摘 要：水深测量是海道测量和海底地形测量的中心环节，目的是为船舶航行提供航道深度以及确定航行障碍物的位置、深度和性质。海洋测深的方法和手段多种多样，自20世纪20年代回声测深技术应用以来，测深技术和方法发生了一次飞跃，在此主要介绍基于回声测深技术的现代测深技术方法和手段。

关键词：回声测深；单波束测深；侧扫声呐测深；多波束测深；机载激光测深

1 回声测深原理

回声测深利用声波的往返进行距离的获取。即由发射换能器向海底发射声波，声波在海水中传播至海底并发生散射和反射，反向散射声波又经海水传播至接收换能器，被接受换能器接收。若已知沿声波传播路径上每一点的速率V（t），并测得声波发射到接收回波的时间间隔t，则测得的深度Z为

Z= Vt

根据换能器的发射声波的个数、声波发射方向以及换能器安置方式不同，测深仪器发展成单波束测深仪、四波束测深仪、侧扫声呐、多波束测深仪等类型。

2 海洋探测的方法及特点

1） 单波束测深系统的原理及其特点

单波束测深就是在测深仪器一个测深周期内仅发射一个声波脉冲。发射系统形成具有一定波束角θ的指向性发射波束，并在发射波束内定时发出声脉冲；测深仪记录器以接收到波束内最先到达回波来计时，再按回声测深原理，在仪器设计声速一定的情况下获得深度数据Z，即

Z=

单波束测深仪能够完成沿航迹线上的断面测量，其测深数据的分布特点是沿航迹线数据密集，而在测线间隔内没有数据。单波束测深实际上是一种非全覆盖的测量方法。如果要提高探测覆盖率，一般需对未知海区进行扫海测量，实现探测的全覆盖，以探明未知海区的地貌和障碍物情况。

2） 侧扫声呐系统的基本工作原理及其特点

侧扫声呐系统是基于回声探测原理进行水下目标探测的。通过系统的换能器基阵以一定的倾斜角度、发射频率，向海底发射具有指向性的宽垂直波束角和窄水平波束角的脉冲超声波，声波传播至海底或海底目标后发生反射和散射，又经过换能器的接收基阵接收海底的反射和散射波，再经过水上仪器的处理用显示装置显示、记录器储存和纸质打印。显然，声波从发射到接收的时间间隔△t，取决于声波往返传播路径的远近。设声波在海水中的传播速度为c（m/s），声波传播的单程距离为S（m），则△t=

当声波传播距离越远时，换能器接收到的声波回波时间△t就越长。由于海底的凸凹不平使得海底或海底目标有的地方被声波照射，有的地方没有被声波照射，反映到记录纸上就是有的地方为黑色，有的地方为白色（目标阴影），类似照相机的摄影照片底板，也就反映出海底的地貌状况。

根据侧扫声呐声图判断海底的地貌状况关系目前大都是通过人工进行的，国内外还没有一个完美的海底地形及障碍物识别和判断软件，因为侧扫声呐声图判读不单单是仪器本身性能的问题，还与测量人员的工作经验的多少、声图质量的好坏以及探测海底的历史资料等因素密切相关。

3） 多波束测深系统的原理及其特点

多波束系统采用发射、接收指向性正交的两组换能器阵获得一系列垂直航向分布的窄波束。在此以波束数位16，波束角为2°×2°的单平面换能器多波束系统为例，探讨多波束系统的探测方法。系统声信号的发射和接收由方向垂直的发射阵和接收阵组成。发射阵平行测量船龙骨方向（船纵向）排列，并呈两侧对称向正下方发射2°（沿船纵向）×44°（船正横）的扇形脉冲声波。接收阵沿船正横方向排列，但在束控方向上接收方式与发射方式相反，以20°（沿船纵向）×2°（船正横）的16个接收波束角接收来自海底照射面积为2°（沿船纵向）×20°（船正横）扇区的回波。接收指向性和发射指向性叠加后，形成沿测量船正横方向，两侧对称的16个2°×2°波束。

因此根据多波束系统的发射、接收原理，可以把多波束系统一次接收32°开角内的回波，获得16个定向窄波束的过程等价地理解为定向发射接收扇区开角32°的16个2°×2°的窄波束。但从发射和接收的角度，换能器阵在32°扇区内定向发射16个2°×2°的立体角投射海底，，在海底形成 16个矩形投影区，矩形投影区声波的发射和散射波按入射路径返回换能器并被接收、记录；每一次发射和接收都会得到一系列的换能器下方的海底测深点。

因此，多波束测量中各波束测深点的空间位置，在忽略声线弯曲的条件下的计算公式为

Di=

式中，C为水中平均声速；θi为第i个波束的入射角；t表示第i个波束从发射到接收声波信号之间的时间间隔；Di表示第i个波束探测得到的水深值；Xi表示第i个波束距多波束换能器中心的水平距离。与单波束测深仪不同的是多波束测深系统具有测量范围大、测量效率和精度高等优点

4） 机载激光测深原理及特点

激光作为一种新型的探测光源，具有单色性高、方向性强、相干性好、强度大等特点。利用绿光或蓝绿光易穿透海水，而红外光不易穿透海水的特点，用光激射器、光接收机、微机控制、采集、显示、存储及辅助设备组成机载激光海洋测深系统。在飞机平台上安装光激射器向海面发射两种不同波长的激光，一种为波长1064nm的脉冲红外光，另一种为波长532nm的绿光。红外光被海面完全反射和散射，而绿光则能够透射至海水中，经水体散射、海底反射和光接收器分别接收这些反射光，组成探测回波信号波形，探测并数字化处理回波信号，就可以得到机高和水深数据信息。

机高：H=

水深：Z=

式中，t为激光脉冲产生与水面回波的时间间隔；c为光速；n为海水的折射率；△t为接收到的海面回波与海底回波时间间隔。

机载激光海洋测深技术具有覆盖面广、测点密度高、测量周期短、所需人员少、低消耗、易管理、高机动性及实施船只无法到达海域的水深测量等特点，在沿岸浅水测图工作中已经得到成功的应用，正日益受到海道测量界的重视。机载激光海洋测深系统已发展成为快速高效率测量浅海水深最具有发展前途的手段之一，以瑞典、澳大利亚和美国的产品较成熟。

3 结论

本文通过对海洋测深方法的介绍使我们对海洋测深的基本理论以及海洋测深方法及其特点有了更加深刻的理解，并为海道测量的学习打下基础。

参考文献

[1]刘雁春 ，海道测量学概论.测绘出版社.