何少林?武婷婷?王留強(qiáng)?王超

摘 要：水深測(cè)量是海道測(cè)量和海底地形測(cè)量的中心環(huán)節(jié)，目的是為船舶航行提供航道深度以及確定航行障礙物的位置、深度和性質(zhì)。海洋測(cè)深的方法和手段多種多樣，自20世紀(jì)20年代回聲測(cè)深技術(shù)應(yīng)用以來，測(cè)深技術(shù)和方法發(fā)生了一次飛躍，在此主要介紹基于回聲測(cè)深技術(shù)的現(xiàn)代測(cè)深技術(shù)方法和手段。

關(guān)鍵詞：回聲測(cè)深；單波束測(cè)深；側(cè)掃聲吶測(cè)深；多波束測(cè)深；機(jī)載激光測(cè)深

1 回聲測(cè)深原理

回聲測(cè)深利用聲波的往返進(jìn)行距離的獲取。即由發(fā)射換能器向海底發(fā)射聲波，聲波在海水中傳播至海底并發(fā)生散射和反射，反向散射聲波又經(jīng)海水傳播至接收換能器，被接受換能器接收。若已知沿聲波傳播路徑上每一點(diǎn)的速率V（t），并測(cè)得聲波發(fā)射到接收回波的時(shí)間間隔t，則測(cè)得的深度Z為

Z= Vt

根據(jù)換能器的發(fā)射聲波的個(gè)數(shù)、聲波發(fā)射方向以及換能器安置方式不同，測(cè)深儀器發(fā)展成單波束測(cè)深儀、四波束測(cè)深儀、側(cè)掃聲吶、多波束測(cè)深儀等類型。

2 海洋探測(cè)的方法及特點(diǎn)

1） 單波束測(cè)深系統(tǒng)的原理及其特點(diǎn)

單波束測(cè)深就是在測(cè)深儀器一個(gè)測(cè)深周期內(nèi)僅發(fā)射一個(gè)聲波脈沖。發(fā)射系統(tǒng)形成具有一定波束角θ的指向性發(fā)射波束，并在發(fā)射波束內(nèi)定時(shí)發(fā)出聲脈沖；測(cè)深儀記錄器以接收到波束內(nèi)最先到達(dá)回波來計(jì)時(shí)，再按回聲測(cè)深原理，在儀器設(shè)計(jì)聲速一定的情況下獲得深度數(shù)據(jù)Z，即

Z=

單波束測(cè)深儀能夠完成沿航跡線上的斷面測(cè)量，其測(cè)深數(shù)據(jù)的分布特點(diǎn)是沿航跡線數(shù)據(jù)密集，而在測(cè)線間隔內(nèi)沒有數(shù)據(jù)。單波束測(cè)深實(shí)際上是一種非全覆蓋的測(cè)量方法。如果要提高探測(cè)覆蓋率，一般需對(duì)未知海區(qū)進(jìn)行掃海測(cè)量，實(shí)現(xiàn)探測(cè)的全覆蓋，以探明未知海區(qū)的地貌和障礙物情況。

2） 側(cè)掃聲吶系統(tǒng)的基本工作原理及其特點(diǎn)

側(cè)掃聲吶系統(tǒng)是基于回聲探測(cè)原理進(jìn)行水下目標(biāo)探測(cè)的。通過系統(tǒng)的換能器基陣以一定的傾斜角度、發(fā)射頻率，向海底發(fā)射具有指向性的寬垂直波束角和窄水平波束角的脈沖超聲波，聲波傳播至海底或海底目標(biāo)后發(fā)生反射和散射，又經(jīng)過換能器的接收基陣接收海底的反射和散射波，再經(jīng)過水上儀器的處理用顯示裝置顯示、記錄器儲(chǔ)存和紙質(zhì)打印。顯然，聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔△t，取決于聲波往返傳播路徑的遠(yuǎn)近。設(shè)聲波在海水中的傳播速度為c（m/s），聲波傳播的單程距離為S（m），則△t=

當(dāng)聲波傳播距離越遠(yuǎn)時(shí)，換能器接收到的聲波回波時(shí)間△t就越長。由于海底的凸凹不平使得海底或海底目標(biāo)有的地方被聲波照射，有的地方?jīng)]有被聲波照射，反映到記錄紙上就是有的地方為黑色，有的地方為白色（目標(biāo)陰影），類似照相機(jī)的攝影照片底板，也就反映出海底的地貌狀況。

根據(jù)側(cè)掃聲吶聲圖判斷海底的地貌狀況關(guān)系目前大都是通過人工進(jìn)行的，國內(nèi)外還沒有一個(gè)完美的海底地形及障礙物識(shí)別和判斷軟件，因?yàn)閭?cè)掃聲吶聲圖判讀不單單是儀器本身性能的問題，還與測(cè)量人員的工作經(jīng)驗(yàn)的多少、聲圖質(zhì)量的好壞以及探測(cè)海底的歷史資料等因素密切相關(guān)。

3） 多波束測(cè)深系統(tǒng)的原理及其特點(diǎn)

多波束系統(tǒng)采用發(fā)射、接收指向性正交的兩組換能器陣獲得一系列垂直航向分布的窄波束。在此以波束數(shù)位16，波束角為2°×2°的單平面換能器多波束系統(tǒng)為例，探討多波束系統(tǒng)的探測(cè)方法。系統(tǒng)聲信號(hào)的發(fā)射和接收由方向垂直的發(fā)射陣和接收陣組成。發(fā)射陣平行測(cè)量船龍骨方向（船縱向）排列，并呈兩側(cè)對(duì)稱向正下方發(fā)射2°（沿船縱向）×44°（船正橫）的扇形脈沖聲波。接收陣沿船正橫方向排列，但在束控方向上接收方式與發(fā)射方式相反，以20°（沿船縱向）×2°（船正橫）的16個(gè)接收波束角接收來自海底照射面積為2°（沿船縱向）×20°（船正橫）扇區(qū)的回波。接收指向性和發(fā)射指向性疊加后，形成沿測(cè)量船正橫方向，兩側(cè)對(duì)稱的16個(gè)2°×2°波束。

因此根據(jù)多波束系統(tǒng)的發(fā)射、接收原理，可以把多波束系統(tǒng)一次接收32°開角內(nèi)的回波，獲得16個(gè)定向窄波束的過程等價(jià)地理解為定向發(fā)射接收扇區(qū)開角32°的16個(gè)2°×2°的窄波束。但從發(fā)射和接收的角度，換能器陣在32°扇區(qū)內(nèi)定向發(fā)射16個(gè)2°×2°的立體角投射海底，在海底形成 16個(gè)矩形投影區(qū)，矩形投影區(qū)聲波的發(fā)射和散射波按入射路徑返回?fù)Q能器并被接收、記錄；每一次發(fā)射和接收都會(huì)得到一系列的換能器下方的海底測(cè)深點(diǎn)。

因此，多波束測(cè)量中各波束測(cè)深點(diǎn)的空間位置，在忽略聲線彎曲的條件下的計(jì)算公式為

Di=

式中，C為水中平均聲速；θi為第i個(gè)波束的入射角；t表示第i個(gè)波束從發(fā)射到接收聲波信號(hào)之間的時(shí)間間隔；Di表示第i個(gè)波束探測(cè)得到的水深值；Xi表示第i個(gè)波束距多波束換能器中心的水平距離。與單波束測(cè)深儀不同的是多波束測(cè)深系統(tǒng)具有測(cè)量范圍大、測(cè)量效率和精度高等優(yōu)點(diǎn)

4） 機(jī)載激光測(cè)深原理及特點(diǎn)

激光作為一種新型的探測(cè)光源，具有單色性高、方向性強(qiáng)、相干性好、強(qiáng)度大等特點(diǎn)。利用綠光或藍(lán)綠光易穿透海水，而紅外光不易穿透海水的特點(diǎn)，用光激射器、光接收機(jī)、微機(jī)控制、采集、顯示、存儲(chǔ)及輔助設(shè)備組成機(jī)載激光海洋測(cè)深系統(tǒng)。在飛機(jī)平臺(tái)上安裝光激射器向海面發(fā)射兩種不同波長的激光，一種為波長1064nm的脈沖紅外光，另一種為波長532nm的綠光。紅外光被海面完全反射和散射，而綠光則能夠透射至海水中，經(jīng)水體散射、海底反射和光接收器分別接收這些反射光，組成探測(cè)回波信號(hào)波形，探測(cè)并數(shù)字化處理回波信號(hào)，就可以得到機(jī)高和水深數(shù)據(jù)信息。

機(jī)高：H=

水深：Z=

式中，t為激光脈沖產(chǎn)生與水面回波的時(shí)間間隔；c為光速；n為海水的折射率；△t為接收到的海面回波與海底回波時(shí)間間隔。

機(jī)載激光海洋測(cè)深技術(shù)具有覆蓋面廣、測(cè)點(diǎn)密度高、測(cè)量周期短、所需人員少、低消耗、易管理、高機(jī)動(dòng)性及實(shí)施船只無法到達(dá)海域的水深測(cè)量等特點(diǎn)，在沿岸淺水測(cè)圖工作中已經(jīng)得到成功的應(yīng)用，正日益受到海道測(cè)量界的重視。機(jī)載激光海洋測(cè)深系統(tǒng)已發(fā)展成為快速高效率測(cè)量淺海水深最具有發(fā)展前途的手段之一，以瑞典、澳大利亞和美國的產(chǎn)品較成熟。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)海洋測(cè)深方法的介紹使我們對(duì)海洋測(cè)深的基本理論以及海洋測(cè)深方法及其特點(diǎn)有了更加深刻的理解，并為海道測(cè)量的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉雁春 ，海道測(cè)量學(xué)概論.測(cè)繪出版社.