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单波束测深仪原理
7 t, d5 n5 K1 n) v 今天来给大家科普一下可能是海洋测绘用的最多的仪器,单波束测深仪。
, ]/ p& h" T; [ 测深原理' _ f. _+ e. X0 y3 d3 n
和其他水下测量设备一样,单波束测深仪的原理也是通过声呐进行测深。 但是声波是扇形的,能量过于分散,我们测深需要的是水下一个点的数据,所以需要把声波的能量集中发射,最好是一条直线,就是下面这个样子。 6 p; @* D6 F, x
所以就用到了波束干涉原理,通过调整不同阵列单元信号之间的参数,使得某些角度的信号增强,而另一些角度的信号相互抵消,这样就形成了我们需要的波束。
9 x% S. s7 n" m 当然这些具体的是稍微有点复杂的,详细了解的同学可以看看阵列信号处理相关的资料来学习一下。 ; A, Q* C& `3 `4 i, S' y4 J) j6 F" y, `
当然这个波束不能无限缩小到一个直线,始终是一个扇形且具有一定开角的波束,这个角就是波束角,理论上角度越小,测深仪精度越高。 因为波束打到水底是一个圆斑(有些人也叫做脚印),通过这个圆斑内有限面积的回波来计算这个圆斑的水深。 售价在3-4万元的国产主流单波束测深仪,波束角多为5°-7°。在20米的水深范围下,波束角为7°,圆斑的直径约为2.5米;波束角为5°,圆斑的直径约为1.7米。 % C2 r) F; [+ d' j' Z
通过上述原理我们就可以得到一个水深点(大致)的深度,如果再在这个测深仪上门接一个RTK来获取GNSS数据,那么就可以得到水下的三维坐标。 0 f' X; x; K8 C3 l
测深优势! t: u" h ~4 Q- J
相对于在船上通过RTK戳到水下的传统测量方式,测深仪在精度上有绝对优势吗?
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我觉得并不见得,由于声速在水中受到温度盐度和压力的影响,不同水深的声速也不一致,当然考虑到声音在水中一般1500米/秒的速度。在内陆50米以内的水深中基本可以忽略不计。
4 K* d& \5 |& M$ `$ W1 o 在入海口和死水深的水域(矿坑)误差就会有点大,需要用声速剖面仪器来修正数据,当然这种地方正常人也只能用测深仪来测。
/ Q' s2 P4 W+ }- s7 G b 当然测深仪最颠覆的一点是效率,在水下开机就开工作采集数据,在船上或平台上沿着一条直线移动时,它会连续地发射和接收声波,从而得到一系列的水深数据点。这些数据点组成了一条测线。
7 X7 c) ]2 n1 W& w2 [% u6 |( N 理论上,船开得多快,测量的速度就有多快。
$ Q. J9 Y4 b2 x% O0 n 主流厂家
# H5 K/ P2 N, H0 c 国内做测深仪这种海洋装备的厂家比较多。除了传统测绘仪器厂家南方测绘、华测导航、中海达以外,还有专耕海洋测绘市场的海卓同创、无锡海鹰、星天海洋等。不过除海鹰外,其他两家好像都看不上单波束这点市场,而专注做高端的多波束设备。 4 k/ |0 A) m4 X! U
性能上,国产单波束只能说可以满足绝大部分需求,测量范围多在500米以内,很少有超过千米的,而且测浅水(1米以下)时感觉效果一般。而海洋测绘装备厂家中的“老大”Kongsberg,其产品测深范围可达到3000米。 5 A6 c' s/ l2 E+ M! a

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测深数据
! U1 V! ~$ s/ U; z 现在各家测深仪后处理基本都是一套流程,由于测深数据是一条条测线,各家通过自己算法过滤掉大部分假水深。 4 L& K: F. _8 R( g' u3 V7 r7 U- I
然后手动将部分算法未过滤掉的假水深修正到正确的水深线上,然后通过间距采点来导出水底高程点数据。 * b5 {& `2 o% d
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最后导出数据如下。 # ?* k! F+ Q& E0 d6 }4 [! I
(作者:陈哲宇 单位:广州中海达卫星导航技术股份有限公司) ↓↓ 了解更多产业要闻↓↓
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