海洋测绘中的测深技术分析

海洋测绘中的测深技术分析

潘加强 ,丰俊宏

浙江华东测绘与工程安全技术有限公司   浙江省杭州市   310000

摘 要：海洋是人类重要的资源库，包括石油、天然气、海盐、珊瑚、鱼类等。海洋测绘可以探测海底地形和地质构造，为石油、天然气开采提供依据；同时还能确定适合建设海洋农业的区域。海洋测绘有助于了解海洋水文、物理、化学等方面信息，保护海洋生态环境，减少海洋污染。例如，测量海底岩石分布，预测海啸、海风暴等自然灾害，减少人员伤亡和损失。基于海洋测绘的重要意义，本文针对海洋测绘中的测深技术进行深入分析，仅供参考。

关键词：海洋测绘;测深技术;技术原理

1 海洋测绘及测深技术的概述

1.1海洋测绘概念

海洋测绘是以海洋为研究对象，运用现代地理信息技术和海洋科技手段，对海洋水文、地形、物理、化学等方面进行系统观测、测量和分析，以获取海洋相关数据信息，生成海图、海图集和数据产品，为海洋开发、海上交通安全、海洋环境保护、科学研究等提供技术支持的一门学科。其涉及海洋测量学、海洋地理信息系统、海洋资料库、遥感和探测技术、海洋信息处理和软件等多个专业领域。

1.2测深技术的概念

测深技术是海洋测绘中一种基础性的技术方法，它通过使用换能器将声波发射至水体，然后通过声波在水中传播的速度和反射回声的时间来计算出水深。测深技术包括单波束测深、多波束测深、激光测深、卫星测深等多种方法，不同的测深方法适用于不同场合的水深测量。测深技术的应用广泛，包括航行安全、海洋地质勘探、深海资源开发、海底电缆敷设等领域。

2 海洋测绘中测深技术的种类及原理

海洋测绘中测探技术的种类很多，目前应用广泛的有：单波束测深、多波束测深、侧扫声呐、LIDAR测深等，这些是海洋测绘中常用的几种测深技术，根据实际需求和设备条件选择合适的测深技术可以提高海洋测绘的效率和精度。

2.1单波束测深技术

2.1.1单波束测深技术的概念

单波束测深技术是一种使用单个声波或超声波波束来测量水深的技术。这种技术广泛用于海洋勘测、海底工程、航海安全等领域中，是一种高效、可靠的测深手段。单波束测深仪将声波或超声波发射到水下，并通过测量声波或超声波回声的时间来计算物体距离和水深。该技术的原理是基于声波或超声波的反射和回声实现的，所以只能在液体介质中使用。单波束测深技术具有测量精度高、操作简单方便、测量范围广等优点。同时，它也存在一些缺点，比如在复杂海底环境下会产生误差，需要进行地形校正和数据处理等问题。

2.1.2单波束测深技术的运行原理

单波束测深技术的运行原理是基于声波或超声波在水中传性，通过发送单个声波或超声波波束，观察其在水中反射和回声的时间，从而计算出物体距离和水深。具体流程：发射光波—接收回声—数据处理—显示结果。需要注意的是，单波束测深技术需要能够反射声波或超声波的物体才能进行测。如果水下环境很复杂，比如有洞穴、悬崖等地形，就会影响测量精度，甚至可能导致错误的水深测量结果。此时，需要进行更为精确的测深技术和数据处理方法。

2.2 侧扫声呐技术

2.2.1 侧扫声呐技术的概念

侧扫声呐技术是通过在声呐航行器两侧分别安装发射和换能器来实现的。这些发射和换能器分别以不同角度向水下发射和接收声波，在声呐航行器行进的过程中，能够实时测量水下物体的距离和形态，并将这些信息转化为三维图像或者二维图像，展示出来。由于侧扫声呐技术可以提供高分辨率、高精度的水下图像，因此被广泛应用于海底环境检测、地质勘探、海洋生态调查、水下遗产探测和海底管线等领域。

2.2.2 侧扫声呐技术的运行原理

当发射器向一个方向发出声波时，这些声波会在水中传播并与水下物体相互作用。当声波遇到物体时，一部分声波会反弹回来，称为回波信号。换能器会接收到这些回波信号，并将信号放大以进行处理。由于声波的速度固定，所以可以通过测量发射声波和接收回波信号之间的时间差来计算出水下物体到声呐航行器的距离。为了获取更多信息，侧扫声呐通常会在不同角度和深度发射声波。换能器会记录回波信号的时间和位置，然后根据这些数据构建三维或二维图像，展示出来。这样就可以清晰地观察水下物体的形态和分布情况，对水下环境进行全面的探测和研究。

2.3 LIDAR（机载激光测深）测深

2.3.1 LIDAR（机载激光测深）测深的概念

当激光器发射出脉冲激光时，这些光束会在水面上形成一个小的圆形。当光束进入水下后，它们会继续传播，并被水下物体反射回来。捕获这些反射光信号，并通过计算光的行进时间来确定自己和水下物体之间的距离。LIDAR测深技术可以针对水下不同深度进行多次扫描，然后将每个深度的数据合并起来，形成一个三维测深图像。LIDAR测深技术也可以使用红绿激光来进行深度测量：红激光：在海洋环境中，红激光可以被用于探测海底地形和水下障碍物，例如礁石、岩石等。红激光的波长较长，相对于水的折射率较小，可以穿透一定程度的水层，达到较高的深度分辨率和空间分辨率。此外，红激光还可以在海水中逐渐被吸收，这可以使得海底特征更加清晰可见。绿激光：绿激光的波长短一些，相对于水的折射率略大，因此更容易被吸收。然而，绿激光在浅海环境中仍然是有用的，因为它可以更好地探测海草或其他浮在水面上的物体。另外，在带有浊度的水域中，绿激光可以反射并显示出更多的细节。

2.3.2 LIDAR（机载激光测深）测深的运行原理

发射激光：激光器发射出脉冲激光，这些光束会在水面上形成一个小的圆形。激光进入水下：当激光进入水下后，它们会继续传播，并被水下物体反射回来。接收反射信号：会捕获这些反射光信号，并记录下它们回来的时间。计算距离：基于已知的激光速度，可以通过计算光的行进时间来确定自己和水下物体之间的距离。生成深度图像：LIDAR可以在海底不同深度进行多次扫描，然后将每个深度的数据合并起来，形成一个三维测深图像。总的来说，LIDAR测深技术利用激光束和计算机技术对水下物体进行高精度的距离测量和数据处理，从而生成准确的水下地形和水文数据。

2.4多波束测深

2.4.1多波束测深技术的概念

多波束测深技术是一种利用多个声波束对海底进行扫描的高精度测深方法。它可以同时获取多个声波束的反射数据，并结合船舶运动参数、传感器位置和姿态等信息，精确地计算海底水深和形状，生成三维海底地形模型。

2.4.2多波束测深技术的运行原理

具体的运行过程如下：

传感器阵列：多波束测深系统通常是多个传感器组成的阵列，这些传感器通过电缆与船体相连。发射声波：阵列会同时向不同方向发射多个声波束，在不同的角度和方向下覆盖海底的不同区域。这些声波以固定的频率和幅度发射，然后沿着各自的路径向海底传播。接收回波：当声波束撞击海底时，它们会产生反射信号，被传感器阵列接收并转换为电信号。每个传感器会测量每个声波束的回波信号的时间延迟和强度，并将这些数据记录下来。处理数据：接收到回波信号后，多波束测深系统会通过算法处理这些数据，计算出每个声波束的深度信息。这些深度信息可以在水平方向组合起来形成一个三维地形模型。数据显示：多波束测深系统会将计算出的深度和地形信息显示在船上的监控显示屏上，帮助船员确定海底的形状和水深。同时，这些数据也可以存储和传输到后续的数据处理和分析阶段。

3 结束语

综上所述，单波束测深利用单个声波束发射声波，在水下表面与海底之间反射，然后接收回波以测量水深；多波束测深通过发射多个声波束，可以在一个扫描范围内同时收集大量深度信息，更准确地重建水下地形；LIDAR测深技术可以针对水下不同深度进行多次扫描；侧扫声呐技术是通过在声呐航行器两侧分别安装发射和换能器来实现不同测深，可以根据实际需求选择合适的技术手段进行海洋测绘。

参考文献

[8] 陆秀平.海底地形精密测量数据处理理论方法与应用研究[D].武汉：海军工程大学，2011.

[9] 赵建虎，刘经南.多波束测深及图像数据处理[M].武汉：武汉大学出版社，2008.

[1]李满富.海洋测绘中的测深技术分析[J].科技创新与应用,2022,12(34)