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科普 | ​单波束测深仪原理 - 海洋测绘中,测深仪测量水深基于什么原理

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单波束测深仪原理

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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。

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测深原理

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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测深优势

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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。

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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。

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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。

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理论上,船开得多快,测量的速度就有多快。

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主流厂家

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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。

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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。

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测深数据

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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。

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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。

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最后导出数据如下。

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(作者:陈哲宇  单位:广州中海达卫星导航技术股份有限公司)

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欧克克
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