水深測(cè)量是水下地形測(cè)量的基本方法，通過(guò)測(cè)量水底各點(diǎn)空間三維坐標(biāo)，可以讓數(shù)據(jù)使用者對(duì)水下進(jìn)行猶如陸上空間一般的研究、設(shè)計(jì)、施工等工作。隨著技術(shù)的發(fā)展，水深測(cè)量的技術(shù)手段有測(cè)深桿、水鉈、單波束測(cè)深儀、多波束測(cè)深儀等。

在海道測(cè)量、水運(yùn)工程測(cè)量、施工測(cè)量等普遍涉及水深測(cè)量的領(lǐng)域，單波束測(cè)深儀和多波束測(cè)深儀變的尤為普遍，多波束相較單波束有著眾多優(yōu)勢(shì)以及應(yīng)用領(lǐng)域和方向，因此在水深測(cè)量領(lǐng)域，不管是技術(shù)層面還是行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)方面，多波束測(cè)深技術(shù)對(duì)單波束測(cè)深技術(shù)的取代已成大勢(shì)所趨之勢(shì)。

   以下，對(duì)單波束和多波束進(jìn)行系統(tǒng)的對(duì)比，并介紹多波束的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用。

01

測(cè)量原理

01

單波束測(cè)量原理

單波束測(cè)深儀的測(cè)量過(guò)程是采用換能器垂直向下發(fā)射聲波，當(dāng)聲波遇到水底時(shí)發(fā)生反射，反射回波信號(hào)返回?fù)Q能器位置并被其接收。其水深值由聲波在水中傳播的雙程時(shí)間和水中的平均聲速確定：

H=C*T/2

上述公式，H為水深，C為平均聲速，T為聲波傳播過(guò)程中的雙程時(shí)間。

# 單波束系統(tǒng)的組成

單波束測(cè)深儀的組成相對(duì)比較簡(jiǎn)單，主要由以下幾部分軟硬件組成：

（1）單波束測(cè)深儀；

（2）GNSS定位系統(tǒng)；

（3）控制、采集軟件和處理軟件；

02

多波束測(cè)量原理

多波束測(cè)深系統(tǒng)的工作原理是利用發(fā)射換能器陣列向海底發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波，利用接收換能器陣列對(duì)聲波進(jìn)行窄波束接收，通過(guò)發(fā)射、接收扇區(qū)指向的正交性形成對(duì)海底地形的照射腳印，對(duì)這些腳印進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚�，一次探測(cè)就能給出與航向垂直的垂面內(nèi)上百個(gè)甚至更多的海底被測(cè)點(diǎn)的水深值，從而能夠精確、快速地測(cè)出沿航線一定寬度內(nèi)水下目標(biāo)的大小、形狀和高低變化，比較可靠地描繪出海底地形的三維特征。與現(xiàn)場(chǎng)采集的導(dǎo)航定位及姿態(tài)數(shù)據(jù)相結(jié)合，繪制出高精度、高分辨率的數(shù)字成果圖。

# 多波束測(cè)深系統(tǒng)的組成

多波束的技術(shù)要求也注定多波束測(cè)深系統(tǒng)是一組包含多種輔助傳感器的測(cè)量系統(tǒng)，其主要由以下的軟硬件產(chǎn)品組成：

（1）多波束測(cè)深儀；

（2）GNSS定位系統(tǒng)；

（3）表面聲速儀；

（4）聲速剖面儀；

（5）姿態(tài)儀；

（6）羅經(jīng)；

（7）潮位儀；

（8）顯控軟件（聲吶工作控制軟件）；

（9）導(dǎo)航采集軟件（記錄聲吶和輔助傳感器數(shù)據(jù)）；

（10）后處理軟件；

（11）供電，采集計(jì)算機(jī)等其它工具；

以海卓MS8200多波束測(cè)深系統(tǒng)為例，其典型的系統(tǒng)組成示意圖如下：

02

多波束的優(yōu)勢(shì)

多波束技術(shù)的出現(xiàn)，給水下測(cè)量工作帶來(lái)了極大的突破，與傳統(tǒng)的水深測(cè)量相比，多波束有以下幾個(gè)比較明顯的優(yōu)勢(shì)：

（1）精度高

  相較于單波束測(cè)深系統(tǒng)，多波束測(cè)深系統(tǒng)具備更豐富完善的傳感器，在聲速儀、姿態(tài)儀、潮位儀等高精度傳感器的配合下可以測(cè)得更精確的水底坐標(biāo)信息。

如下圖為單波束在風(fēng)浪搖擺下測(cè)量誤差變大，而多波束則不受此影響。

其次，單波束波束角大約為6-8度，而多波束則在0.5-2度之間，如北京海卓同創(chuàng)的MS8200波束角為1度，相較單波束相比，多波束的波束角越小，其返回的水深值越接近水底真值。

從上圖可以看出，多波束因其波束角更小，且測(cè)量地形的曲線也更接近于真實(shí)。

（2）分辨率高

接觸過(guò)水深測(cè)量的都知道，單波束是一種“由點(diǎn)到線”的測(cè)量方式，每次測(cè)量只能測(cè)量一個(gè)水深點(diǎn)，隨著載體及設(shè)備的航行移動(dòng)，產(chǎn)生由點(diǎn)到線的測(cè)量結(jié)果；

而多波束是一種“由線到面”的測(cè)量方式，一次測(cè)量即可得到垂直于航跡方向的幾百甚至上千個(gè)水深點(diǎn)，隨著載體及設(shè)備的航行移動(dòng)，產(chǎn)生由線到面的測(cè)量結(jié)果。

單波束無(wú)論如何加密測(cè)量，均無(wú)法和多波束的全覆蓋測(cè)量相媲美。

如上圖為同一水下地形由于單波束和多波束采集的水底點(diǎn)密度不同，造成的結(jié)果分辨率的區(qū)別，從效果圖中可以看出，很多地形的細(xì)節(jié)是單波束無(wú)法反應(yīng)和表達(dá)的。如下圖，即便是單波束的加密測(cè)量，在分辨率上仍然達(dá)不到多波束的測(cè)量效果，仍然有大量的地形細(xì)節(jié)無(wú)法反應(yīng)出來(lái)：

Pic.1單波束效果

Pic.2多波束效果

上圖中，左側(cè)為單波束數(shù)據(jù)，右側(cè)為多波束數(shù)據(jù)，通過(guò)此效果可以看出，很多細(xì)節(jié)的丟失，在分辨率無(wú)法比及的情況下，生成的地形圖的關(guān)鍵信息的丟失勢(shì)必也造成了“成果精度”的下降。

（3）效率高

單波束由點(diǎn)到線的測(cè)量到多波束由線到面的測(cè)量不僅僅是分辨率的提升，更帶來(lái)水下測(cè)量效率的提升，隨著多波束技術(shù)的發(fā)展，目前多波束已經(jīng)能夠以水深的6-8倍，甚至更大的掃測(cè)覆蓋寬度進(jìn)行掃測(cè)了，水深10米的水域同樣進(jìn)行1：500的地形圖掃測(cè)，單波束5米一條測(cè)線，多波束則一條測(cè)線覆蓋60-80米，效率遠(yuǎn)高于單波束測(cè)深儀。作業(yè)時(shí)長(zhǎng)大大降低，效率大大提升。

Pic.1單波束測(cè)線布設(shè)

Pic.2多波束測(cè)線布設(shè)

從上圖中可以看出，同樣的地形掃測(cè)，多波束測(cè)測(cè)線總長(zhǎng)度要比單波束要少很多，帶來(lái)的直接結(jié)果即為多波束的地形掃測(cè)效率要高很多。

03

多波束的成果類型及應(yīng)用

01

成果的形式

多波束的數(shù)據(jù)成果根據(jù)使用者對(duì)成果的需求也是多種多樣，常見的有以下幾種：

三維曲面成果

和單波束數(shù)據(jù)成果相比，多波束的最大優(yōu)勢(shì)就是點(diǎn)密度比較大，可以實(shí)現(xiàn)更多地形細(xì)節(jié)和三維展示。

等深線圖

作為地形測(cè)量常用的等高線圖，依據(jù)不同的成圖軟件，多波束的數(shù)據(jù)成果可以生成二維、三維的等高線圖。

注：多波束數(shù)據(jù)成果本身與單波束的數(shù)據(jù)沒(méi)有區(qū)別，因此單波束能出的成果，多波束一樣可以出，等高線圖同樣可以用第三方軟件如CASS軟件等成圖。

tif圖（支持第三方加載）

tif圖作為一種含有坐標(biāo)文件的成果展示形式，可以加載在衛(wèi)星圖、航片圖、CAD圖等場(chǎng)景下進(jìn)行多數(shù)據(jù)融合展示。

斷面圖

作為航道測(cè)量、施工測(cè)量等水下測(cè)量用戶，斷面測(cè)量及成果是一種非常常見的數(shù)據(jù)成果展示形式，而多波束的優(yōu)勢(shì)則在于可以保證每次測(cè)量結(jié)果提取的斷面位置絕對(duì)一致，而單波束測(cè)量時(shí)則很難保證位置重疊。

“淹沒(méi)”分析圖

對(duì)于一些水庫(kù)、湖泊、河流等，常需要對(duì)地形提前進(jìn)行“淹沒(méi)”分析，排查風(fēng)險(xiǎn)，以及計(jì)算不同水位下的庫(kù)容等。

點(diǎn)云

作為空間三維數(shù)據(jù)的展示，點(diǎn)云成果的展示也是一種常見的數(shù)據(jù)成果展現(xiàn)形式，點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有曲面模型所不具有的特征展示等優(yōu)勢(shì)，在一些特殊的結(jié)構(gòu)物展示時(shí)，具有很大的優(yōu)勢(shì)。

除了以上數(shù)據(jù)成果展示形式，水深測(cè)量的成果還有很多很多，只會(huì)局限于成圖軟件的限制，不受數(shù)據(jù)的限制。

02

應(yīng)用領(lǐng)域

多波束的應(yīng)用方向也是遍布了江河湖庫(kù)海等各個(gè)領(lǐng)域的各種水下場(chǎng)景測(cè)量。

航道測(cè)量

航道測(cè)量比較常見，對(duì)于多波束來(lái)說(shuō)測(cè)量船僅需順航道跑測(cè)線即可，避免了單波束測(cè)量斷面測(cè)量法所帶來(lái)的安全隱患。

拋石測(cè)量

對(duì)于國(guó)內(nèi)通航的主要大航道而言，水下拋石施工測(cè)量較為普遍，對(duì)于多波束測(cè)量而言，憑借其高分辨，全覆蓋的優(yōu)勢(shì)，可以清晰的將水下拋石情況，區(qū)域等測(cè)量的清清楚楚。

崩岸及護(hù)坡測(cè)量

對(duì)于國(guó)內(nèi)長(zhǎng)江等大流量的河流而言，由于汛期的沖刷，岸坡的沖刷和維護(hù)工程非常普遍，單波束在此復(fù)雜區(qū)域難以精確進(jìn)行細(xì)節(jié)掃測(cè)，且誤差較大。

航道整治工程

長(zhǎng)江流域各個(gè)區(qū)段鑒于其地理環(huán)境的特殊性，為了航道安全往往會(huì)進(jìn)行丁壩順壩等工程整治作業(yè)。對(duì)于整治到位情況，再?zèng)_刷情況的測(cè)量和分析都是單波束望塵莫及的。

炸礁測(cè)量

對(duì)于一些石質(zhì)底質(zhì)的航道來(lái)說(shuō)，為了增加航道的航運(yùn)能力，往往需要進(jìn)行炸礁作業(yè)。而哪怕出現(xiàn)一個(gè)石筍的遺留物，都可能對(duì)于之后的航運(yùn)帶來(lái)很大的安全隱患，因此很多炸礁施工也要求必須使用多波束進(jìn)行全覆蓋無(wú)遺漏掃測(cè)進(jìn)行測(cè)量作業(yè)，全覆蓋無(wú)遺漏掃測(cè)也是單波束所不具備的。

水下結(jié)構(gòu)物掃測(cè)

憑借多波束的全覆蓋掃測(cè)和傾斜掃測(cè)能力，很多極具難度的水下結(jié)構(gòu)物均只能通過(guò)多波束進(jìn)行快速水深測(cè)量，如橋墩沖刷掃測(cè)、沉船定位掃測(cè)等等，這都是常規(guī)單波束無(wú)法進(jìn)行的。

疏浚測(cè)量

疏浚測(cè)量在水下測(cè)量領(lǐng)域較為普遍，不管是江河還是海上，都存在著大量的疏浚施工作業(yè)，多波束水深測(cè)量則可以更精準(zhǔn)的反映疏浚的區(qū)域、細(xì)節(jié)以及疏浚量的精準(zhǔn)計(jì)算。

水庫(kù)庫(kù)容計(jì)算、沖刷掃測(cè)等

對(duì)于水庫(kù)，常見的水深測(cè)量應(yīng)用多為庫(kù)容精準(zhǔn)掃測(cè)，消力池安全掃測(cè)、水下沖刷安全研究、大壩破損等安全性掃測(cè)等等。單波束僅僅能夠進(jìn)行較為粗略的庫(kù)容掃測(cè)，對(duì)于沖刷、大壩等事項(xiàng)難以實(shí)施。

水上水下一體化測(cè)量（水下部分）

隨著測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的行業(yè)和領(lǐng)域期望進(jìn)行水上水下一體化測(cè)量作業(yè)，水上部分已經(jīng)隨著三維激光掃描和無(wú)人機(jī)航測(cè)的發(fā)展變的越來(lái)越容易，而水下部分的掃測(cè)卻一直是個(gè)難點(diǎn)，隨著多波束技術(shù)慢慢走進(jìn)大家的視野，水上水下一體化掃測(cè)也變的離我們?cè)絹?lái)越近。

當(dāng)然，多波束的應(yīng)用還有很多很多，未來(lái)會(huì)有更多的領(lǐng)域能夠應(yīng)用到多波束技術(shù)。

擴(kuò)展閱讀

海卓MS8200產(chǎn)品及特點(diǎn)

海卓MS8200多波束測(cè)深儀是專門為專業(yè)海洋測(cè)繪，以及渾濁水和大水深等特殊環(huán)境專門研制的專業(yè)級(jí)產(chǎn)品。除了常規(guī)多波束的優(yōu)勢(shì)之外，還有著和其多波束產(chǎn)品自身相關(guān)的獨(dú)特的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)，也具有一些其自身獨(dú)特的特點(diǎn)，先看一下MS8200的主要技術(shù)指標(biāo)：

* 工作頻率：200kHz

* 波束數(shù)目：512

* 波束寬度：1°×2°

* 波束開角范圍：160°

* 測(cè)深范圍：0.5-400m

* 測(cè)深分辨率：0.75cm

* 測(cè)深模式：等角/等距

* 最大Ping率：60Hz

* 信號(hào)形式：CW/Chirp

* 脈沖寬度：15us-8ms

正因?yàn)槠銶S8200具有以上的技術(shù)指標(biāo)，加之北京海卓同創(chuàng)近二十年的技術(shù)積累，MS8200還具有以下特點(diǎn)：

（1）大掃寬，高效測(cè)量

最大160°波束開角、8倍水深以上的有效覆蓋與最高有效Ping率60Hz相結(jié)合，測(cè)深范圍達(dá)400米，保證專業(yè)海洋測(cè)繪用戶的高效測(cè)量需求。

（2）多功能設(shè)計(jì)，一機(jī)多用

三維水下地形測(cè)量、側(cè)掃成像、水體成像、多目標(biāo)點(diǎn)檢測(cè)功能集成一體，輔助測(cè)量設(shè)備內(nèi)置與外置多種模式可選，滿足用戶不同用途。

（3）渾水優(yōu)化，應(yīng)用廣泛

此款產(chǎn)品不論在內(nèi)河、還是在沿海；不論是清澈水域，還是渾濁水域；不論是精細(xì)結(jié)構(gòu)還是大范圍水深測(cè)量，都可以通過(guò)調(diào)整頻率實(shí)現(xiàn)最佳的測(cè)量效果匹配。

（4）大Ping率，大水深，低功耗

測(cè)量Ping率最大可達(dá)60Hz,最大測(cè)量水深達(dá)到400m，標(biāo)準(zhǔn)功耗在80W以內(nèi)。

（5）全中文交互軟件，軟硬件同步開發(fā)，設(shè)置簡(jiǎn)單，操作難度小

#全中文軟件操作界面，全面升級(jí)的多波束顯控HydroQuest和導(dǎo)航測(cè)量軟件HydroNavi國(guó)際主流多波束測(cè)深系統(tǒng)功能接軌，新增了多種自動(dòng)測(cè)量功能、噪點(diǎn)自動(dòng)刪除功能、多種門限設(shè)置功能和底圖加載功能，滿足外業(yè)測(cè)量的各種需求。

#最重要的軟硬件同步開發(fā)，功能實(shí)用，設(shè)置簡(jiǎn)單，大大降低了操作人員的操作難度。

#另外外業(yè)軟件還具有其滿足國(guó)內(nèi)測(cè)量用戶的各種實(shí)用化功能和功能在開發(fā)的數(shù)據(jù)接口。

#多種門限設(shè)置，能夠有效解決特殊地形測(cè)量問(wèn)題。

#各種背景底圖的加載功能，更方便用戶規(guī)劃測(cè)區(qū)和外業(yè)導(dǎo)航。