1.载体姿态

在动态测量过程中，测量载体在风浪和相关动力因素作用下发生摇摆变化，具体分解为横摇、纵摇、艏摇以及垂向起伏过程。在这些因素和过程影响下，某一时刻的载体所处摇荡角度和沉浮量值统称为载体姿态。姿态由三个自由度的转动信息和垂向沉浮的平动信息所描述，在一定程度上影响海底地形测量结果。

第2章已给出载体当地（站心）空间直角坐标系与载体固联（空间直角）坐标系的关系。利用载体姿态要素可实现载体固联坐标系到站心直角坐标系的变换，并进一步可将所测海底地形点坐标转换归算至相关的大地坐标系。

2.换能器升沉（吃水）影响

换能器的吃水误差包括静态吃水误差和动态吃水误差。静态吃水是载体在基本静止状态下，换能器与水面之间的垂直距离，可在静止状态下较准确量测。当然，随着载体油水消耗以及其他压舱质量的变化，静态吃水一般呈现出规律性的变化。动态吃水则是由于测量载体的运动，使得换能器与水面的距离在静态吃水的基础上产生的附加变化，且随测量过程中的载体走航速度而变化，并与测量载体的吨位有关。

对于较小吨位的测量载体，通常的情况是，随着航速的提高，伴随着船尾下沉，而为了避免螺旋桨产生的气泡和其他噪声影响，也为了姿态影响的精确归算，换能器通常安装在载体纵轴方向的中部，因此一般造成动态吃水变浅。此外，波浪特别是涌浪是影响水深测量的主要海况条件，这种高频的海面动态变化使得在潮汐等低频影响的海面变化基础上，测量载体产生垂向的振动，特别是对小吨位测量载体，将随涌浪而起伏。海浪和风等因素的联合影响致使测量载体产生纵摇和横摇等载体变化，在起伏的基础上进一步产生换能器的诱导升沉（图5-8），影响换能器吃水的稳定性。综上所述，换能器的动态吃水是各种因素影响下的综合吃水变化。

图5-8　姿态（摇荡）引起的换能器诱导升沉示意图

诱导升沉的量值为：

式中，x、y、z分别为换能器在载体固联坐标系（原点位于载体浮心）中的坐标；ωP、ωR分别为纵摇、横摇角。为区分坐标表示，在此，将诱导升沉量记为ΔhPR，而且为时间变化量。

载体在动态测量过程中的整体沉浮以Δhheave表示，同样为时间变量，可用涌浪姿态传感器监测，将静态吃水表示为Δh0，则综合升沉量为：

在某一具体时刻，诱导升沉和整体沉浮为可监测的系统性误差影响，而因为波浪及其影响下的载体状态在一定时间长度内具有随机性，在传统单波束水深测量中，通常不做监测，而是对断面测深曲线进行滤波处理，如图5-9所示。当然，这种滤波需要依据一定的经验判定。

图5-9　观测结果的升沉（动态吃水）滤波处理示意图

3.载体无摇时的波束角效应影响

从几何意义上的基本原理论述中，假定了声波的直线传播形态，事实上，单波束测深仪均设计有一定宽度的波束角。因此，一次声波收发过程中，对载体所在点的海底地形（水深）测量以图5-10的方式（以圆锥形波束为例）实现。

一定宽度的波束角虽然限制了水底地形探测的分辨率，却保证了在载体姿态变化的情况下，有效接收和检测回波，保证水下地形的探测效率。

主瓣波束角对水底的覆盖范围（投影在水平面的面积），对于矩形换能器，为z2ΘWL·ΘWD的矩形区域，而对于圆形换能器，为πz2 tan2ΘWπD2tan2ΘW的圆形区域。声波在到达水底后，经反射被接收换能器接收，因此，每一覆盖范围对应一个水深值。该覆盖范围反映了对水底地形探测的分辨率，而测定的水深实际为换能器与水底之间的最短距离。

通常情况下，海底存在一定的坡度。倾角的影响随半波束角与倾角的关系而不同，以下设海底地形的倾斜角为ζ进行讨论。

图5-10　波束对水底的覆盖区域

当时，如图5-11（a）所示，测定的深度值为最短距离zm，垂直于海底面，载体下方的真实水深记为zN，海底倾斜引起的水平位置差异及深度误差分别为x和Δz，可导出如下关系式：

图5-11　海底倾斜对水深值及其位置的影响(www.daowen.com)

从而

式（5.19）表示了海底倾斜的深度归算量，而海底倾斜引起的深度相对真误差为：

当时，如图5-11（b）所示，水底坡面的垂线在波束角覆盖范围之外，最短回波来源于波束角的边缘。这种情况下海底倾斜引起的平面位置差异和深度改正量分别为：

而海底倾斜引起的深度相对真误差为：

波束角的影响将产生海底地形测量失真，失真程度随波束角、深度的增加而增大。图5-12反映了不同波束角测深仪对测深断面上海底地形探测的失真情况。

图5-12　不同波束宽度测深仪探测海底地形的失真情况对比

4.载体姿态与波束角的耦合影响

设载体在某一自由度的摇角为ω，在此以横摇情形为例，横摇角度记为ωR，姿态对测深的影响情况如图5-13所示。

图5-13　载体姿态的对测深影响示意图

海底平坦的情况下，在姿态角小于半波束角时，单波束测深仪测定的水深即为载体正下方的真实水深，因此不存在失真。

当姿态角大于波束角时，所测最短距离为斜距zm，为边缘波束的回波距离。回波水深点与换能器的平面位置差为：

而实际水深zN与测定深度值zm的关系为：

因此，水深改正量为：