海底探测技术 第7章 多波束测深系统的工作原理及数据处理分析

横摇校准方法：
1、平坦海区 2、相同船速正反两条重合测线
横摇
实际海底
时间延迟校准方法：
1、倾斜海区
2、分别以慢速和高速重复垂直等深线 的一条测线探测
最新的多波束系统增加了数 据传输标定系统，故无需时
间延迟校准
根据慢速和快速船速测得的 海底地形获得系统的时间延 迟
实际海底
纵倾校准方法：
1、有凸起的海区 2、相同船速正反两条重合测线
纵倾
实际海底
1、特殊目标物海区
首向校准方法： 2、相同船速目标物两侧同向两条平行测线
实际目 标物
首偏
横摇 校正前
纵倾
时延
校正后
多波束探头吃水校准
Roll calibration (done with a double set of lines): +0.1 ° Pitch calibration (done with a double set of lines): +0.065° Heading Calibration (done with a double set of lines): +0.12°
优点：精度高， 探头下数据密集，
多波束探头
缺点：覆盖宽度小
（不大于水深的2倍）
T
r
一次发射在海底形成的波束脚印（波束在海
底覆盖的区域）
针对较远的波束振幅检测不到的因素，多波束又增加了边缘波束的相 位海底检测法
单一接收体
相对于振幅检测，振幅+相位检测的 精度要低
如果单纯用相位检测（如相干声呐）正 下方没有可靠数据。
（4）多波束测深实施原则及注意事项？
1、多波束测线方向平行水深等值线； 2、测线间距必须保证测线间有至少10％的重复覆盖 3、每天至少一次水体声速校准（并实时监察声速曲线的有效性）
4、船舶吃水变化校正； 5、做好班报记录及数据备份工作
声速过小， 声速曲线失 效
声速过大， 声速曲线失 效
声速有效的 海底回波
海 流
探测点位置问题，
还需有指明多波
束中轴线方向的
设备——电罗经
垂直航迹的数据
运动传感器在多波束测深系统中的作用
海面 海 浪
海底
还需要有运动传感器探知实时多波束的姿态
TSS运动姿态传感器
光纤罗经
海面 海 浪
海底
实时校正多波束换能器的运动
偏转幅度、偏转加速度 等要素
水平面
多波束系统的总成
多波束测深是水声技术、计算机技术、导航定位 技术和数字化传感器技术等多种技术的高度集成。
（1）多波束主体设备
多波束探头
发射接收工 作站
发射阵
接受阵
（2）、外围设备 后处理工作站 电罗经 运动传感器 水体声速计
光纤陀螺
3、分类及原理 物理多波束
换能器
关键点：海底检 测为振幅检测
因发射的每个波束都是独立的物理 存在的换能器或换能器阵而得名
相干声呐
X X
角度
水深基面 拖体入水深度
动校正
单波束测深
多波束测深
多波束测深系统 1、定义：
可同时探测水底多个位置不同点水深值 的探测系统
3
2
1
探测航向
垂直航向的 水底条带， 多个点深度
数据
12
多单波波束束测测深深系仪统
5.7 5.6
5.2 5.51.7 5.0 4.9 4.8 4.7
5.7 5.6 5.3 5.2 55.1.5 5.0 4.9 4.8 4.7
1
（4）、海 底表层沉积 物声阻抗影 响多波束的 覆盖宽度
Ar RAi
R 2V 2 1V 1 2V 2 1V 1
5
（
） 水 文 及 背 景 噪 音 的 影 响
东方红2号EM122深水多波束覆盖宽度
200m水深
随水深减小海底 覆盖宽度变窄
1500m水深
多波束如何识别海底回波？
海底探测技术
第一章 绪论 第二章 定位导航技术 第三章 声波探测的基本原理 第四章 声学海底探测设备的组成及分类 第五章 单波束测深设备的组成及工作程序 第六章 侧扫声呐工作原理及探测资料分析 第七章 多波束测深系统的工作原理及数据处理分析 第八章 浅地层探测系统的工作原理及资料分析 第九章 综合探测的实施原则及水下声学定位系统
不够清晰 不够精细
数据密度不够多 单波束测量限制
如何以小比例尺图测 量的工作量，获得更 多数据，满足大比例
尺作图的需求？
——多波束产生的原始 动力！
比例尺
工期和经费
河道测量比例尺大运动传感器
测线间距小 测量船偏航严重
测深仪工作频率不同 操作人员较多
各测深仪吃水变化 数据处理繁杂
航向与船首方向不一致
船纵剖面
船俯视图
横摇
纵倾
另外，数据传输过程需要时间践——时间延迟
首偏
电罗经轴线
首偏为多波束、电罗经轴向夹角b 调查船轴线
与船轴向夹角a
船、罗经轴向夹角c
换能器轴线
与罗经夹角b
首偏是哪 一个？
怎么做才能 最好地达到 多波束海底 覆盖宽度
a、b、c三个角都等于零时（轴向平行），多 波束海底覆盖宽度最大
相干声呐 250kHz
振幅+相位检测 200kHz 脚印：1 °×1.5 °
振幅检测 500kHz 脚印：0.5 °×0.5 °
描述多波束的重要参数
多波束类型 多波束工作频率 多波束最大覆盖宽度 多波束脚印大小
多波束波束数
4、多波束测深系统工作原理：
震源与接收系统
震源
压电换能器震源
脚印宽度角（越小越好）
海
底
有
穿
透
，
数
据
不
准
2）多波束安装与安装测量 （1）多波束换能器安装位置：
•远离船舶噪声源 •减少气泡影响
噪音源
气泡层厚度
多波束安装于船首至船长1/3区段
（2）多波束系统各组合单元相互关 系测量： GPS定位天线位置、电罗经、运动传感器、 多波束探头不在同一位置，船的运动状态的 校准数据如何用？
接收到了波束如何确定计算深度？
H＝V×t
水体声速
H＝V×t
水面
实际探测点
1、水体声速不仅影响水 深计算还影响探测位置
2、水体声速必须是剖面 曲线而非平均声速
3、水体声速测量设备： CTD或声速剖面仪。
声线曲线
电罗经在多波束测深系统在多波束系统中的作用
GPS给多波束探头定位 调查航迹
？
风 和
单有GPS不能解决
振幅检测+相位检测或仅有 相位检测 振幅检测
仅有振幅检测的小于水深的 可达水深的10倍以 两倍；振幅检测+相位检测 上 小于水深的8倍
有
仅有声呐水平波束
角
正下方测点多边缘波束少 测点可无限但正下 方无准确测点
正下方精度高，边缘精度低 边缘精度低，正下 方无测点，30～50 度角度区精度高
全海深
距水底小于50m地形 相对简单的海区
多 波 束 脚 印 大 小
震源阵
多波束测 量数据密 度和精度
接收阵
通过接收阵检波器的组合可形成多个脚 印相互交叠的波束
理论上，每个波束可 获得一个有效水深测 量数据。
接收换能器（接受阵）
通过接收将海底回波分为多个小区
多波束最大覆盖宽度
测深精度不满足要求
决定覆盖宽度的因素
（1）、仪器的发射覆盖角的大小 （2）、边缘波束的测深精度（接收计算技术）
脚印
波束对应着一个独
立的换能器。
技术关键点： 海底检测方式
电子多波束覆盖宽度一般小于水 深的8倍。
+ +
换能器
多波束覆盖宽度是指在某一水 深条件下走航测量，所测得的 测深条带的宽度。以测幅宽度 是水深的倍数来描述。
振 幅
振 幅
振 幅
相 位
检 测
检
测
相 位 检 测
水深两倍范围内
测幅宽度
三种多波束的对比
测深效率大大提高 5.7 5.6 5.3 5.2 55.1.4 5.0 4.9 4.8 4.7
得到海底0.2m 5.7 5.6 5.3 5.2 55.1.2 5.0 4.9 4.8 4.7 ×0.2m的测量数据 5.7 5.6 5.3 5.2 5.1 5.0 4.9 4.8 4.7 4.6
2、构成
单波束测深
振幅
单波束测深海底炮点识位别置 是依据海底
T
反射波的强度，即反射波振幅大
小——称之为振幅检测
时间
多波束测深
通过的水体厚度最 小，入射波能量大， 海底反射波振幅相
对较大
通过的水体厚度增 大，入射波能量逐 渐变小，海底反射 波振幅相对较弱， 仅靠反射波振幅难
以检测海底回波
A 根据海底回波振幅和波束与垂向夹角探知 海底位置——振幅检测
52ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
48
44
40
3140000
3160000
3180000
3200000
-36 -37 -38 -39 -40 -41 -42 -43 -44 -45 -46 -47 -48
0
波浪作用？
20000
40000
60000
80000
100000
surfer、grafer软件 绘制图形，对本区 地形地貌进行研究
电罗经
测深仪工作频率不同 操作人员较多
各测深仪吃水变化 数据处理繁杂
航向与船首方向不一致
波束角极小 水体声速曲线
物理多波束
测深仪工作频率不同 操作人员较多
水体声速为平均声速
各测深仪吃水变化 数据处理繁杂
航向与船首方向不一致
电子多波束
相干声呐（条带测深系统）
实现在不增加工作量前提下，得到丰富数据的目的
纵向脚印（沿航迹 方向的）大小（单 位为“°”）
一次发射在海底形成的多波束条带（波束在海底覆盖的区域）
接收
横向脚印（垂直航迹方向的）大小 （单位为“°”）
发射和接收后，所形成的多波束波束 横向和纵向的角度。
接收换能器（接受阵）
通过接收将海底回波分为多个小区
纵向脚印×横向脚印即为多波束脚印大小
多波束震源和 接收阵是相互 垂直的
（5）多波束测深数据处理
回放原始数据文件
离散数据
导航数据改正
网格化
数据清理 吃水改正 潮位改正
滤波处理 绘图
水深地形图
多波束测深数据应用 多波束地形成图与声呐图像区别？
6、多波束测深精度评估
水体 声速 测站
区块多 波束覆 盖图
主测线与检查线交点精度检查
经统计，水深测量最大相对误差0.44米 （水深46m），满足规程中 “测深误差值为 水深值的±1%”的要求。
便于移动安装——便携
＞180kHz
工作频率差异
问题1：浅水多波束问什么不能用于深水调查？ （1）、海底覆盖宽度不够 （2）、海底探测点数量不够（未采用深水数 字加密技术）
脉冲间隔（炮点距）
水深大 沿航向探测点稀疏
深水多波束采用了多 脉冲或双条幅技术
频
问题2：深水多波束能否用于浅水调查？
率
低
对
松
软
多波束探头 运动传感器 GPS天线
参考点（相对坐标系统建立）
坐标系统设置原则
以船舶横向、纵向 及平均吃水线交点处设 置坐标原点。船首尾线 方向为X轴，向前为正， 向后为负；船横向中心 线方向为Y轴，向右为 正；垂直方向为Z轴， 向下为正，向上为负。
（3）多波束工作安装校准工作
需要测量校准
船横剖面
多波束覆盖角度（设备制造规格）
真正的覆盖角度小于 设备标称的 多波束覆盖角度可达210°，浅水型的大，深水型的小。
海底覆盖宽度
声波在传播过程中能量损失
覆盖宽度并不是随水深增大 而单一的增大，而是存在极 值——（3）、
多波束覆盖角
海底覆盖宽度
反射波越强，边缘波束被探测到得可能行越大，覆盖宽度就越大
r
根据到达波束回波的相 位差，识别出海底回波
在振幅检测的基础上增加了边缘波束的相 位检测，使多波束的覆盖宽度一般达到了 水深的7倍，再加上纯粹的相位检测，浅水 电子多波束覆盖宽度可达到水深的12倍。
蓝色区：为振幅检测区域； 红色区：为相位检测区域。
棕红色条带由中心向两侧变宽——海底水深 误差增大。
如何得到角度
t
技术关键点： 1、各接受阵如何判定相位差？
2、探头正下方怎麽办？
声呐接受阵
声呐接受阵
获得传播时间（t)和强度
A
声呐接受阵 得到虚拟的三角形
关键点：海底检测为 相位检测
电子多波束
声波发射、接收后
形成了独立波束，
其波束形成是换能
器阵上的多个点震
源声波叠加、再通
过接受阵接收聚焦
的结果，而非每个
声波发射与接 收换能器阵
数据处理单元
多波束主体
各种传感器（卫 星定位系统、运 动传感器、电罗 经、声速剖面仪
等）
多波束外围设备
5、多波束测深工作程序
1）设备选型
4000m
300m
深水多波束系统
8000*8000mm
中水多波束系统
2500*2500mm
浅水多波束系统
500*500mm
12-30kH固z定安装于船底30-70kHz
发射换能器组成 发射探测波束 海底检测方法 海底覆盖宽度
脚印大小 测点分布 测深精度
适宜工作区
物理多波束 多个换能器阵 数量少（一般 小于5个） 振幅检测
小（一般小于 水深的两倍）
有
物理换能器决 定 精度高
河道测量
电子多波束 一个或二个换能器阵 波束多，一般大于90个
相干声呐 二个换能器阵 球面波无具体波束