经验交流▏多波束测深系统在现代海洋测绘中的应用研究 - 海洋测绘中,测深仪测量水深基于什么原理

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由于海洋有其流速多变、水位影响因素较多、海底地形复杂、各种情况相互交叉影响等特点，使得海洋测绘面临较为复杂的情况。在现代海洋应急的情况下，快速、准确确定事故的位置和状态，对及时正确地作出应急反馈尤为重要。

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现代海洋测绘的准确与否，直接关系着海洋紧急情况应急措施实施是否顺利进行。随着测量技术的飞速发展和新设备的陆续运用，海洋测绘方法也发生了较大变化。现今，多波束系统在海洋测绘中得以广泛应用，并在海洋紧急情况应急措施实施中发挥重要作用。本文结合多波束测深系统在海洋测绘中的运用实例，浅谈多波束测深系统在海洋测绘中发挥的作用。

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一、多波束测深系统技术原理  

多波束测深系统的工作原理是利用发射换能器阵列向海底发射宽扇区覆盖的声波，利用接收换能器阵列对声波进行窄波束接收，通过发射、接收扇区指向的正交性形成对海底地形的照射脚印，对这些脚印进行恰当的处理，一次探测就能给出与航向垂直的垂面内上百个甚至更多的海底被测点的水深值，从而能够精确、快速地测出沿航线一定宽度内水下目标的大小、形状和高低变化，比较可靠地描绘出海底地形的三维特征。多波束测深系统海洋测绘如图1所示。

图1 多波束测深系统海洋测绘示意图

二、多波束测试概况  

2018年6月，应该单位的邀请，海卓MS400浅水多波束测深仪制造商对海上游航道的适用性进行了现场演示测试。多波束探测系统的工作原理是利用水下声纳单元发射和接收脉冲声波。声波被河床或水下物体反射，有些被探头接收。水深可以从声波在水中传播的时间和声速来计算。该系统由高分辨率声纳系统，声速探测器，水下声纳传感器和完整的数据采集软件包PDS2000组成。

400kHz声纳传感器可同时采集512个水深信号；最大发射开口角度为165°；ping速率为50Hz（±1Hz）。因此，它对水下地形的测量是在一个完整的覆盖范围内进行的，它测量的水下地形是一个面。多波束探测系统由四部分组成：基本系统，辅助设备，数据实时采集和处理系统PDS200 以及数据后处理软件包。针对某海洋上游航道的束测深仪制造商对海上游航道的适用性进行了现场演示测试。多波束探测系统的工作原理是利用水下声纳单元发射和接收脉冲声波。声波被河床或水下物体反射，有些被探头接收。水深可以从声波在水中传播的时间和声速来计算。该系统由高分辨率声纳系统，声速探测器，水下声纳传感器和完整的数据采集软件包PDS2000组成。

400kHz声纳传感器可同时采集512个水深信号；最大发射开口角度为165°；ping 速率为50Hz（±1Hz）。因此，它对水下地形的测量是在一个完整的覆盖范围内进行的，它测量的水下地形是一个面。多波束探测系统由四部分组成：基本系统，辅助设备，数据实时采集和处理系统PDS200以及数据后处理软件包。针对某海洋上游航道的特殊性和运行要求，结合多波束探测的性能和特点，论证主要集中在以下三个方面：

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⑴任意角度倾斜测量——采用倾斜测量的方式对水下浅滩或建筑物进行测量，重点测试多波束的任意角度倾斜测量功能的可靠性和测量效果的一致性。

⑵航道水深测量——针对某海洋航道日常测量作业要求，考察多波束的测深功能和侧扫功能，重点测试多波束免安装校准、数据拼接和测量效果。多波束测深系统数据采集如图2所示。

图2 多波束测深系统数据采集

⑶航道障碍物扫测——对水下沉船或其他碍航物进行扫测，重点考察多波束的水下目标物的探测功能及分辨率。

三、测量实施  

⒈系统组成

本次测量采用了海卓MS400浅水型多波束测深系统，与其他多波束测深相比，其最大的特点是采用了一体化设计，水下声纳换能器集成了光纤罗经姿态传感器、表面声速仪，水上处理单元集成了GNSS定位系统，使得整个系统仅有换能器电缆、GNSS天线馈线、网络数据线和电源线等四条连线，使设备的连接使用大大简化。多波束测深系统全覆盖工作原理如图3所示。

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图3 多波束测深系统全覆盖工作原理

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⒉倾斜测量

崖壁地形、水下建筑物等原有测量盲区安全测量利用海卓MS400的任意角度倾斜安装功能，在不进行任何安装校准的情况下，能够有效对水下崖壁进行远距离测量。在倾斜测量过程中，可以使测量船远离水下礁石、建筑物等，从而有效保障测量安全。

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⒊沉船扫测

海卓MS400地形测量具有高分辨、高精度和高精细度的特点，可以对沉船在水底位置、形态进行精细测量。依次为沉船的平面彩图、三维模型图和三维点云图，从多个角度分别给出了沉船的位置、沉船的三维形态分布。海卓MS400采集软件中，可以对沉船的大小、高度等信息进行准确测量，为后续的沉船清理工作提供数据支撑。

⒋礁石扫测

通过三维地形图，可以清晰的分辨水底的礁石等其他目标物。航道边坡附近的大块礁石和边缘的小尺寸礁石的分布、大小等特征信息都可以清晰的显示。除利用测深功能获得的水下地形外，还可以根据海卓MS400侧扫成像功能输出的侧扫图像判别水底目标。

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⒌水下目标物扫测小结

海卓MS400多波束测深系统可以对航道和边坡进行精细化的地形测量和清晰的侧扫图像测量功能。通过以上功能，可以对水下沉船、礁石等碍航物进行扫测，也可以对丁坝等水下建筑物的损毁情况进行精细的调查；水下目标物扫测功能为碍航物的清理、水下建筑物的维护决策提供准确的数据支撑。

⒍测量数据融合

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由于海卓MS400多波束系统内置高精度光纤惯导且具备免安装校准功能，有效保证不同模式下的测量数据实现高吻合度拼接，使得倾斜安装测量的航道两岸边坡数据和水平安装测量的航道数据，可以进行无缝数据融合。

四、测试结论  

通过此次针对海卓MS400的三个主要测试项目的过程和测量成果的分析，可以得出如下结论：

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⑴利用倾斜安装测量方式能够解决传统多波束测量盲区的问题。针对某海洋航道，传统多波束测量的盲区主要集中在对崖壁地形、水下建筑物、浅滩、边坡和浅水航道的低效测量。

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⑵完全免安装校准功能能够有效减轻多波束测量的工作量。通过倾斜测量和常规模式测量结果的数据处理和拼接可以证明，采用一体化设计的海卓MS400多波束测深系统在免安装校准情况下的测量结果能够达到某海洋航道水下测量的要求。

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⑶地形和地貌同时测量能够有效提高各种水下目标物的检测和判断。通过测试过程可以证明，利用多波束进行水下地形测量以及水下目标物探测的过程中，将侧扫图像与三维点云图像相结合能够对水下沉船、礁石等碍航物进行扫测，对各类水下建筑物的损毁情况进行精细的调查。

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【作者简介】文/纪君平，1983年出生，男，本科，广州南方测绘科技股份有限公司，工程师，研究方向为海洋测绘；文章来自《科技创新与应用》（2019年第19期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台整理。

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