单波束和多波束
多波束与单波束在内河大比例尺水下地形测量的效率及精度分析
多波束与单波束在内河大比例尺水下地形测量的效率及精度分析【摘要】本文以贵港至梧州3000吨级航道交工验收测量项目的内外业成果为基础，对比多波束与单波束在大比例尺内河航道测量时的优势与劣势，为相似的水下地形测量提供参考。
【关键词】多波束；单波束；水下地形测量1概况西江航运干线贵港至梧州3000吨级航道工程位于西江贵港航运枢纽至梧州界首河段，建设规模按通航内河3000吨级船舶标准设计，通航保证率为98%。
本项目的实施是为贵港至梧州3000吨级航道整治工程交工验收提供多波束扫测数据，检测施工后的水深是否满足疏浚水深要求。
验收测量要求使用多波束全覆盖扫测，为对比单波束与多波束在该内河航道的测量优缺点，实际测量时在船上同时安装单波束与多波束设备，按规范要求对两种设备进行检查和校验，并选取三个整治滩段分别使用单波束和多波束测量，进行两者效率的比对。
测区河段多为炸礁、疏浚整治后的河段，小部分天然的河段，水下地形复杂，深度变化大，在此环境下进行多波束与单波束测深技术的效率及精度对比，结果具有一定的代表性。
2单波束和多波束测深系统原理2.1单波束测量原理单波束测深仪工作原理是换能器朝水下发射一定频率的超声波，再接收水底反射的声波，通过两次声波的时间差与测量水域已知的声速，计算出水深数据。
本项目使用的单波束的测量波束角为5°，测深仪在测量时取波束扇面光斑范围内（脚印）的最浅点作为该位置的水深值。
图2-1单波束测深示意图2.2 多波束测量原理多波束测深系统是利用发射换能器阵列向水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定宽度内水下目标的大小、形状和高低变化，描绘水底地形的三维特征。
图2-2多波束测深示意图图2-3单波束与多波束测深效果示意图2.3 单波束系统与多波束系统优劣势简介及设备参数单波束测深仪和多波束测深仪在内河航道测量时各有优缺点，单波束测深仪价格低，携带、安装方便，可适用包括小型船只在内的各种船舶，能在浅水区测量。
多波束形成方法及其实现
多波束形成方法及其实现多波束形成（Multi-beamforming）是一种通过使用多个天线元素来形成多个波束（beam）的技术，以增强无线通信系统的信号质量和容量。
多波束形成可应用于各种无线通信系统，包括无线局域网（WLAN）、移动通信系统（如LTE和5G）以及卫星通信系统等。
本文将介绍多波束形成的基本原理、方法及其实现。
多波束形成的基本原理是通过利用多个天线元素的互相合作来形成多个波束，以提高系统的整体性能。
传统的单波束系统只能向特定方向发送和接收信号，而多波束形成系统可以同时向多个方向发送和接收信号，从而实现更高的信号覆盖范围和通信容量。
1.天线阵列设计：多波束形成需要使用多个天线元素来形成多个波束。
因此，首先需要设计一个合适的天线阵列结构，以满足系统对多个波束的要求。
常见的天线阵列结构有线阵、面阵和体阵等，可以根据具体的应用场景选择合适的结构。
2.信号采集：多波束形成需要对接收到的信号进行采集和处理。
首先，系统需要对每个天线元素接收到的信号进行采集，并将其转换成数字信号。
随后，通过使用AD转换器将模拟信号转换成数字信号，并进行滤波等前处理操作。
4.数据处理：多波束形成系统需要对合成的波束进行数据处理。
首先，系统需要对接收到的信号进行解调和解码，提取出有效的数据信息。
随后，可以对提取出的数据进行误码纠正和信号增强等处理操作，以提高系统的性能。
5. 多用户接入：多波束形成系统通常需要同时支持多个用户的接入。
为了实现多用户接入，系统需要采用多用户的接入技术，如时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）或正交分频多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）等。
通过使用这些技术，系统可以在同一时间和频率资源上同时支持多个用户的通信。
需要注意的是，多波束形成系统的实现需要考虑到系统复杂性和成本等因素。
海底地形测绘的技术要点与流程
海底地形测绘的技术要点与流程海底地形测绘是一项复杂而精确的技术活动，它帮助人们了解海底地貌、海洋沉积物分布以及海底地壳构造等方面的信息。
本文将探讨海底地形测绘的技术要点与流程。
首先，海底地形测绘的基本工具是声纳技术。
声纳是利用声波在水中传播的原理，通过发送声波信号并接收其反射回来的信号来测量海底地形。
声纳技术可以分为两种类型：多波束声纳和单波束声纳。
多波束声纳可以同时获取多个方向的数据，提高了测绘的效率和准确性。
而单波束声纳则适用于对特定区域进行更加详细的测量。
其次，海底地形测绘的流程大致可以分为以下几个步骤。
首先是测绘计划的制定。
根据需要获取的地形信息和预算等因素，确定测绘区域、测量方式以及数据处理方法等。
然后是设备配置和校准。
根据测绘计划的要求，选择并配置相应的声纳设备，并进行校准，确保设备正常工作并精确记录地形数据。
接下来是数据采集和处理。
在海底地形测绘过程中，声纳设备会发送声波信号，并记录下信号的反射时间和强度。
通过计算声波在水中传播的速度，并结合接收到的信号数据，可以绘制出海底的地形图。
此外，数据处理还包括去除干扰信号和噪音，提高数据的可靠性。
最后是数据分析和应用。
经过处理的海底地形数据可以用于构建海底地形模型、预测洋流分布以及寻找潜在的海底资源等应用。
除了声纳技术，海底地形测绘还可以结合其他技术手段进行。
例如，测绘船可以配备GPS（全球定位系统）设备，通过卫星定位技术精确记录测绘船的位置信息，从而提高测量的精度和准确性。
此外，还可以利用测量深度和地球引力场数据来揭示海底地壳构造的信息。
当然，在海底地形测绘中还存在一些技术挑战和难点。
例如，海洋环境的复杂性以及海底地形的不规则性使得测绘结果可能存在误差。
为了克服这些困难，科学家们一直在致力于研究并改进测绘技术和方法。
同时，精确的地形测绘数据对于海洋环境保护和资源开发非常重要，因此也需要不断提高测绘的精度和准确性。
综上所述，海底地形测绘是一项技术要求高、流程复杂的活动。
如何进行水下地形测量与绘制
如何进行水下地形测量与绘制水下地形测量与绘制是一项重要的技术，它在海洋科学、航海导航和海洋工程等领域具有广泛的应用。
水下地形测量与绘制的目的是通过收集与分析水下地形数据，生成准确的地形图，为相关领域的研究和工程设计提供参考依据。
本文将介绍水下地形测量与绘制的基本原理、常用的测量方法和绘制技术，同时还会探讨未来水下地形测量与绘制技术的发展趋势。
在水下地形测量与绘制中，使用的主要工具是声纳。
声纳是一种利用声波进行探测的设备，它可以通过测量声波在水中传播的时间和速度，来确定水下地形的形状和特征。
声纳测量分为单波束和多波束测量两种方式。
在单波束测量中，声纳发射器只向一个方向发送声波信号，然后接收器接收反射回来的声波信号。
通过测量声波的传播时间和接收到的声波的强度，可以绘制出一个点，表示水下地形的海底高程。
通过在不同位置进行多次测量，最终可以得到一个完整的水下地形图。
但是单波束测量的覆盖范围相对较窄，需要较长的时间才能获得全面的地形数据。
而多波束测量则可以同时向多个方向发送声波信号，并接收多个方向的反射信号。
这样可以大大提高测量的效率和准确性。
多波束测量可以采用线性阵列或矩阵阵列的声纳，通过调整声纳的发射与接收阵列的角度，可以获取更多的地形数据。
多波束测量可以提供更详细的地形图像，可以显示出水下地形的细节和特征。
在进行水下地形测量时，需要注意一些技术和方法。
首先，要确保声纳设备的准确校准，包括声速与压力的准确度、声纳的位置和姿态的准确度等。
此外，测量时需要考虑水下植被、底质和海洋动物等对声波传播的影响，尽量减少干扰，保证测量结果的准确性。
在进行水下地形绘制时，需要使用专业的软件来处理和分析测量数据。
这些软件可以将测量数据进行处理和整理，生成高质量的水下地形图。
在绘制过程中，可以选择不同的图像风格和颜色方案，以突出地形特征和绘制需要的目标。
同时，也可以在地形图中标注重要的地理信息，以供参考和分析。
随着技术的不断进步，水下地形测量与绘制的方法也在不断发展。
多波束介绍
ShipS can-from N A V O .mov
劳雷工业公司
海道测量的历史
从 1920年代开始使用单 波束声纳测深 从1960 年代开始使用侧 扫声呐帮助确定海底类型
Side Scan Imagery
单波束测深仪的局限性-分辨率
波束立体角的大小 决定了单波束测深 仪的分辨率
尺寸:
直径: 320mm,
长度： 266mm
2、GPS 接收机
+Y’
+X’
N
RP = Origin
3、罗经和运动传感器
+Y
纵摇角度
+X
未经稳定的波 束受船舶运动 影响
RP = Origin
实际照射的区域
+Y’
希望照射的区域
+X’
N
RP = Origin
光纤陀螺原理
• FOG 技术的基础是 Sagnac 效应 :
直读式声速剖面仪原理
声速剖面及声速改正
Bottom Bottom after correction
5、多波束数据采集软件 PDS2000
6、多波束数据后处理软件 CARIS HIPS
多波束应用
SeaBat 8101
8101 测得的疏浚结果水深
Corpus TX – Construction Wharf Post Dredge Survey
倒塌的I-40 桥梁
SeaBat 8101
从旁经过时测得的船吃水
8101 实测数据
倒塌的I-40 桥梁
SeaBat 8101
湛江港沉船搜索
8101 多波束测深实例
8101 多波束测深仪实例
单波束多波束测深基础知识
多波束系统组成
多波束系统工作原理
多波束是如何工作的？
• 多波束发射换能器发出一个声脉冲，在水中传播并被海底或行进中遇到的 其他物体所反射。 • 反射信号同时被探头内多个独立的声学基元接收。
波束形成
换能器-基阵
• 多波束探头由两部分组成： 发射基阵/发射换能器和接收基阵组成 • 发射基阵使声能集中 • 接收基阵抑制干扰
ci
zi
i
Ri xi
zi 1
ci 1
zi 1
i 1zzFra bibliotek辅助设备对多波束数据质量的影响
声速剖面对测量结果的影响
辅助设备对多波束数据质量的影响
潮汐改正
• 潮汐改正是在瞬时测深值中扣除海面时变影响，获得与时间无关的“稳态” 深度场。 • 潮汐改正对多波束测深条带的拼接具有重要影响，不合理的潮汐改正将导 致测深条带出现拼接断层现象。
辅助设备对多波束数据质量的影响
横向安装偏差引起的深度偏差
• 横向安装偏差在斜距r转换为水深时，对测深产生影响，造成了海底地形的 倾斜[10]。当存在横向安装偏差时，实际测量水深应为H，而仪器设备读出 的水深为H×COSθ /COS（θ ﹢α ）。 • 最终得到位于O＇右侧波束水深偏差为： • △h＝|H×COSθ /COS（θ ﹢α ）－H| ⑴ • 同理，位于O＇左侧波束水深偏差为： • △h＇＝|H×COSθ /COS（θ -α ）－H| ⑵
单波束数据处理
• 在数据处理成图过程中，为解决测深数据分布不均问题，均采用数据网格 化内插的方法来预测测线间数据空白区的水深变化情况和趋势。
单波束数据处理
单波束网格化数据内插处理缺陷
• 1、无法探测到尺度小于测线间的微地形。 • 2、通过网格化内插不仅会产生假地形，而且也会使测线上已经探测到的小 尺度微地形通过内插平滑而受到歪曲、夸大或抑制。 • 3、如果要提高精度，唯一方法是加密测线密度。
RESONSB7125多波束系统2014.ppt
窄波束 来自有限面积的回波
广州市中海达测绘仪器有限公司
2 应有领域要求的提高
绘制海图 生态环境调查 河港和海港测量 海洋工程：电缆敷设
路由测量
海洋功能区划
航道和河道测量
航道工程：疏浚通航
水下考古
ROV, AUV应用
水下目标物检查
水下救捞：沉船搜寻
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国际高端多波束品RESON
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SeaBat 7125-实时横摇特点
• 减少测量数量 • 方便布设测线 • 提高调查效率
105m 65m
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6. SeaBat 7125 – 波束质量滤波器 • 可靠的内部质量滤波器 • 采用两种独立 质量控制标准 • 极大的提高了处理速度 • 质量差的数据可以 删除或标记
型 号
7125 7125 7125 7125 7125 7125 7125 8101/9101 8125 8101/7125 8101 8101 8101 7125 7125 7125 Hydrobat
数 量
1 1 1 1 1 2 7 3 2 2 1 1 1 1 1 1 1
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1.超高分辨率： 34KHz的采样速率，6mm水深分辨率、512个波束 个数、可选等角等距功能.。
等角模式
等距模式
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2.条带覆盖角度在线可调
SeaBat 7125 SV2具有条带覆盖角度在线实时选择功能，根据不同的测 量的需求可以变合适的覆盖角度，范围从大于45°到165°，测量角度实时在 线可任意角度大小调整，方向可调。
广州市中海达测绘仪器有限公司
如何进行海底地形测绘
如何进行海底地形测绘海底地形测绘一直是海洋领域的一项重要任务。
随着科技的不断进步，我们对于海洋地形的了解也越来越深入。
海洋地形测绘的主要手段有多种，如声波测深、卫星测绘和无人潜水器等。
在本文中，我们将探讨如何进行海底地形测绘，并介绍一些相关的方法和设备。
首先，声波测深是目前海洋地形测绘中最常用的方法之一。
通过发射声波并记录其回音的时间来测量水深，从而推算出海底地形。
这种方法具有测量范围广、精度高的特点。
声波测深常用的设备有单波束测深仪和多波束测深仪。
单波束测深仪适用于较浅的水域，而多波束测深仪则适用于深海测量。
其次，卫星测绘也是海洋地形测绘中的重要手段。
通过卫星上搭载的遥感传感器，可以获取遥感图像和高程数据，进一步了解海底地形。
这种方法具有遥感范围广、时间效率高的优点。
例如，利用卫星激光雷达或雷达测高仪获取的数据可以生成数字高程模型，反映出海底地形的细节特征。
此外，无人潜水器也逐渐成为海洋地形测绘的重要工具。
无人潜水器可以携带各种传感器，如声纳、摄像机和水文仪器等，进行多角度、多层次的测量。
无人潜水器相较于传统的人工测量方法，具有成本低、效率高、能够适应复杂水下环境等优势。
它可以深入到深海中，获取到更加精确的海底地形数据。
除了上述方法和设备，还有一些新兴的海洋地形测绘技术值得关注。
例如，通过利用海洋环境中的微量元素、微生物等特征进行地形测绘。
这种方法可以通过对水样的分析来推断海底地形。
虽然这种方法还在研究阶段，但有望成为未来的发展方向之一。
在进行海底地形测绘时，数据处理与分析也是不可忽视的环节。
测绘得到的原始数据需要进行清洗、校正和处理，以提高数据的准确性和可靠性。
同时，利用这些数据进行地形分析和建模，可以更好地了解海底地形的特征和演化规律。
总的来说，海底地形测绘是一项复杂而重要的任务。
通过声波测深、卫星测绘、无人潜水器等多种手段和设备的综合应用，我们可以更加全面地了解海洋地形的特征和变化。
在不断发展的科技与技巧下，海底地形测绘将会有更加精确和深入的研究成果。
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单波束和多波束
单波束和多波束是两种不同的探测技术。
单波束测深，或称“单波束测深测线”，是通过接收设备接收海底反射回来的声波信号，根据声波的传播时间、传播速度以及接收设备接收到的声波幅度，可以计算出海底的深度。
它是在船只航行的过程中，通过记录每个位置点的深度信息，从而描绘出海底深度分布的情况。
多波束测深则是一种更为先进的海底探测技术，它通过多个波束同时照射海底，并接收每个波束反射回来的信号。
通过这种方式，可以获取海底更全面的深度信息。
多波束测深技术具有高精度、高效率和全覆盖的特点，它通过计算机技术的发展，探测精度不断提高，甚至可以探测海底10厘米目标体的形态特征。
多波束技术使用多个天线波束，每个波束覆盖小区的一小部分，这些波束是动态可控和可操纵的，通过优化每个连接的无线链路特性，可以提高接收信号的整体强度。
多波束测深技术可以直观地反映出海底的样貌，对于海洋科学研究以及海底资源开发具有重要意义。
总结来说，单波束和多波束的主要区别在于探测方式和探测效率上。
单波束更适合于测量单一、独立的深度信息，而多波束则能提供更全面的海底深度信息，适用范围更广，精度也更高。