Page 133 - 《应用声学）》2023年第5期
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第 42 卷 第 5 期 杨海东： 多波束测深仪姿态对测深影响分析及误差校正技术 1025
的发射阵和接收阵，将实时测量得到的姿态数据反
0 引言
馈至声呐的电路系统，通过电子波束控制保证声波
多波束声呐产生于冷战背景。20 世纪 60 年代， 发射和接收指向为声呐正下方。第一种方法是 “后
第一台多波束声呐由通用公司的哈里斯反潜作战 端”校正，是目前主流做法；第二种方法是“前端” 校
部研制成功，并应用于美国海军绘制深海海图 [1] 。 正，目前处于研发阶段，尚未得到商业化应用。本文
1976 年，第一台商用多波束测深仪 SeaBeam 诞生。 在上述两类主流方法之外，提出了在平坦海底中利
到20 世纪末和 21 世纪初，多波束声呐蓬勃发展，在 用测深数据快速估计主要姿态并进行校正的技术，
多个国家的大量科考船上得到安装和使用，目前在 该技术主要基于下列原理：在平坦海底条件下，测
军用、民用领域都得到了广泛使用 [2] ，其中国外典 底数据的一些数学拟合特征可以较好地反演姿态
型的公司和产品包括 Kongsburg 公司的 Simrad 系 的特性。
列 [3−4] 、Reson公司的Seabat系列和T50-P等 [5] 。
在海洋测绘中，多波束测深仪是目前应用最广 1 多波束工作原理及姿态类型
泛的设备之一，其主要功能是对海底地形进行精确
1.1 多波束工作原理
测绘，在某些特殊场景中，也可以对海底大型物体
当前主流多波束测深仪采用一发多收的策略，
(例如沉船、石油平台) 进行三维扫描 [6] 。从工作原
其阵列布置为 T 型的发射阵和接收阵，发射波束和
理上看，多波束测深仪利用 T 型阵布阵、波束形成、
接收波束在海底形成Mills交叉，在数据端进行电子
底跟踪等关键技术，实现对海底地形的测绘。受到
波束形成后，获得声呐下方一定宽度范围内的波束
海上风浪和涌流的影响，多波束测深仪安装平台的
图像，如图 1 所示。之后利用底跟踪技术，获得海底
姿态对测深精度和测深位置带来不利影响，主要表
线。利用声呐的移动，获得多条海底线后，通过定
现在姿态变化导致测深仪波束指向或者阵列位置
位、校正、插值等形成海底的深度面，从而获得海底
偏离了预期方位或位置，进而影响地形重建结果的
地形图，为航道测绘提供技术支撑。
质量，因此对多波束测深仪的姿态校正是提高其性
能的重要方面。
许多学者对多波束测深仪姿态校正的方法进
行了研究。赵建虎等 [7] 从动态吃水模型分析了姿
态产生的因素，并给出了姿态对 3 个方向上测量误
差的影响表达式。阳凡林等 [8] 分析了姿态对水深 ႃߕଌஆฉౌ
测量的影响，利用横摇和横摇变化率的线性关系分 ԧ࠱ฉౌ ᓈᤜவՔ
解横摇姿态误差中的时延因素和尺度因素，并据此
进行校正。王发省等 [9] 分析了全球导航卫星系统
(Global navigation satellite system, GNSS)天线基 ۇᄰᓈᤜவՔ
线长度对姿态误差的影响，给出了多波束姿态误差
和 GNSS 定位误差之间的关系，验证了动态参考站 ฉౌᑮӿ
差分 (Moving base station difference, MBD) 测姿 图 1 多波束测深仪波束示意图
结果可获得 0.1° 的姿态估计精度。Kiesel [10] 、陈若 Fig. 1 Beam diagram of multibeam echo sounder
婷等 [11] 先后提出了将发射阵设计为面阵，利用实
时姿态数据反馈控制发射阵和接收阵的波束方向， 1.2 姿态类别及其对测深仪的影响概况
使声呐在有姿态误差的情况下，发射和接收的主瓣 在利用多波束测深仪进行地形测绘的过程中，
始终朝向正下方的技术来解决姿态误差问题。 姿态校正是一个重要环节。这里主要有两方面因素：
对当前多波束姿态校正文献的分析可以看出， (1) 多波束测深仪安装在船舶等平台上时，通
当前多波束姿态校正的方法主要有两类：(1) 利用 常要在船舶中心线上安装姿态测量设备，典型的如
高精度姿态测量设备测量多波束实时姿态，并利用 光纤惯导，受到安装平台经常变动的影响，惯导的基
其对多波束的测深数据进行姿态补偿；(2) 设计相控 准坐标系和测深仪的基准坐标系并不是平行的，因
