多波束測深系統(tǒng)

多波束測深系統(tǒng)，又稱為多波束測深儀、條帶測深儀或多波束測深聲吶等，最初的設(shè)計構(gòu)想就是為了提高海底地形測量效率。與傳統(tǒng)的單波束測深系統(tǒng)每次測量只能獲得測量船垂直下方一個海底測量深度值相比，多波束探測能獲得一個條帶覆蓋區(qū)域內(nèi)多個測量點的海底深度值，實現(xiàn)了從“點—線”測量到“線—面”測量的跨越，其技術(shù)進(jìn)步的意義十分突出。

多波束測深系統(tǒng)是一種多傳感器的復(fù)雜組合系統(tǒng),是現(xiàn)代信號處理技術(shù)、高性能計算機(jī)技術(shù)、高分辨顯示技術(shù)、高精度導(dǎo)航定位技術(shù)、數(shù)字化傳感器技術(shù)及其他相關(guān)高新技術(shù)等多種技術(shù)的高度集成。自70年代問世以來就一直以系統(tǒng)龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和技術(shù)含量高著稱，世界上主要有美國、加拿大、德國、挪威等國家在生產(chǎn)。

同時獲得多個（典型如127，256個）相鄰窄波束的回聲測深系統(tǒng)。測深時，載有多波束測深系統(tǒng)的船，每發(fā)射一個聲脈沖，不僅可以獲得船下方的垂直深度，而且可以同時獲得與船的航跡相垂直的面內(nèi)的多個水深值，一次測量即可覆蓋一個寬扇面。多波束測深系統(tǒng)一般由窄波束回聲測深設(shè)備（換能器、測量船搖擺的傳感裝置、收發(fā)機(jī)等）和回聲處理設(shè)備（計算機(jī)、數(shù)字磁帶機(jī)、數(shù)字打印機(jī)、橫向深度剖面顯示器、實時等深線數(shù)字繪圖儀、系統(tǒng)控制鍵盤等）兩大部分組成。

測深系統(tǒng)的換能器基陣，由發(fā)射聲信號的發(fā)射陣和接收海底反射回聲信號的接收陣組成。發(fā)射器發(fā)出一個扇形波束，其面垂直于航跡，一般開角為 60°～150°，航跡方向的開角約為0.5°～5°。接收陣接收海底回波信號，經(jīng)延時或相移后后相加求和，形成幾十個或者數(shù)百個相鄰的波束。航跡方向的波束開角一般為1°～3°，垂直于航跡的開角為0.5°～3°。組合發(fā)射和接收波束可得到幾十個或幾百個窄的測深波束。換能器基陣可以直接裝在船底或在雙體船上拖曳。為了保證測量精度，必須消除船在航行時縱橫搖擺的影響，一般采用姿態(tài)傳感器進(jìn)行姿態(tài)修正。

多波束測深系統(tǒng)是利用安裝于船底或拖體上的聲基陣向與航向垂直的海底發(fā)射超寬聲波束，接收海底反向散射信號，經(jīng)過模擬/數(shù)字信號處理,形成多個波束，同時獲得幾十個甚至上百個海底條帶上采樣點的水深數(shù)據(jù)，其測量條帶覆蓋范圍為水深的2一10倍,與現(xiàn)場采集的導(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。

與單波束回聲測深儀相比，多波束測深系統(tǒng)具有測量范圍大、測量速度快、精度和效率高的優(yōu)點,它把測深技術(shù)從點、線擴(kuò)展到面,并進(jìn)一步發(fā)展到立體測深和自動成圖，特別適合進(jìn)行大面積的海底地形探測。這種多波束測深系統(tǒng)使海底探測經(jīng)歷了一個革命性的變化，深刻地改變了海洋學(xué)領(lǐng)域的調(diào)查研究方式及最終成果的質(zhì)量。有些國家自其問世之后,己經(jīng)計劃把所有的重要海區(qū)都重新測量一遍。正因為多波束條帶測深儀與其它測深方法相比具有很多無可比擬的優(yōu)點，僅僅近20多年時間,世界各國便開發(fā)出了多種型號的多波束測深系列產(chǎn)品20世紀(jì)60年代初開始，相繼研制了幾種類型的多波束測深系統(tǒng)，最大工作深度200～12000米，橫向覆蓋寬度可達(dá)深度的 3倍以上。多波束測深系統(tǒng)同綜合衛(wèi)星定位系統(tǒng)配合，由計算機(jī)實時處理標(biāo)繪等深線圖，是70年代末以來海道測量工作的一個突破。

典型多波束系統(tǒng)應(yīng)包括3個子系統(tǒng)：

①多波束聲學(xué)子系統(tǒng)包括多波束發(fā)射接收換能器陣（聲納探頭）和多波束信號控制處理電子系統(tǒng)；

②輔助設(shè)備：提供大地坐標(biāo)的DGPS差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)、用以提供測量船橫搖、縱搖、艏向、升沉等姿態(tài)數(shù)據(jù)的姿態(tài)傳感器、用以提供所測海區(qū)潮位數(shù)據(jù)的驗潮儀、用以提供所測海區(qū)聲速剖面信息的聲速剖面儀等；

③數(shù)據(jù)后處理軟件（典型如Hypack）及相關(guān)軟件和數(shù)據(jù)顯示、輸出、儲存設(shè)備)。

多波束測深系統(tǒng)能夠有效探測水下地形，得到高精度的三維地形圖。

多波束測深系統(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聲波進(jìn)行窄波束接收，通過發(fā)射、接收扇區(qū)指向的正交性形成對海底地形的照射腳印，對這些腳印進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚?，一次探測就能給出與航向垂直的垂面內(nèi)上百個甚至更多的海底被測點的水深值，從而能夠精確、快速地測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。

多波束測深系統(tǒng)國外相關(guān)產(chǎn)品

淺水多波束（1－500） 如Elac公司SeaBeam1185、SIMRAD公司的EM 3000S；

中水多波束（5－2000） 如Elac公司SeaBeam3050、SeaBeam3030、SIMRAD公司的EM 30；

深水多波束（5－5000以深） 如Elac公司SeaBeam3020、SeaBeam3012、SIMRAD公司的EM 300。

多波束測深系統(tǒng)國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品

國內(nèi)最早的多波束測深系統(tǒng)研制開始于二十世紀(jì)80年代中期，該多波束測深系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的模擬波束形成技術(shù)，形成25個波束，沿著航跡方向開角為3°，垂直航跡方向開角為2.4°到5°，覆蓋寬度120°。這也是我國最早的多波束測深系統(tǒng)嘗試，但由于當(dāng)時技術(shù)條件的限制未能投入實際應(yīng)用。2000年后中科院聲學(xué)研究所重點開展了基于相干原理的側(cè)掃聲吶的研究工作，在基于側(cè)掃聲吶的地形地貌探測理論和設(shè)備研制方面取得了重要進(jìn)展。

到二十世紀(jì)90年代初，國家有關(guān)部門從國防安全和海洋開發(fā)的戰(zhàn)略需要出發(fā)，委托哈爾濱工程大學(xué)主持，海軍天津海洋測繪研究所和原中船總721廠參加，聯(lián)合研制了用于中海型的多波束測深系統(tǒng)，該系統(tǒng)屬于用于大陸架和陸坡區(qū)測量的中等水深多波束測深系統(tǒng)，它的工作頻率45kHz，具有左右舷共48個3°×3°的數(shù)字化測深波束，測深范圍10到1000米，覆蓋范圍2到4倍水深（覆蓋寬度126.8°）。該型條帶測深儀的研制成功，使我國成功躋身世界具有獨立開發(fā)與研制多波束測深系統(tǒng)的少數(shù)國家之列。

2006年，哈爾濱工程大學(xué)成功研制了我國首臺便攜式高分辨淺水多波束測深系統(tǒng)，測量結(jié)果滿足IHO國際標(biāo)準(zhǔn)要求，鑒定專家認(rèn)為其主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到現(xiàn)階段國際同類產(chǎn)品先進(jìn)水平，具有極大的推廣價值。

在“十一五”863計劃、國家自然科學(xué)基金等項目的支持下，哈爾濱工程大學(xué)已擁有不同技術(shù)指標(biāo)和特點的HT-300S-W高分辨多波束測深儀、HT-300S-P便攜式多波束測深儀、HT-180D-SW超寬覆蓋多波束測深儀三個型號。其中HT-300S-W高分辨多波束測深儀：小批量生產(chǎn)階段；HT-300S-P便攜式多波束測深儀：小批量生產(chǎn)階段；HT-180D-SW超寬覆蓋多波束測深儀：樣品階段。2100433B