李煒：姿態對單波束測深作業的影響

在使用單波束進行水深測量時，很多情況下並沒有配備姿態儀，進行姿態修正，那麼這種作業方式是否合理呢？本文就分析下，姿態對單波束測量會產生哪些影響。

首先，我們需要了一項比較關鍵的技術參數指標---換能器波束角，根據無錫海鷹的HY1602型號的測深儀技術參數描述「換能器208kHz的波束角≤8°，24kHz，波束角≤22°」，那麼什麼是換能器的波束角呢？換能器波束角指的是發射能量衰減小於-3dB的發射帶夾角，如下圖所示是一個換能器的能量發射指向性直角坐標圖，從圖1中可以看出，換能器標稱波束角度外還是有能量發射出去的，只是能量比較少。

圖1 換能器指向性

由於單頻換能器的物理特性，雖然208kHz的換能器的波束開角一般在8°左右，但實際發射過程中，還存在很多旁瓣，也就是說在8°這個範圍的能量最強，其他範圍依然有能量較小的波束，見圖2。

圖2 換能器能量分布

測深儀的水底跟蹤，一般要同時滿足兩個條件：①第一個接收到的信號；②第一個較強能量的信號。從上圖可以看出，換能器正下方所要測的水底，到換能器的距離最短，而且能量最強，能同時滿足這兩個條件，因此，測得的水深正是換能器正下方的水深。

但實際情況是，在測量過程中，船會搖晃，換能器不是垂直向下，存在一定的偏角θ，如圖3所示，從理論上分析：

圖3 換能器傾斜

如果θ

如果θ>4°， 換能器正下方依然會有水底信號反射回來，信號可能是旁瓣波束反射的，信號強度比較弱，但換能器正下方水底反射的信號依然是最先接收到，這樣，就不完全滿足水底跟蹤的判別條件，測得的水深結果就有一定的不確定性，對測量的精度造成影響。

從以上分析可以看出，測量船的小幅度姿態搖晃，對測深的結果沒有影響，接下來再分析下姿態對平面定位的結果造成影響：

假設：①X方向的搖擺角度為α；②Y方向的搖擺角度為β；③GPS天線的定位平面坐標為P(x，y)；④GPS天線到換能器的距離為D。

那麼我們所要計算的測量點A點的平面坐標為:

Ax＝Px－dx，dx＝D×Sinα⑴

Ay＝Py－dy，dY＝D×Sinβ⑵

如前所述，由於測深儀的換能器搖擺角度αβdx＜0.14m，dY＜0.14m。由於通常使用的信標機的平面定位精度在亞米級範圍(＜0.5m)，因此，在這種情況下，姿態對測量結果的平面坐標造成的影響相對較小，但如果採用RTK定位，進行高精度水深測量情況下，最好配備姿態儀，進行姿態修正。

綜合上述，在安裝換能器時，儘可能保持垂直水平面方向，並固定好。在測量的過程中，船保持平穩，最好選擇風浪比較小的天氣去做測量，並選擇適合的抗風浪船隻進行測量，如果測量船搖擺角度較小（＜4°)，姿態對測深結果影響有限。

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