道或海底障碍物明显的区域，地形变化越明显校正效果越好。

2.2 测线的布设与船速控制

    为保证校正数据准确可靠，须满足：合理控制船速减少假水深产生；测量船需按设计测线航行，控制测量航迹线偏移距小于2m，不许调头和拐弯上线；必须有多余观测，多数情况下，校正不能一次完成，需选取几个位置进行计算取最优值。

   校正完成后，所有校准测线的数据应基本重叠，误差不能超出规范的要求。具体的测线方向和船速要求如下表：

三、多波束校正参数的内业计算

3.1.2 横摇偏差（roll offset）的校正

横摇偏差因波束发射扇面的角度旋转而产生，对测量结果的影响大小跟波束发射角有关，中央波束影响较小，边缘波束影响较大。校正需在平坦区域进行，垂直航向选择波束，校正原理：理论上相反方向测得的海底剖面线应该是吻合的，但由于换能器安装存在的横摇偏差，导致自东向西与自西向东测得的海底剖面线存在夹角，该夹角的一半即为安装的横摇偏差，可由软件计算得出。

校正效果检验主要看边缘波束水深值吻合情况，排查潮位的因素，边缘波束水深值应该吻合良好。

 下图为横摇偏差的案例，校正前相邻两条测线的边缘波束水深值无法很好拼接，校正后相邻测线间拼接良好。

                    

                                                   图4  横摇校正前后效果图

3.1.3 纵摇偏差（pitch offset）的校正

换能器的纵摇偏差会导致测点沿航迹线方向产生偏移，校正原理如下图所示：

理想情况纵摇偏差为0时，目标的位置为P，真实水深值为D;现存在纵摇偏差α，导致相反方向测得的目标位置分别为P1，P2，P1跟P2之间的距离为L；α(纵向夹角)的计算公式：

                             图5 纵摇偏差校正原理

校正需在特征地形上进行，以相同速度相反方向布设测线。校正时需沿航向选择中央波束，利用PDS2000软件的纵摇校正模块进行，计算过程跟时延校正类似，通过逐步调整偏差值，使两剖面最佳重合，得出的最优值即为纵摇偏差。

3.1.4 艏向偏差（heading offset）的校正

       艏向偏差造成测点位置以中央波束为原点旋转同一角度，这种位移在中央波束处为0，离中央波束越远，位移越大，从而导致测量数据的错误。

   艏向偏差的校正应选择特征地形进行，使用两条平行测线（测线间距应保证边缘波束重叠不小于10%），以相同速度相同方向各测量一次。PDS2000校正时沿航向选择重合部分的波束，通过比较重叠部分的两个剖面，确定最小偏差即为艏向偏差。

                                               

                                                                  图6 艏向偏差校正效果图

3.2 校正参数的精度要求

    为保证测量的精度，按规范要求每组校正至少需进行三次，经多组校准数据计算的校正值中误差应满足如下要求：

latency<0.05s; roll offset<0.05°； pitch offset <0.3°，heading offset<0.1°。

四、值得注意的问题

4.1 罗经和涌浪补偿仪的安装非常重要

       安装时一定要固定好，确保不随船发生相对运动；安装要尽量水平，罗经应平行船中心线，可利用OCTANS自带软件监控安装过程，实时调整位置，以保证罗经和涌浪补偿仪的安装精度。测量船静止时，OCTANS显示的纵横摇值最好在1°以内。在使用过程中发现，安装不好纵横摇值偏大，对测量精度会有一定影响，测出的水深值无规律的偏深或偏浅，可能是涌浪补偿仪不到位的原因，通过重新安装，解决该问题。

4.2 校正顺序的问题

        校正按“定位时延->横摇偏差->纵摇偏差->艏向偏差”的顺序进行，且进行下一个参数校正时要先输入已校正好的值，以排除校正时其他参数的影响。

    定位时延和纵摇偏差相互作用，它们引起的误差在表象上都是造成测点的位移，在水深图上看很难区分。因此，最先进行定位时延的校正。

     横摇偏差的测定在平坦的海区进行，纵摇偏差产生的影响很小；纵摇偏差的测定需在特征地形进行，由于横摇偏差的不确定，地形变形是真，会影响纵摇偏差测定的精度，所以横摇偏差测定应先于纵摇偏差。

     纵摇偏差校正选择中央波束，可以排除艏向偏差的影响，所以放在时延和横摇校正后进行。

    艏向偏差只影响测点的位置，测量精度影响较小，所以放在最后进行。

4.3 对校正数据采集的要求

  多波束校正精度要求高，对采集的测线数据质量要求也高，具体来说有如下要求：

  （1）校正时一般不加潮位，所以最好选择在平潮时进行。

 （2）校正应选在风浪小，水面平静，水质均匀，假水较少的区域进行；

 （3）应在测线外调整好船速后再平稳上线，船速要均匀，把定航向减少航迹线偏移，增加重合区域，尽量减少假水产生；

（4）根据地形实时调整滤波设置，减少假水产生。

4.4 校正效果的检查

① 每做完一个参数的校正，都可以把选择的查看断面比例放大检查，潮差较小时两条线应该较好地重合；潮差大时两条线相同位置的水深值应相差一个潮位值，重合趋势应该一致。

② 完成四个参数的测定与校准后，还应对其进行内符合和外符合精度的测定，确认测定结果符合规范要求方可使用；

③当船体有明显改变、换能器或涌浪补偿仪位移、内业时测线间重合不好时，应重新进行参数的校准。

4.5 概念补充

         在GPS定位和测绘领域，误差存在着多种不同的度量模型和度量方法，如精密度(precision)，精确度(accuracy)，可靠性(reliability)，不确定度(uncertainty)等。精度的评定指标可分为内符合精度与外符合精度。

   ①内符合精度：

  内符合精度是以估计的最似然估值为比对基准，主要反映观测值之间的离散度，即精密度，一般用误差或标准差(STD)来度量。

   ②外符合精度：

    外符合精度事宜外部提供的参考值为比对基准，主要反映观测值与参考值之间的偏差程度，即精确度。外符合精度反映了定位结果的实际可信度，一般用误差的均方根(RMS)来度量。