船舶 GPS 可以测量水深吗？

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人们如果想深入了解海洋、在海上开展科学实验，开发或保护海洋资源，都需要获得一个最基础的海洋信息——水深。地球上海洋的平均深度大约为3800米，其中最深处是太平洋马里亚纳海沟“挑战者深渊”，深度大约11000米。

那么，这11000米水深是如何测量出来的呢？

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有人问，用激光可以吗？陆地上我们就常用激光测量物体间的距离。

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抱歉，答案还是

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因为包括激光在内的电磁波在水中传播时衰减非常快，传播几百米就没能量了，所以肯定无法用于11000米深海域探测。

又有人问，用“尺子”怎么样？我把绳子绑上重物放入水中，等重物沉到底后，通过测量绳子的长度获得水深。

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绳子（测深垂线）测量（图/中科院声学所）

再次抱歉，这个方法看似直观，实则……效率又低，测量结果误差又大，而且只有特殊制作的绳子才能身负重物沉到11000米水深还不断裂，反正也是

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这也不可以那也不可以，到底怎么样才可以呢？

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这个测量海洋深度的问题，当然早就有人思考过，并确实有几种方法是可行的，不然咱们怎么知道的大海有多深呢~

一种方法是布放深度计（或压力计）到海底进行测量。

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不过这种方法布放回收过程需要很长时间，而且水深结果是根据压力和海水特性反演出来的，结果会有一定误差。因此，这种方法虽然空间分辨能力非常高，但探测效率（单位时间所探测的面积）非常低。

深度计测量（图/中科院声学所）

还有一种方法，是根据重力影响下不同深度的海平面高度不同这一特性，利用卫星遥感测量海平面高度进而反演水深的方法。

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这种方法的探测效率非常高，但是探测结果的空间分辨能力较低，无法得到精确的海底地形数据。

卫星遥感测量（图/中科院声学所）

第三种，就是目前最常用的声学方法。

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因为声波在水中传播时衰减远小于电磁波，频率越低衰减越小，所以通过合理选择频率，可实现11000米深海域探测。

一开始，科学家们使用的是单波束测深仪，它安装在船底，工作时向船的正下方发射一束声波信号，声波到达海底反射回来再由单波束测深仪接收。结合声波在水中传播速度、发射到接收所用传播时间，就可以计算出海底深度。

单波束测深仪可以快速有效地测量海洋深度，但一次测量只能获得一个位置的水深结果，效率还是比较低。

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单波束测深（图/中科院声学所）

为了进一步提高11000米海域的声学探测效率，满足不断提高的科研需求，科学家们搞出了一个叫“全海深多波束测深系统”的东西。

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全海深多波束测深（图/中科院声学所）

全海深多波束测深系统也是安装于船体，工作频率一般为12kHz，从外观上看是两条阵，第一条是发射阵，沿着船体龙骨方向安装，它发出的声波信号会形成一个“发射扇面”，“照射”到垂直船体龙骨方向的海底条带的各个位置。在“发射扇面”上，波束沿着龙骨方向张开的角度较小，为0.5至2度，当波束角度为1度时，发射阵的长度约为8米。

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第二条是接收阵，垂直于船体龙骨的方向安装，用于接收从海底反射和散射回来的声波信号。利用声学信号处理方法，接收阵可以只接收来自特定方向的声波信号，形成定向的“接收扇面”。在“接收扇面”上，角度为1至2度的多个窄波束垂直龙骨方向回收，当波束角度为2度时，接收阵的阵长约为4米。

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全海深多波束测深系统的发射阵列和接收阵列示意图（图/中科院声学所）

“接收扇面”与“发射扇面”相交方向“照射”到的海底就是被测区域，根据声波信号传播回来的方向与往返时间，可以计算出被测区域的水深和距离船体的水平位置。

船下方的浅色区域即被测区域（图/中科院声学所）

多波束测深系统的接收阵可以同时接收成百上千个特定方向上的回波，也就是说，一次测量就可以获得成百上千个位置的水深。

因此，全海深多波束测深是目前既高效又准确的11000米海域（包括深海海域）水深测量方法，其空间分辨能力显著高于卫星遥感测量方法。

通常情况下，船一边向前航行，一边测量水深，这样一次又一次的测量结果拼接起来，就能够得到一片区域的水深图，也就是海底地形图。

而在实际测量中，全海深多波束测深系统必须面临的难题是波束稳定技术。

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众所周知，大部分时间里海洋不会风平浪静。

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不光海面上波涛翻滚，有时看似平静的海面下也不平静

海水中的声速约为1500米/秒，探测11000米海域时，全海深多波束一次测量过程（从开始发射声波到接收完最远端返回的声波）需要几十秒，在这段时间里船的姿态始终随着风浪变化，此时声波的发射方向和回波接收方向可能都不再是预设的方向，得到的水深结果就会存在误差，拼接起来的水深图可能会发生扭曲。

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风浪导致船体姿态变化，测深的波束难以稳定（图/中科院声学所）

这时候就要放大招了！

通过预测船体的姿态，全海深多波束测深系统采取相应的补偿措施，无论船的姿态如何变化，最终发射和接收的声波都能稳定在预定的方向上，获得更加均匀的探测结果。

为了使声波条带尽可能与船航行方向垂直，发射时采用向不同方向分别发射多个声波扇面拼成整个声波条带的策略，此时各个扇面“照射”海底区域的中心的连线垂直于船行方向。

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波束稳定效果（图/中科院声学所）

此外，为更好地实现11000米海域水深探测，全海深多波束测量还采取多种消除误差和偏差的措施，包括选择合理的发射信号，进行姿态、位置、声速偏差修正以及多普勒效应修正等。

全海深多波束测深系统可实现波束实时稳定（图/中科院声学所）

多种测深手段的比较（图/中科院声学所）

在实现11000米深海域高效准确探测的同时，全海深多波束测深系统还具备最浅在20米深海域进行探测的能力，并利用声波探测海底地貌与水中目标，为深海海域探测提供更丰富的探测信息。

全海深多波束测深系统绘制的海底地形图（图/中科院声学所）

而且近期，以中科院声学所为核心的科研团队，经过十年的艰苦研制与技术攻关，成功研制出了我国首套具有自主知识产权的全海深多波束测深系统，并且已安装于科学考察船开展了6000多公里测线应用示范，使我国成为继挪威、德国和丹麦之后第四个研制出现代全海深多波束测深系统的国家！

良器在手，深海地图我有（图/中科院声学所）

作者：中国科学院声学研究所 海洋声学技术中心 王舒文 刘晓东

出品：科普中国 科普融合创作与传播项目

监制：中国科学院计算机网络信息中心

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