多波束水下测量——水深测量技术和行业发展的大势所趋

水深测量是水下地形测量的基本方法，通过测量水底各点空间三维坐标，可以让数据使用者对水下进行犹如陆上空间一样进行研究、设计、施工等工作，随着技术的发展，水深测量的技术手段有测深杆、水铊、单波束测深仪、多波束测深仪等。

在海道测量、水运工程测量、施工测量等普遍涉及水深测量的领域，单波束测深仪和多波束测深仪变的尤为普遍，多波束相较单波束有着众多优势以及单波束无法企及的应用领域和方向，因此在水深测量领域，不管是技术层面还是行业发展趋势方面，多波束测深技术对单波束测深技术的取代已成大势所趋之势。

以下，系统的介绍下单波束和多波束的区别，以及多波束的优势和应用。

测量原理

01单波束测量原理

单波束测深仪的测量过程是采用换能器垂直向下发射声波，当声波遇到水底时发生发射，发射回波信号返回换能器位置并被其接收。其水深值由声波在水中传播的双程时间和水中的平均声速确定：

H=C*T/2

上述公式，H为水深，C为平均声速，T为声波传播过程中的往返时间。

# 单波束系统的组成

单波束测深仪的组成相对比较简单，主要由以下几部分软硬件组成：

（1）单波束测深仪；

（2）GNSS定位系统；

（3）控制、采集软件和处理软件；

02多波束测量原理

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。与现场采集的导航定位及姿态数据相结合，绘制出高精度、高分辨率的数字成果图。

# 多波束测深系统的组成

多波束的技术要求也注定多波束测深系统是一组包含多种辅助传感器的测量系统，其主要由以下的软硬件产品组成：

（1）多波束测深仪；

（2）GNSS定位系统；

（3）表面声速仪；

（4）声速剖面仪；

（5）姿态仪；

（6）罗经；

（7）潮位仪；

（8）显控软件（声呐工作控制软件）；

（9）导航采集软件（记录声呐和辅助传感器数据）；

（10）后处理软件；

（11）供电，采集计算机等其它工具；

以国内海卓MS8200多波束测深系统为例，其典型的系统组成示意图如下：

多波束的优势

多波束技术的出现，给水下测量工作带来了极大的突破，和传统的水深测量相比，多波束技术有以下几个比较明显的优势：

（1）精度高：

所谓精度高，和传统的单波束测深仪对比，从单波束和多波束测系统组成中也可看出，多波束测深系统比单波束含有更多的传感器，由于具备声速仪、姿态仪等各种高精度的传感器，使其得到的水深值及位置相较单波束更为准确，如下图为单波束在风浪摇摆下测量误差变大。

而多波束则不受此影响。

其次，单波束波束角大约为6-8度，而多波束则在0.5-2度之间，如我司所供应的MS8200波束角为1度，相较单波束相比，多波束的波束角越小，其返回的水深值越接近水底真值。

从上图可以看出，多波束因其波束角更小，且测量地形的曲线也更接近于真实。

（2）分辨率高：

接触过水深测量的都知道，单波束是一种“由点到线”的测量方式，每次测量只能测量一个水深点，随着载体及设备的航行移动，产生由点到线的测量结果；

而多波束是一种“由线到面”的测量方式，一次测量即可得到垂直于航迹方向的几百甚至上千个水深点，随着载体及设备的航行移动，产生由线到面的测量结果。

单波束无论如何加密测量，均无法和多波束的全覆盖测量相媲美。

如上图为同一水下地形由于单波束和多波束采集的水底点密度不同，造成的结果分辨率的区别，从效果图中可以看出，很多地形的细节是单波束无法反应和表达的。如下图，即便是单波束的加密测量，在分辨率上仍然达不到多波束的测量效果，仍然有大量的地形细节无法反应出来：

上图中，左侧为单波束数据，右侧为多波束数据，通过此效果可以看出，很多细节的丢失，在分辨率无法比及的情况下，生成的地形图的关键信息的丢失势必也造成了“成果精度”的下降。

（3）效率高：

单波束由点到线的测量到多波束由线到面的测量不仅仅是分辨率的提升，更带来水下测量效率的提升，随着多波束技术的发展，目前多波束已经能够以水深的6-8倍，甚至更大的扫测覆盖宽度进行扫测了，水深10米的水域同样进行1：500的地形图扫测，单波束5米一条测线，多波束则一条测线覆盖60-80米，效率越高与单波束测深仪。作业时长大大降低，效率大大提升。