第 36 卷第 1 期
哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报
Vol.36 №.1
2015 年 1 月
Journal of Harbin Engineering University
Jan. 2015
顾及姿态角的多波束声线精确跟踪方法
何林帮
1
，赵建虎
1
，张红梅
2
，王晓
1
，严俊
1
（1. 武汉大学 测绘学院，湖北 武汉 430079；2.武汉大学 动力与机械学院自动化系，湖北 武汉 430072）
摘 要：传统声线跟踪方法中波束初始入射角的计算采用理想状态下多波束提供的波束分配角，未顾及或未完全顾及船
体姿态角的影响进而导致波束海底投射点归位计算带入显著性误差问题。 针对此问提出了一种顾及姿态角影响的声线
精确跟踪方法，该方法通过研究船体姿态影响下的多波束换能器状态，给出了波束声线实际传播面，并推导出了传播面
内波束声线的实际初始入射角，结合声速剖面，最终根据常梯度声线跟踪得到了准确的测深点三维坐标。 通过实验比较
传统声线跟踪方法和精确声线跟踪方法计算波束在海底投射点的坐标精度，验证了精确声线跟踪方法克服了传统声线
跟踪的不足，显著地提高了多波束测深的精度。
关键词：多波束测深系统；波束脚印；初始入射角；姿态角；常梯度声线跟踪
doi：10.3969／ j.issn.1006⁃7043.201310060
网络出版地址：http： ／ ／ www.cnki.net ／ kcms ／ doi ／ 10.3969 ／ j.issn.1006⁃7043.201310060.html
中图分类号：P229 文献标志码：A 文章编号：1006⁃7043（2015）01⁃0046⁃05
A precise multibeam sound ray tracking method
taking into account the attitude angle
HE Linbang
1
，ZHAO Jianhu
1
，ZHANG Hongmei
2
，WANG Xiao
1
，YAN Jun
1
（1. School of Geodesy and Geomatics，Wuhan University， Wuhan 430079，China； 2.School of Power and Mechanical Engineering，
Wuhan University， Wuhan 430072， China ）
Abstract：The assigned beam initial incident angle provided by MBS（multibeam bathymetry system） is adopted by
the traditional sound ray tracking method regarding the vessel in the horizontal status， which ignores or does not
consider completely the impacts of vessel attitude angles， and lead obvious error to the determination of beam foot⁃
print position.Aiming at the problem. In order to reduce this kind of significant error， an accurate method for sound
ray tracking， which considers vessel attitude angles are put forward in this paper. In the proposed method， the actu⁃
al propagation profile is given by means of studying the actual status of MBS transducer impacted by vessel attitude
and the actual initial incidence angle of MBS beam is derived by the calculation model. By integrating the sound ve⁃
locity profile， the accurate positioning of beam footprint on seabed is achieved by constant⁃gradient sound ray track⁃
ing method. By comparing the beam footprint coordinate precision calculated by traditional sound ray tracking meth⁃
od and the precise method of sound ray tracking in experiment， a conclusion can be drawn that the precise method
of sound ray tracking can overcome the deficiency of the traditional sound ray tracking. This improves significantly
the precision for multi⁃beam bathymetry
Keywords：multibeam bathymetric system （MBS）； beam footprint； initial incident angle of beam； attitude angle；
constant⁃gradient sound ray tracking
收稿日期：2013⁃10⁃21. 网络出版时间：2014⁃11⁃07.
基金项目：国家自然科学基金资助项目（41176068，0976061，40776048，
41376109）.
作者简介：何林帮（1981⁃），男，博士研究生；
赵建虎（1970⁃）， 男，教授，博士生导师.
通信作者：何林帮，E⁃mail：whuhlb＠ 163.com.
随着海洋资源开发的不断推进，海底勘探作为海
洋资源开发的基础性工作，且测深工作在海底油气和
矿产资源开发、海底电缆铺设、河道清淤、工程建设方
案选取等工程应用方面发挥着重要的作用，测深精度
也直接影响着工程应用的效果。 在多波束测深中，每
个波束在海底投射点的坐标均基于一定的声线跟踪模
型获得的，声线跟踪精度直接影响着多波束的测深精
度
［1］
。 实际数据处理发现，声线跟踪常会带来一些测
深假象，并导致海底地形异常
［2］
。 根据声线跟踪原理，
影响声线跟踪精度的主要因素有声速剖面误差、波束
初始入射角误差和声线跟踪模型误差。 声速剖面误差
是影响测深精度的第一误差源，包括声速测量误差和
声速代表性误差，可以借助高精度声速剖面仪和施测
一定密度的声速剖面来消除
［3⁃4］
；基于层内常梯度的声
线跟踪方法，由于假设与实际一致，具有较高的声线跟
踪精度
［4］
。 实际应用中发现，消除了上述 2 个因素影
响后，测深结果仍不理想，尤其是在深水区多波束测量
中
［3⁃5］
。 分析认为，主要由于目前声线跟踪方法中的波
束初始入射角计算未顾及或未完全顾及船姿 因素所
致。 目前，声线跟踪中波束初始入射角的获取有 2 种
方式：1）直接来自换能器提供的各波束分配角
［4］
；2）
仅顾及了横摇角，即波束初始入射角为波束分配角与
横摇角之和
［3］
。 以上 2 种初始入射角获取方法均基于
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