海洋测绘中的测深技术发展分析 - 海底地质样本采集装备

邢雷 · 发表于地质类 4 天前

随着我国各个行业领域的发展和进步，人们对水上和水下的测量工作需求越来越高，不仅包含内河和水库，还包含海域的一些海洋测绘工作，都已经成为国家战略层面的任务。测深技术是海洋测绘中必不可少的应用技术，其主要应用于水下地形测量任务，目前应用较多的有多波束测深技术、激光测深技术和侧扫声呐技术等，其中不同的测深技术，其基本原理和应用特点有所不同。本文将结合当前海洋测绘应用的测深技术进展，分析不同测深技术的特点和精度改善策略，为海洋测绘工作的开展提供一定的选择参照，从而有效提高海洋测绘工作的测量精度。

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海洋测绘及测深技术的发展策略

Science & Technology

1.1 海洋测绘概念

海洋测绘是指以海洋水体或者海底为研究对象展开的测量、海洋图纸编纂等一系列的工作，该工作涉及很多学科的专业知识，是一门综合性较强的学科，也是测绘学科中的重要部分。目前，海洋测绘的方法有路线测量和面积测量2种，其中路线测量也叫剖面测量，主要应用于海洋区域的地质构造、地球物理场等方面特征的测量工作中;面积测量则是根据设计图比例尺制定一定距离的测线网以达到测量目的。海洋测绘与陆地测绘不同，海洋底部上方覆盖着一层水体，水体中富含各种生物和无机物，这使得海洋测绘具有陆地测绘所不具备的特点：第一，海洋测绘大多是在海面航行或者飞行过程中开展，水下测绘工作的实施难度较大;第二，海洋测绘的测量内容包含有礁石、海底地貌及沉船等，虽然比陆地测绘的地貌简单得多，但其难度比陆地测绘更大。

在地球上，海洋占其面积的70%，陆地仅占30%，因此海洋测绘一直是测绘学的重点研究内容。如果没有海洋测绘，则测绘学科体系的内容是缺失的，而且海洋测绘中毗邻的陆地和海洋均面积占比相当。在海洋资料库中，海洋测绘能够帮助完善海底概况的描述，有利于帮助人们了解海洋的性质、地貌和变化。在各个行业领域中，关于海洋的研究项目都需要在了解海洋地貌的情况下，进行海洋的施工开采，所以海洋测绘是加强对海洋认知的重要环节。除此之外，海洋测绘对国防建设也具有一定的促进作用。海洋测绘能够帮助国家了解海洋和海况地貌，而现在我国对海洋建设越来越重视，这都需要海洋测绘的帮助，才能为海洋探索提供充分的参考资料。

1.2 测深技术未来发展策略

●提高海洋测绘中的测量精度

在地面测量工作中，最早应用的是GPS定位系统，其测量准确性较高，但在海洋测绘应用中受海洋深度基准面不稳定的影响，测量过程十分复杂，而且测量精度一直难以提高。为此，需要进一步优化海洋测绘技术，以提高测量精度。例如在地面测量中应用的垂直基准测量，可以在水深测量中使用，以期能够提高测量数值的测量精度。

●优化测深技术

近年来，海洋测绘在我国得到了快速的发展，但与陆地测绘相比，海洋测绘的起步比较晚，在技术应用方面存在着一定的不成熟。现阶段，我国海洋测绘中最常用的测深技术为多波束测量技术，其虽能够有效提高测量结果的精准度，但其在具体应用中存在一定的缺陷，导致其适用范围十分有限，需要不断提高该技术在深海领域的测量精度，保证其实际应用效果。

●加快网络信息服务在海洋测绘中的建设

海洋测绘所得到的测量信息在海洋相关产业、科研等方面都具有很大的用处，所以要建立局域范围内的信息共享，这需要在海洋测绘中构建网络信息服务，通过各级海事部门之间的信息交流，从而实现海洋测绘的社会化应用。在海事测绘公共服务信息站中，应用信息技术来构建信息服务系统，使海洋测绘信息的共享服务能够进一步加强。

02

海洋测绘中的测深技术

Science & Technology

2.1 多波束测深技术

●原理

多波束测深系统是一种效率较高的测绘设备，由一种大型的组合设备完成，其除了多波束测深声呐本身系统之外，还包含着船姿传感器、定位、声速剖面仪、罗经、数据采集工作站及绘图仪等设备。

多波束测深系统是由多个子系统组成的综合系统，一般由声学子系统、数据采集子系统、数据处理子系统和外围辅助设备4部分组成。其中，以换能器为核心的声学子系统主要负责波束的发射和接收;数据采集子系统完成波束的形成，将接收到的声波信号转换为数字信号，记录声波往返换能器面和海底的时间;外围设备主要包括定位传感器、姿态传感器和声速剖面仪和电罗经，其主要功能是实现测量船瞬时位置、姿态和航向的测定及海水中声速传播特性的测定;以工作站为核心的数据处理子系统，主要负责声波信号、定位、船姿、声速剖面和潮位等观测位信息的综合处理，最终完成测点波束脚印坐标和深度值的计算。与传统的单波束测深系统相比，多波束测深系统的原理本质上并无区别，但多波束测深系统的换能器由多个换能器单元构成，工作过程中可以发射或接受多个波束，从而对海底进行条带式测量。在多波束测深系统使用过程中，首先是利用安装在船龙骨方向的长发射阵向海底发射超宽声波束，声波束一般垂直于船龙骨方向，然后利用船底安装的接收阵，其与发射阵垂直，发射波束与接收阵经适当处理后形成许多预成接收波束，在这样一个完整的发射—接收波束的过程中，在船只正下方形成波束测点构成的测深剖面。这种振幅检测法虽然具有一定的效果，但当多波束的指向角较大时，反射波的信号会在背景噪声中显得比较微弱，很难保证检测结果，故多波束测深系统还有一种检测方法———相位检测法。相位检测法是根据相干原理来检测的，换能器的2个给定接收单元之间存在相位差，通过比较其相位差来检测波束的到达角，从而得到检测数据。

●发展趋势

根据当前多波束测深技术的应用现状，其未来的发展趋势主要体现在以下几个方面。首先，在声速及声线跟踪上，可以结合现在很多声速经验模型，为波束脚印归位计算精度提供一定的理论依据。但是在特定情况下，由于多波束测深系统应用范围比较广，而且海域影响因素较多，导致不同声速经验模型的应用存在一定的差异。因此，未来多波束测深技术的发展要注意选择一种合适的声速经验模型。

其次，在多波束辅助参数的测定和滤波上，要对声速改正技术、导航定位技术、换能器吃水改正技术及潮汐改正技术等进行研究，使多波束测深技术的数据处理能够更好地满足海洋测绘工作需求;而对于深度数据滤波，则需要加强对测深异常数据的研究，通过一定的数据编辑，剔除测量数据中受参数设置、海况及白噪声等因素影响出现的假信号，以便于更好地保证测量成果的可靠性。再次，在图像处理上，要加强对多波束声呐图像处理方法的研究，由于多波束测深系统在图像形成机理、环境噪声等方面存在着一定的差异，所以要针对多波束测深系统的图像形成机理选择最优的图像处理方法。

最后，将多波束测深技术与其他测深技术融合，例如侧扫声呐技术，其能够全覆盖式的测量海底地形地貌，更加形象地反映出海底地质组成。而多波束测深系统能够获得海信位置的高密度高深度信息及图像信息，二者结合能够对海底地质地形及位置信息进行更加精确的量化分析。

2.2 机载激光测深技术

●原理

机载激光测深技术是集激光、定位等系统为一体的一种主动测深技术，应用于水下地貌的测量，原理是以航空平台为载体，通过定向发射和接收声波、采用传感器计算回波的信号空间位置来获得水深数据。激光测深的原理与双频回声测深(双频单波束测深)原理相似，从飞机上向海面发射2种波段的激光，一种为红光，波长为1064nm;另一种为绿光，波长为523nm。红光被海水反射，绿光则透射到海水里，到达海底后被反射回来。这样，2束光被接收的时间差等于激光从海面到海底传播时间的2倍，由此可算得海面到海底的深度。

激光测深的公式为Z=G×△T/2n，式中：G为光速;n为海水折射率;△T为所接收红外光与绿光的时间差。

该测深系统是由多波束测深技术发展而来的，能够对回波信号进行处理，机载激光测深技术具有测量效率高、覆盖面广和响应速度快等优势，其缺点是限制条件多，激光束在海水中以指数衰减，最大穿透能力与激光发射能量、海水透明度、海底反射率和背景光噪声密切相关，目前典型商用设备测深能力在一类水质底反射条大于15%条件下可达50m。此外，激光测深不能保证能够有效探测1m3的水下小目标。因此机载激光测深仅适用于水陆交界地区海水透明度较高的浅水水域。综上所述，机载激光测深作为水陆交界地区的主动式、非接触及水陆一体化测绘技术，可与传统船载多波束测深、侧扫声呐测量等技术手段相互配合，更高效地完成海岸带测绘任务。

●发展趋势

由于机载激光测深技术能够实现船舶、浅海及暗礁无法达到的水深测量，使其在海洋测绘中具有很大的应用前景。目前，全球仅有6套正在运行的测深激光雷达，但其已经绘制了大量的内陆水域及沿海的地图。因此，机载激光测深技术在海域碍航物体探测及海图制作上具有很大的应用价值。在机载激光测深技术的具体应用中，可以采用高速数字化仪来采集水中的激光回波信号，根据采集的波形样本来对海底、水表的时间位置做出相应的判断，根据二者的时间差来得到水深数据。由此可见，水中斜距的计算也是根据海底到海面的时间差来得到的，实际算法能够直接影响到水中斜距的测量误差。一般情况下，如果飞行时间间隔为△t，则需要确定海底和海表中的峰值点，然后确定海表的时间，以保证测量精度。海表波形通常具有最小的上升时间，故其测量精度比较高，而对于海底回波脉冲宽度，其测量精度则需要根据激光脉冲在水中开展情况来决定。

对于激光脉冲来说，接收视场角、海水参数及扫描天顶角都与展宽存在着很大的关联。根据相关测量实践发现，如果扫描天顶角在15°~20°，且散射深度低于6m的情况下，传播过程中会出现5cm内的深度偏差，而相关测量人员了解这些情况之后，可以对这些偏差进行相应的纠正。此外，如果海水折射率估计存在偏差，也会影响海洋测绘的测量精度。因此，要对海面波高的斜率谱分布进行详细合理分析，例如，海面风速为10~12m/s的时候，技术人员如果没有进行相应的波浪校准，测量深度就会受海浪斜率的影响而发生误差，通常深度误差为水深的1%~2%。而如果技术人员纠正海浪影响之后，测量深度存在的误差就会大大降低，甚至可以忽略不计，这能够有效提高激光测深精度。

2.3 侧扫声呐技术

●原理

侧扫声呐技术主要是利用回声测深原理来探测水下物体及海底地貌的。侧扫声呐仪也被称为海底地貌仪，工作频率通常从几十千赫兹到几百千赫兹，在海洋测绘中，其有效范围主要是在300~600m。在近程的海洋测绘中，侧扫声呐技术的分辨率较高，而如果探测深海地质的情况下，侧扫声呐仪器则需要达到几千赫兹，使其探测距离达到20km。在侧扫声呐技术中，一般在船壳或者拖拽体内放置换能器，换能器在航行过程中发射扇形的声脉冲，利用声波变化及声学结构，能够了解海面、水体及海底的介质性质，从而获取海洋测绘数据。目前，侧扫声呐仪主要是由水下声波发射器、接收换能器、拖拽电缆、数据的显示单元、记录单元及传输单元等结构组成，在海洋测绘中具有以下3点优势：第一，侧扫声呐技术能够根据海底回波强度信息，分析海底介质的组成情况;第二，侧扫声呐技术的横向分辨率较高，其能够获取清晰的二维海底地貌图;第三，侧扫声呐设备安装比较简单，成本较低，使用便捷。与此同时，侧扫声呐技术也具有一定的不足之处，其无法获取直观形象的三维地形图，而且海底深度测量的精度也有待提高。

●发展趋势

侧扫声呐技术存在的误差主要来源于声速误差、幅相误差、定位误差及姿态内误差这些方面，其能够直接影响到测深结果的准确度，因此在侧扫声呐技术未来的发展中，要注意对这些误差源进行校准，以提高其测量精度。

首先，要将换能器存在的幅相误差准确标出，并分析深度传感器、定位系统及姿态传感器对换能器阵的位置数据和安装角度。

其次，根据示波器及相应的处理措施，客观地判断声呐频率的参数是否与原本预想的一致。

最后，对定位数据信息进行静态采集，以获得准确的定位精度。在以上基础上，相关技术人员可以在试验海域内使用侧扫声呐技术，测量海面表面的声速和声速剖面，并得到多组校准参数所需要的测线数据，例如存在显著坡度区域海面的2条重合反向测线，该测线能够应用于俯仰(pitch)偏差的校准操作;或者获取平坦区域平行于轨迹的S形测线，其能够应用于横摇(roll)偏差的校准操作;或者标志物区域、突出孤立区域的平行反向测线，能够应用于航向效应误差(headingeffecter-ror)的校准操作;还有平台区域的十字测线，其能够应用于幅相误差的校准操作。

为了避免各种参数误差之间互相产生作用，侧扫声呐技术应用中需要根据循环校准策略来校准偏差，保证各项参数的校准量保持在某一个合理的值之后，再根据校准量来修正其他相关参数项目，才能得到准确性高的测深结果。此外，侧扫声呐技术还可以在海洋测绘工作中与其他测深技术相结合，共同应用于海洋探测工作中，从而充分发挥出不同测深技术的优势。

综上所述，目前海洋测绘中使用的水域地形测量方法大多是通过水上光学成像来完成的，常见的有多波束测深技术、机载激光测深技术等，其均能够对海洋水体及水下地形形貌进行相应的测量，而这些测深技术会受波浪潮汐、大气环境等水体条件变化的影响，导致测深结果的精确度降低。针对此情况，海洋测绘工作中要选择合适的测深技术，或者融合多种测深技术，例如多波束测深技术与侧扫声呐技术融合使用，降低各种外在因素的干扰，以提高测深技术的应用效果和测量精度，从而优化海洋测绘效果，使其能够为海洋资源开发利用提供有价值的资料，进而推动国家主权和安全发展利益的维护。

信息来源：《科技创新与应用》2022年34期《科技创新与应用》2022年34期；数智海洋编排

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