海洋探測的方法及特點

何少林?武婷婷?王留強?王超

摘 要：水深測量是海道測量和海底地形測量的中心環(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。海洋測深的方法和手段多種多樣，自20世紀20年代回聲測深技術應用以來，測深技術和方法發(fā)生了一次飛躍，在此主要介紹基于回聲測深技術的現(xiàn)代測深技術方法和手段。

關鍵詞：回聲測深；單波束測深；側掃聲吶測深；多波束測深；機載激光測深

1 回聲測深原理

回聲測深利用聲波的往返進行距離的獲取。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的速率V（t），并測得聲波發(fā)射到接收回波的時間間隔t，則測得的深度Z為

Z= Vt

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

2 海洋探測的方法及特點

1） 單波束測深系統(tǒng)的原理及其特點

單波束測深就是在測深儀器一個測深周期內(nèi)僅發(fā)射一個聲波脈沖。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)定時發(fā)出聲脈沖；測深儀記錄器以接收到波束內(nèi)最先到達回波來計時，再按回聲測深原理，在儀器設計聲速一定的情況下獲得深度數(shù)據(jù)Z，即

Z=

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

2） 側掃聲吶系統(tǒng)的基本工作原理及其特點

側掃聲吶系統(tǒng)是基于回聲探測原理進行水下目標探測的。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、記錄器儲存和紙質打印。顯然，聲波從發(fā)射到接收的時間間隔△t，取決于聲波往返傳播路徑的遠近。設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=

當聲波傳播距離越遠時，換能器接收到的聲波回波時間△t就越長。由于海底的凸凹不平使得海底或海底目標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（目標陰影），類似照相機的攝影照片底板，也就反映出海底的地貌狀況。

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

3） 多波束測深系統(tǒng)的原理及其特點

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)的探測方法。系統(tǒng)聲信號的發(fā)射和接收由方向垂直的發(fā)射陣和接收陣組成。發(fā)射陣平行測量船龍骨方向（船縱向）排列，并呈兩側對稱向正下方發(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，形成沿測量船正橫方向，兩側對稱的16個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個定向窄波束的過程等價地理解為定向發(fā)射接收扇區(qū)開角32°的16個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2°×2°的立體角投射海底，在海底形成 16個矩形投影區(qū)，矩形投影區(qū)聲波的發(fā)射和散射波按入射路徑返回換能器并被接收、記錄；每一次發(fā)射和接收都會得到一系列的換能器下方的海底測深點。

因此，多波束測量中各波束測深點的空間位置，在忽略聲線彎曲的條件下的計算公式為

Di=

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

4） 機載激光測深原理及特點

激光作為一種新型的探測光源，具有單色性高、方向性強、相干性好、強度大等特點。利用綠光或藍綠光易穿透海水，而紅外光不易穿透海水的特點，用光激射器、光接收機、微機控制、采集、顯示、存儲及輔助設備組成機載激光海洋測深系統(tǒng)。在飛機平臺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，組成探測回波信號波形，探測并數(shù)字化處理回波信號，就可以得到機高和水深數(shù)據(jù)信息。

機高：H=

水深：Z=

式中，t為激光脈沖產(chǎn)生與水面回波的時間間隔；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間間隔。

機載激光海洋測深技術具有覆蓋面廣、測點密度高、測量周期短、所需人員少、低消耗、易管理、高機動性及實施船只無法到達海域的水深測量等特點，在沿岸淺水測圖工作中已經(jīng)得到成功的應用，正日益受到海道測量界的重視。機載激光海洋測深系統(tǒng)已發(fā)展成為快速高效率測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 結論

本文通過對海洋測深方法的介紹使我們對海洋測深的基本理論以及海洋測深方法及其特點有了更加深刻的理解，并為海道測量的學習打下基礎。

參考文獻

[1]劉雁春 ，海道測量學概論.測繪出版社.