多波束与单波束测深技术在水下工程中的应用比较研究

曾文亮

广州港工程管理有限公司广东广州510000

摘要：本文介绍了单波束测深与多波束测深的原理与技术特点，以实际案例进行了两种测深方式比对，对出现的差异情况进行了分析。本文讨论单波束与多波束测深均只考虑单一频率。

关键词：多波束；比测；水位；误差

1单波束与多波束测深简介

单波束与多波束测深原理都是利用声波的传播来获得深度，具体是声波发射单元向水底发射声波，声波到达泥面时反射回接收单元，根据公式，其中Z为水深，c为声波在水里传播的声速，t为声波从发射到接收的时间。

单波束测深仪一般采用较宽的发射波束，因为是向船底垂直发射，所以声传播路径不会发生弯曲，来回的路径最短，能量衰减很小，通过对回声信号的幅度检测确定信号往返传播的时间，再根据声波在水介质中的平均传播速度计算测量水深。

在多波束系统中，换能器配置有一个或者多个换能器单元的阵列，通过控制不同单元的相位，形成多个具有不同指向角的波束，通常只发射一个波束而在接收时形成多个波束。

2单波束与多波束测深的特点

2.1单波束测深系统的组成、测量流程及特点

（1）组成：单波束测深系统一般包括定位设备、测深仪、安装了导航定位软件的笔记本电脑及一些辅助的供电设备和连接线等。另外，为了对测深精度进行检查，需要对声速进行标定，还需配备声速剖面仪或者检查板；为了测定潮汐变化情况，还需配备验潮仪或水尺。

（2）流程：单波束测深简单流程如图1-1所示。

（3）特点：外业测量仪器设备组成简单，轻灵便携，易于安装，外业一般进行定位校准、声速改正、动吃水改正、时延改正即可；内业处理软件界面友好，人工干预较少，自动化成图程度高，处理模型可靠，且一般只需进行潮汐改正即可。

2.2多波束测深系统的组成、测量流程及特点

（1）组成：多波束测深系统相对于单波束测深系统，要复杂得多，以我司使用的一套多波束系统为例，应包括的组件如图1-1所示。

图1-1

（2）测量流程

多波束测深的流程虽然与单波束相似，但每一项都要比单波束测深复杂得多。流程如图1-2所示。

（3）特点

①外业过程较为复杂，首先，安装过程比较复杂，需要连接的仪器设备较多，连接方式也有严格要求。连接完成后，要进行严格的校准比对，根据《多波束测深测量技术要求》（JT/T790-2010）的规定，每一次测深前，都要进行四项改正，分别是：时延改正、横摇改正、纵摇改正、艏向改正。按照实际测量的经验来看，这四项改正需要反复进行，得到满意的效果可能要专门花费一天时间来完成。

②外业测量效率很高，属于面测量，全覆盖，基本无遗漏。

③根据多波束测深系统的原理，其边沿波束的精度不如中间波束波束，需要按照规范和实际情况制定作业计划线，保证边沿波束的重叠度，按照规范要求，必须保证两条计划测线之间的边沿波束至少有20%的重叠度（主测深线的间距应不大于有效测深宽度的80%）。

④因为多波束测深数据量很大，内业处理过程比较复杂，怎样选择合适的数据进行成图，需要内业处理人员有较好的专业素养。

多波束测深系统优点

（1）测量以带状方式进行，波束连续发射和接收，测量覆盖程度高，对水下地形可100%覆盖，与单波束比较，波束角窄，对细微地形的变化都能完全反映出来，单波束是点、线的反映，而多波束则是面上的整体反映；

（2）由于是全覆盖，其大量的水深点数据使等值线生成真实可靠，而单波束是将断面数据进行摘录成图以插补方式生成等值线，在数据采集不够时，使得等值线存在一定偏差；

（3）多波束系统同步记录船体姿态信息，起伏、纵摇、横摇、船向等，由后处理软件对测量结果进行校正，使测量结果受外界不利因素影响减少到最低限度；

（4）后处理软件功能强大，能对测量资料进行多种成图处理，可生成等值线图、三维立体图、彩色图像、剖面图等，同时还能对同一测区不同测次进行比较以及土方计算等；

（5）由于外业测量记录的是未经任何校正的原始数据，测区是全覆盖，因此在后处理时，软件可对同一测区生成不同比例尺的水下地形图，以满足不同的需要。

3单波束与多波束测深比对案例分析

3.1比对案例

为了比对两种测深方式，分别在两个不同区域开展了试验。其中A区域为刚完成抓斗船疏浚的水域；B区域为一般水域。A区域比对情况如表3-1所示，B区域比对情况如表3-2所示。

3.2水深值分析

（1）A区域的同一坐标水深比对差值，最大1.4m，最小0.3m，平均达0.94m。B区域的同一坐标水深比对差值，最大0.7m，最小0.2m，平均为0.25m。

（2）为什么会出现两种不同的情况，按照测深原理来说，同一个地点，不可能出现A区域的情况，究竟出了什么问题？是不是出现了什么差错，为了验证测量过程，笔者再用同样的方法，在同一水域又进行了两次类似比对，还是出现了相似的效果，这说明测量过程本身是没有问题的，那么问题到底出现在什么环节？B区域为什么没有出现A区域这种情况？

（3）两片水域最大的区别在于，A水域刚进行了抓斗船疏浚，而B水域则未进行疏浚，问题会不会出现在这里？

分析两片区域的水下地形情况，A区域进行了抓斗船疏浚作业，根据多波束测深的图纸反映出水下地形是呈现锯齿状，遍布着尖尖的“小山”；B区域水下地形是比较平坦的。由于多波束是全覆盖的测量方式，而且波束发射频率是50ms，基本上所有的浅点，也就是“小山”山顶都不会遗漏，而成图的时候，采用了显示所有浅点的方式成图；而单波束测深是按照测线方式测量，波束发射频率为1s，如果船速过快，很难测到“小山”山顶，因为每一个“山顶”的面积过小。为了验证这个判断，我们再安排了一次单波束测深，把船速放慢，比例尺放大进行加密测量，就测出了很多浅点，跟多波束测量情况吻合。

4结束语

此次工作针性强，采用合适的数据处理方法技术，分析得到单波束与多波束测深系统的差异性，达到了预期目的。多波束与单波束相比，具有高分辨率、高精度的特点，且精确、高效、快捷、直观的优势十分显著。工作经验表明，多波束测深不仅可以满足上述工程测量的需要，并在用于水底表面障碍物探测、抛砂石厚度检测、码头选址、航道测量等多方面，均具有十分广阔的前景。

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