多波束测深系统
海洋资源勘探中多波束测深技术的使用教程与数据解析
海洋资源勘探中多波束测深技术的使用教程与数据解析多波束测深技术是一种常用于海洋资源勘探的技术手段，它能够获取水深信息及海底地形的详细数据。
在海洋资源开发中，多波束测深技术的使用对于确定合适的海洋资源勘探区域、制定勘探策略以及评估资源储量具有重要意义。
本文将介绍多波束测深技术的使用教程，并对采集得到的数据进行解析，帮助读者更好地理解和应用该技术。
一、多波束测深技术的使用教程1. 系统组成和工作原理多波束测深系统由船舶上的测深设备和水下激光和声波传感器组成。
其工作原理是通过水下传感器发射声波或激光束，然后接收反射回来的信号。
根据声波或激光束的传播时间和反射信号的强度，系统可以计算出水深和海底地形的数据。
2. 数据采集与处理首先，需要确定好勘探区域，并安装好多波束测深系统。
然后，船舶将沿着预定航线行驶，将水下传感器降入水中，并开始采集数据。
数据采集完成后，将数据传输到上层计算机或处理设备进行处理和分析。
3. 数据处理和解析在数据处理过程中，需要注意以下几个关键步骤：（1）数据预处理：将原始数据进行校正和处理，消除噪声和干扰。
（2）波束角和波束间距校正：根据传感器的参数，对波束角和波束间距进行校正，以确保准确的水深测量。
（3）水深计算：利用声速、传播时间和反射信号强度等参数，计算出每个波束的水深。
（4）海底地形重建：通过对水深数据的空间插值和拟合，可以重建出海底地形的模型。
（5）数据分析和应用：根据海底地形模型，可以进行资源储量评估、选址规划和勘探策略制定等工作。
二、多波束测深数据的解析多波束测深数据包含了丰富的水深和地形信息，通过对数据的解析，可以获取更多有用的信息。
1. 水深信息水深是多波束测深数据中最基本的信息，可以直接用于绘制海图、制定航线和进行港口测量等工作。
在数据解析中，需要注意水深的精确性和可靠性，对数据进行有效的预处理和校正。
2. 海底地形信息通过对多波束测深数据的地形重建，可以获得详细的海底地形模型。
多波束测深系统在内河航道测量中的运用
多波束测深系统在内河航道测量中的运用多波束测深系统在内河航道测量中的运用摘要：在三角碛河段卵石沙波运动观测中，用SEABAT 8101多波束测深系统对一段航道试验段做了2次重复水深测量，目的是研究在短时间内河床卵石沙波微小变化。
讨论了多波束系统的安装校准及质量控制问题；分析了测量中的主要误差源。
通过对测量结果的分析表明，多波束测量的水深数据在反映水下微地形和分析局部沉积物运移趋势中，具有传统单波束测深不可比拟的优势。
关键词：多波束水下扫描误差来源多波束测深系统简介多波束测深是水声技术、计算机技术、导航定位技术和数字化传感器技术等多种技术的高度集成，最常使用在海洋环境中，多波束测深系统打破了传统单波束以点为基础的离散式的作业模式，而代之以空间面为基础的立体式作业模式，实现了立体测图、智能处理以及自动化成图。
其工作原理是通过换能器阵进行声波广角度定向发射、接收，运用各种传感器（卫星定位系统、运动传感器、电罗经、声速剖面仪等）对各个波束测点的空间位置进行归算，从而获取与航向垂直的条带式高密度水深数据。
与传统的单波束测深技术相比较，多波束测深系统优势明显。
①多波束系统采用了全覆盖的测量方式，采集的数据全面，能真实的反映河床地形；②多波束系统同步记录船体姿态信息，起伏、纵摇、横摇、航向等，由后处理软件对测量结果进行校正，使测量结果受外界不利因素影响减小到最低限度；③多波束系统后处理软件功能强大，能对测量资料进行多种成图处理，可生成等值线图、三维立体图、彩色图像、剖面图等，同时还能对同一测区不同测次进行比较以及土方计算等，极大地提高了工作效率；④多波束系统应用的采集软件具有实时成像功能，可以直观地看到水下的地形起伏，以及护岸工程的效果，便于指挥决策和重点监测，利用软件的回放功能，不仅在现场而且在室内也能演示；⑤多波束系统通过后处理软件可以绘制任意比例尺水下图形图，可以满足高精度的水利工程测量要求。
与常规多波束系统不同，SEA BAT 8101 采用特殊的波束形成方法，即在发射和接收时，系统均产生完全经过横摇校正的波束，此项技术被称为旋转定向发射（RDT），其优点为：在发射和接收时无论在沿航迹方向还是垂直航迹方向均可以获得极好的指向性，换能器小但声源级高、系统的安装应用非常方便灵活、旁瓣抑制好于36dB、错误率低。
海底探测技术 第7章 多波束测深系统的工作原理及数据处理分析
发射换能器组成 发射探测波束 海底检测方法 海底覆盖宽度
脚印大小 测点分布 测深精度
适宜工作区
物理多波束 多个换能器阵 数量少（一般 小于5个） 振幅检测
小（一般小于 水深的两倍）
有
物理换能器决 定 精度高
河道测量
电子多波束 一个或二个换能器阵 波束多，一般大于90个
相干声呐 二个换能器阵 球面波无具体波束
海底探测技术
第一章 绪论 第二章 定位导航技术 第三章 声波探测的基本原理 第四章 声学海底探测设备的组成及分类 第五章 单波束测深设备的组成及工作程序 第六章 侧扫声呐工作原理及探测资料分析 第七章 多波束测深系统的工作原理及数据处理分析 第八章 浅地层探测系统的工作原理及资料分析 第九章 综合探测的实施原则及水下声学定位系统
电罗经
测深仪工作频率不同 操作人员较多
各测深仪吃水变化 数据处理繁杂
航向与船首方向不一致
波束角极小 水体声速曲线
物理多波束
测深仪工作频率不同 操作人员较多
水体声速为平均声速
各测深仪吃水变化 数据处理繁杂
航向与船首方向不一致
电子多波束
相干声呐（条带测深系统）
实现在不增加工作量前提下，得到丰富数据的目的
振幅检测+相位检测或仅有 相位检测 振幅检测
仅有振幅检测的小于水深的 可达水深的10倍以 两倍；振幅检测+相位检测 上 小于水深的8倍
有
仅有声呐水平波束
角
正下方测点多边缘波束少 测点可无限但正下 方无准确测点
正下方精度高，边缘精度低 边缘精度低，正下 方无测点，30～50 度角度区精度高
全海深
距水底小于50m地形 相对简单的海区
纵倾
多波束测深与测扫声呐的比较
多波束测深与测扫声呐的比较：（1）侧扫声纳是目前常用的海底目标(如沉船、水雷、管线等)探测工具,在测深领域,多波束以全覆盖和高效率证明了它的优越性。
由于多波束具有很高的分辨率,目前在工程上已经开始应用多波束进行海底目标物的探测。
（2）多波束的最大优点在于定位精度高,但其适用范围不如侧扫声纳广泛,尤其受到水深和波束角的限制,多波束和侧扫声纳在探测海底目标时具有很好的互补性,同时应用可以提高目标解译的准确性。
（3）侧扫声纳能直观地提供海底形态的声成像,但这种声像只能由目标影子长度等参数估计目标的高度,所以对数据解译人员的要求很高。
多波束测深系统主要用于进行水下地形测量。
（4）探测目标机制的差异：多波束是一种测深工具而并非成像系统,无法直接在记录纸上进行打印,必须先构建数字地形模型(digitalterrainmode,lDT M)，再根据DTM构建地貌影像图，从而能够反映细微的地形起伏所导致的坡度和坡向变化;此外,多波束的中央波束探测效好，边缘波束效果差;多波束采用三维可视化的方法进行目标判断,在3DGIS系统中可以直接提取目标物的平面位置和高度,还能够从不同的角度进行观察,便于掌握目标物的形状特征。
但是,除非我们在进行测深的同时采集反向散射强度信息,否则我们无法得到与目标物的底质类型相关的信息,因此,多波束比较适合于沉船或者管线等容易根据形状进行判断的目标。
现在的侧扫声纳技术有两个缺点,首先它的横向分辨率取决于声纳阵的水平角宽,分辨率随距离的增加而线性增大,其次它给不出海底的准确深度。
当前只有两种声纳可做海底三维成像,即等深线成像和反向散射声成像,前一种是多波束测深声纳(如Multi-beamSonarSystem),后一种是测深侧扫声纳。
总体说来,前者适宜于安装在船上做大面积测量,后者适宜于安装在各类水下载体上,包括拖体、水下机器人(AUV)、遥控潜水器(ROV)和载人潜水器(HUV),进行细致的测量。
多波速测深系统在水深测量中的应用
多波速测深系统在水深测量中的应用摘要：多波束测深技术已经成为水下地形测量工程中的一种非常重要的水深测量方法。
由于多波束测深系统是一套多传感器的综合性测量系统，与单波束测深设备相比，其测深误差具有一定的复杂性和隐蔽性。
在多波束测量过程中，自然因素、仪器设备因素、人为操作因素等都会不同程度地影响测量精度。
为获取高精度的多波束测量成果，必须对整个多波束测量过程进行严密的质量控制。
关键词：多波束测深系统；水深地形测量；水深数据；系统误差1 前言近年来，随着计算机以及卫星定位测量的高速发展，多波束测深系统的应用越来广泛，特别是在发达的欧美国家，多波束测量已经成为水下地形测量的常规手段。
我国也陆续从国外引进大量多波束测深系统，并广泛应用于江河、水库、湖泊、海洋水下地形的测量。
多波束测深系统在河道疏浚及港口、码头、桥梁工程的测量，并在抗洪抢险实时监测及溃口、崩岸监测，江岸堤防工程及险工险段水下监测，水下管线、电缆布设监测，水下工程检测，沉船、水下物体打捞搜寻等方面有着良好的应用，在国家经济建设中发挥着越来越重要的作用，对我国测绘事业的发展也有着积极的影响。
2 多波束测深系统组成一套完整多波束测深系统包括声呐湿端、干端显控计算机、辅助传感器以及数据采集和后处理系统。
其中，声呐湿端完成声学信号的发射和采集，并结合辅助传感器实现声学数据与传感器数据的同步及传输；干端显控计算机结合显控软件、采集软件和后处理软件，主要完成系统控制和数据处理，从而获得水底绝对深度，即从基准水平面至水底的深度值。
多波束测深系统组成如图1所示。
图1 多波束测深系统组成3 多波束测深系统水深测量应用在测量阶段，应收集测区已有的水文资料，并根据测区实地查勘情况及任务的要求制定周密的测量计划和多波束扫测质量控制方案，并使其贯穿整个多波束测量过程。
多波束测深系统在水深测量的应用具体内容主要包括：（1）测区查勘与资料收集；（2）多波束系统的安装校准；（3）测量船动吃水测定；（4）测线布设。
心得体会：多波束测深系统在黄河水下地形测量中的应用
心得体会：多波束测深系统在黄河水下地形测量中的应用多波束测深系统是河道基础地形勘测中的一项高新技术产品，是一种全新的高精度、全覆盖式、高效率的测深技术。
它可以接收河底地形反射回波信号，根据各角度声波到达的时间延迟，得到水底多个点的水深值。
与单波束回声测深仪相比，多波束测深系统具有测量范围大、测量速度快、精度和效率高的优点，特别适合进行大面积的水下地形探测。
多波束测深系统主要由换能器、表面声速仪、剖面声速仪、罗经姿态仪、GPS 定位授时仪等设备组成。
其中，换能器同时测定水下多个点的回波时间，罗经姿态仪精确测定换能器的实时姿态，表面声速仪、剖面声速仪获得不同水深的声速，GPS确定换能器的实时空间坐标，GPS定位授时仪同步各个传感器数据的时间轴，确保各个数据在同一时刻产生。
由同一时刻的位置、姿态、声速、回波时间可以精确计算出各个点的空间坐标。
黄河系多泥沙河流，下游为游荡性河道，水流宽浅散乱。
因此，黄河下游床面形态的观测十分困难。
20世纪50年代末，黄河下游花园口河段曾利用测深杆进行了沙垄的观测。
但是，鉴于观测条件及观测技术的限制，获得的观测资料很少且不系统，难以完全反映花园口河段床面形态的特征。
鉴于此，在黄河花园口约5千米区域利用多波束测深系统进行不同时期的主河槽水下地形信息获取，用于研究黄河河水不同泥沙含量对黄河沙垄变迁的影响。
多波束测深系统利用回声测量水深，水越浅，泥沙含量越大，越容易在采集数据时形成噪点。
数据后处理时，必须首先对测量的原始数据进行去噪。
黄河沙垄变迁研究项目的数据后处理中，需要采用自动滤波和手动滤波相结合的方式来处理噪声。
从X年的观测结果来看，在花园口站流量为800～1200立方米每秒左右的情况下，黄河下游花园口河段的床面形态主要表现为不均匀的沙垄，沙垄尺度沿河流方向及断面方向的分布都不均匀，沙垄波长一般在10～50米，波高在0.5～1.2米之间。
从观测河段的整体纵剖面来看，黄河下游花园口河段床面形态为复式沙垄，即存在一个波长800～1200米、波高3米左右的一个大沙垄，而上述小尺度的沙垄附着在这一大沙垄上。
多波束测深系统优势
多波束测深系统优势：多波束测深系统，是一种多传感器的复杂组合系统，是现代信号处理技术、高性能计算机技术、高分辨显示技术、高精度导航定位技术、数字化传感器技术及其他相关高新技术等多种技术的高度集成。
最初的设计构想就是为了提高海底地形测量效率。
与传统的单波束测深系统每次测量只能获得测量船垂直下方一个海底测量深度值相比，多波束探测能获得一个条带覆盖区域内多个测量点的海底深度值，实现了从“点—线”测量到“线—面”测量的跨越，其技术进步的意义十分突出。
因此多波束测深系统正日益受到海道测量同行的认可，并在实际生产中发挥着越来越重要的作用。
与单波束回声测深仪相比，多波束测深系统具有测量范围大、测量速度快、精度和效率高的优点，它把测深技术从点、线扩展到面,并进一步发展到立体测深和自动成图，特别适合进行大面积的海底地形探测。
这种多波束测深系统使海底探测经历了一个革命性的变化，深刻地改变了海洋学领域的调查研究方式及最终成果的质量。
正因为多波束条带测深仪与其它测深方法相比具有很多无可比拟的优点，仅仅近20多年时间，世界各国便开发出了多种型号的多波束测深系列产品。
20世纪60年代初开始，相继研制了几种类型的多波束测深系统，最大工作深度200～12000米，横向覆盖宽度可达深度的3倍以上。
多波束测深系统同综合卫星定位系统配合，由计算机实时处理标绘等深线图，是70年代末以来海道测量工作的一个突破。
时至今日，各个国家生产的多波束又更新换代，横向覆盖宽度可达深度的6倍，波束角可达140°，分辨率可达1cm。
因我国的高精度的水下多波束测量系统正处于研发阶段，尚未有成熟的国产系统，故只能采用进口仪器。
应用领域：广泛应用于江河、湖泊、沿海水下地形的测量;河道疏浚及港口、码头、桥梁工程的测量；并在沉船、水下物体打捞搜寻方面有着良好的应用，在国家基础经济建设中发挥着越来越重要的作用。
总之，多波束测深系统在水下地形测量中的应用将会日益普及。
海底地形地貌调查多波束测深基本要求
海底地形地貌调查多波束测深基本要求一、关键词1多波束测深系统multi beam echo sounding system, MBESS由多波束测深仪及其相关外部设备（定位仪、罗经、运动传感器、表层声速计、声速剖面仪等）和数据采集和数据后处理软硬件组成的系统。
2纵倾角度pitch多波束测深系统声学换能器基准面前后倾斜的角度。
3纵倾偏差pitch offset纵倾角度的测量值与实际值的差值。
4横摇角度roll多波束测深系统声学换能器基准面左右摇摆的角度。
5横摇偏差roll offset横摇角度的测量值与实际值的差值。
6艏向偏差yaw offset多波束换能器艏向方向与罗经指向之间存在的差值。
7起伏高度heave测量船作上下升沉运动，起伏高度的变化值，也称为升沉值。
8波束接收率beam acceptance rate多波束测深仪接收波束数与设备发射波束数的百分比。
9脚印foot-print一个波束在海底照射的面积，即波束立体角与海底面的交切面。
发射波束与海底反射接收波束相交形成一系列的波束脚印（即波束在海底投射形成的斑块），它们是海底地形地貌的一组采样点，排列形成一个带状区域。
10扫幅宽度swath-width一次完整发射（Ping）波束所产生脚印在垂直龙骨方向上的累计长度，即测线两侧最远到达的距离之和。
注：同义词为覆盖宽度、条幅宽度。
11条幅重叠率swath overlap rate相邻测线间条带重叠部分的宽度与覆盖宽度的百分比。
12全覆盖测量full coverage survey多波束勘查时，波束脚印无缝衔接测量，实现调查区内各相邻测线间无测量空白，且相邻条幅重叠率达到指定要求。
二、调查目的根据任务要求实施多波束调查，获取海底地形地貌数据，通过对调查数据的校正和改正，进行数据分析、处理和成图，编绘调查区海底地形地貌图。
三、采用基准1坐标系统采用“2000国家大地坐标系（CGCS2000）”。
2高程基准采用“1985国家高程基准”，远离大陆的岛礁，高程基准采用当地平均海面。
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总体来讲，安装目的就是要保证高精密仪器换能器和
罗经的稳定性，具体安装操作还有许多细节，这儿也就不
在一一表述了。
题外话：公司至今没有多波束的专业测量船，项目的
船舶有时不太符合测量需要，测出来的数据质量就不太理
想，就如2012年在莱州测量的时候，数据质量问题较大，
多波束测深系统主要由以下部分组成 ①换能器：发射和接受波束 ②OCTANS罗经：实时船舶定向和船舶姿态 ③GPS：测量定位 ④SIM接线盒：定位数据、水深数据、船舶姿态数据的集中合
成 ⑤工业电脑：数据存储和处理，实时测量显示 ⑥表面声速仪：安装在换能器附近，实时测得换能器处海水
声速 ⑦声速剖面仪：测量不同海水深度剖面声速
因此，要想获得准确的数据，天气和海况需满足测量 要求。
2、声速控制
无论是多波束，亦或者是单波束，海洋测量的基本原 理就是利用的声纳学原理，因此声速的准确与否，直接关 系到测量的准确与否，因此，每次测量，都要对声速进行 准确的测定。
3、仪器的准确连接及测量船的正常驾驶都会对测量数 据产生一定的影响。
多波束测深系统
一、多波束测深系统简介与组成
1、多波束定义及特点
多波束测深系统是一种可以同时获得多个（典型256个） 相邻窄波束的回声测深系统。与传统的单波束测深系统每 次测量只能获得测量船垂直下方一个海底测量深度值相比， 多波束探测能获得一个条带覆盖区域内多个测量点的海底 深度值，实现了从“点—线”测量到“线—面”测量的跨 越，其技术进步的意义十分突出。
三、多波束测量的质量控制
本章是该课件的重点章节，我们从以下几点对其做详 细介绍。
一、安装控制
因多波束是现代信号处理技术、高性能计算机技术、
高分辨显示技术、高精度导航定位技术、数字化传感器技
术及其他相关高新技术等多种技术的高度集成，因此它对
作业平台有较为严格的要求：
1、工作船只不宜太小，应以长度在20m以上，宽度在4m 以上的船只为宜，这种船只才能保证工作平台的稳定性， 使得罗经的改正达到最佳状态。
有些国家自其问世之后,己经计划把所有的重要海区都重新测量 一遍。正因为多波束条带测深仪与其它测深方法相比具有很多无可 比拟的优点，仅仅近20多年时间,世界各国便开发出了多种型号的多 波束测深系列产品，20世纪60年代初开始，相继研制了几种类型的 多波束测深系统，最大工作深度200～12000米，横向覆盖宽度可 达深度的 3倍以上。
3、内业数据处理质量控制
数据的内业处理是一个耐心和经验，以及责任心的问 题，再次不做详细介绍。
四、多波束测量误差来源与分析
上一节质量控制里也涉及了一部分误差来源和分析的知 识，在这一节在做详细说明。 误差来源一般分为系统误差和偶然误差，系统误差是系 统本身的稳定性所造成的，我们无法改变，我们能改变的 仅仅是偶然误差，那么偶然误差的来源又有那些呢？ 一、海况影响 罗经就类似人的大脑，它对平衡的调节能力有一定 的限度，当超过这个限度后，就无法再继续实施调节。
目前世界上主要有美国、加拿大、德国、挪威等国家在生产此 系统，国产多波束尚处于调试阶段，无市场化应用。
谢谢！
定宽度内水下目标的大小、形状和高低变化，比较可靠地描绘出海底
地形的三维特征。
2、多波束工作流程简介
1、仪器组装
仪器安装是多波束测量的首要条件，也是极为重要的环节之一。
安装杆振动的例子
2、外业测量 无论多波束或者单波束，外业测量环节都是整个测量
过程最为重要，也是决定数据质量最为关键的环节。后面 质量控制和误差来源分析里我们再做详细的描述。 3、内业数据处理 内业数据处理相对来说，操作难度较为繁琐复杂，但 对数据质量没有太大的实质性影响。
二、多波束工作流程简介
1、多波束工作原理
多波束测深系统的工作原理是利用发射换能器阵列向海底发射宽
扇区覆盖的声波，利用接收换能器阵列对声波进行窄波束接收，通过
发射、接收扇区指向的正交性形成对海底地形的照射脚印，对这些脚
印进行恰当的处理，一次探测就能给出与航向垂直的垂面内上百个甚
至更多的海底被测点的水深值，从而能够精确、快速地测出沿航线一
但是集合全局测量精英，李素江院长也亲自过来指导，最
终也没有找出原因，后来换了一艘大船，问题也就没了。
二、测量过程的控制
1、天气和海况的影响
因换能器和罗经为高精密仪器
对环境反应较为敏感，如果仪器工作平台处于非常不稳定 的状态，对数据质量和仪器的安全均有较大影响，因此当 海况或者天气不好的时候，测量数据一般不太理想（这儿 有个题外话，如今项目比较多，航道往往较长，工程比较 紧，有些时候，在天气不允许的情况下，我们也进行测量， 效果不好。）
二、水位影响
水位影响一般较小，但却也是一个不容忽略的影响因 素。
三、其它影响因素还包括：声速、水质、吃水的量取、以 及内业roll、picth、yaw值的计算，外业船型的量取。
五、多波束应用前景
与单波束回声测深仪相比，多波束测深系统具有测量范围 大、测量速度快、精度和效率高的优点,它把测深技术从点、 线扩展到面,并进一步发展到立体测深和自动成图，特别适 合进行大面积的海底地形探测。这种多波束测深系统使海 底探测经历了一个革命性的变化，深刻地改变了海洋学领 域的调查研究方式及最终成果的质量。Fra bibliotek单波束
多波束
First contact of the beam on the seafloor
Dozens/hundreds of independent beams on seafloor
2、多波束组成
多波束测深系统是一种多传感器的复杂组合系统,是现 代信号处理技术、高性能计算机技术、高分辨显示技术、 高精度导航定位技术、数字化传感器技术及其他相关高新 技术等多种技术的高度集成。自70年代问世以来就一直以 系统庞大、结构复杂和技术含量高著称。它的主要部件包 括：