海底地形地貌测量方法

目前，我国各单位使用的四波束扫海测深仪，主要
有日本产的MS—10型、PS—20R型及PS—600型。
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7.4 多波束测深系统
多波束测深系统是从单波束测深系统发展起来，能 一次给出与航线相垂直的平面内的几十个甚至上百个深 度。它能够精确地、快速地测定沿航线一定宽度内水下 目标的大小、形状、最高点和最低点，从而较可靠地描 绘出水下地形的精细特征，从真正意义上实现了海底地 形的面测量。
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确定了波束的指向性R()后，便可根据波束的设计宽
度，来确定换能器的尺寸。
若波束指向性定义为-30dB，则波束宽度bW为：
若L>>2， 波束宽度bW和波长设定后，换能器的尺寸L为：
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➢换能器基阵的束控
将发射和接收信号的能量聚集在主叶瓣，对侧叶 瓣和背叶瓣的信号进行抑制，这便是换能器基阵的束 控。
思考题
7.1 概 述
海底地形测量是测量海底起伏形态和地物的工作。是陆 地地形测量在海域的延伸。按照测量区域可分为海岸带、大 陆架和大洋三种海底地形。特点是测量内容多，精度要求高， 显示内容详细。
水深测量经历了如下几个发展阶段： 测绳重锤测量（点测量） 单频单波束测深（点测量） 双频单波束测深（点测量） 多波束测深（面测量） 机载激光测深（面测量）
与单波束回声测深仪相比，多波束测深系统具有测量 范围大、速度快、精度和效率高、记录数字化和实时自 动绘图等优点。
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7．4．1 多波束的系统组成
多波束系统是由多个子系统组成的综合系统。对于不同的多波束 系统，虽然单元组成不同，但大体上可将系统分为多波束声学系统 （MBES）、多波束数据采集系统（MCS）、数据处理系统和外围辅 助传感器。
相长干涉和相消干涉
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相长和相消干涉
波束指向性图
不同的角度有不同的能量，这就是波束的指 向性（directivity）。如果一个发射阵的能量分布 在狭窄的角度中，就称该系统指向性高。
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发射器越多，基阵越长，则波束角越小，指
向性就越高。设基阵的长度为D，则波束角为：
✓可以看出，减小波长或者增大基阵的长度都可 以提高波束的指向性。但是，基阵的长度不可能 无限增大，而波长越小，在水中衰减得越快，所 以指向性不可能无限提高。
等于实际声速C0造成的测深误差。
综上 ，测深仪总改正数△H为：
其中，声速改正数△Hc对总改正数△H影响最大。
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校对法利用水陀、检查板、水听器等，实测从水面起 算的准确深度，与测深仪的当前深度进行比较，进而
求得回声测深仪在该深度上的总改正数△H。
回声测深仪按照频率分为单频测深仪和双频测深仪。
双频单波束测深（点测量）
水文资料法改正包括吃水改正△Hb、转速改正△Hn及 声速改正△Hc。
吃水改正：由水面至换能器底面的垂直距离称为换能
器吃水改正数△Hb。若H为水面至水底的深度；HS换 能器底面至水底的深度，则△Hb为：
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转速改正△Hb是由于测深仪的实际转速ns不等于设 计转速n0所造成的。转速改正数△Hn为： 声速改正△Hc是因为输入到测深仪中的声速Cm不
基阵束控通常采用相位加权和幅度加权两种方法， 相位加权是利用基元间距的不同排列来改变基元相位 响应，而幅度加权则通过控制基阵中各基元的灵敏度 响应实现束控。
其中，换能器为多波束的声学系统，负责波束的发射和接收；多 波束数据采集系统完成波束的形成和将接收到的声波信号转换为数 字信号，并反算其测量距离或记录其往返程时间；外围设备主要包 括定位传感器（如GPS）、姿态传感器（如姿态仪）、声速剖面仪 （CDT）和电罗经，主要实现测量船瞬时位置、姿态、航向的测定以 及海水中声速传播特性的测定；数据处理系统以工作站为代表，综 合声波测量、定位、船姿、声速剖面和潮位等信息，计算波束脚印 的坐标和深度，并绘制海底平面或三维图，用于海底的勘察和调查。
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回声测深仪由发射机、接收机、发射换能器、接 收换能器、显示设备和电源部分组成。
回声测深仪组成示意图
千米和万米测深仪
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为了求得实际正确的水深而对回声测深仪实测的 深度数据施加的改正数称为回声测深仪总改正数。
回声测深仪总改正数的求取方法主要有水文资料 法和校对法。前者适用于水深大于20米的水深测量， 后者适用于小于20米的水深测量。
换能器垂直向水下发射高、低频声脉冲，由于 低频声脉冲具有较强的穿透能力，因而可以打到 硬质层；高频声脉冲仅能打到沉积物表层，两个 脉冲所得深度之差便是淤泥厚度Δh 。
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7.3 四波束扫海测深仪
四波束扫海测深仪主要由四个收、发台的换能 器，同步控制器和图示记录器织成。四个换能器在 船上的安装方式有舷挂式和悬臂式两种。
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下面以多波束中的直线阵列换能器为例，说明基线阵 列的指向性以及声强特征。 定义直线阵列的微分单元输出响应为A/L，A为振幅， 则微分单元dx的输出响应
dv和相位延迟为：
直线阵列的输出响应和归一化后的指向性R()为：
式中v=Lsin/，为波长，c为声速。
曲线阵列的指向性R()的推导与此类似。
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7．4．2 多波束系统的声学原理
➢相长干涉和相消干涉以及换能器的指向性
两个相邻的发射器发射相同的等方向性的声信号， 声波图将互相重叠和干涉，两个波峰或者两个波谷之 间的叠加会增强波的能量，波峰与波谷的叠加正好互 相抵消，能量为零。
相长干涉发生在距离每个发射器相等的点或者整 波长处，而相消干涉发生在相距发射器半波长或者整 波长加半波长处。将水听器放置在相长干涉处。
水下地形测量的发展与其测深手段的不断完善是 紧密相关的。
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7.2 回声测深原理
单频单波束测深（点测量）
安装在测量船下的发射机换能器， 垂直向水下发射一定频率的声波 脉冲，以声速C在水中传播到水底， 经反射或散射返回，被接收机换 能器所接收。设经历时间为t，换 能器的吃水深度D，则换能器表面 至水底的距离(水深)H为：
第七章
水深测量及海底地形测量
Sounding & Underwater Topographic Survey
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概述
回声测深原理
本
多波束测深系统
高分辨率测深侧扫声纳
章
基于水下机器人的水下地形测量 机载激光测深（LIDAR）
测线布设
内
测深精度
水位改正
容
测量数据质量与管理
海底地形成图