水深測量是水下地形測量的基本方法，通過測量水底各點空間三維坐標，可以讓數據使用者對水下進行猶如陸上空間一般的研究、設計、施工等工作。隨著技術的發展，水深測量的技術手段有測深桿、水鉈、單波束測深儀、多波束測深儀等。

在海道測量、水運工程測量、施工測量等普遍涉及水深測量的領域，單波束測深儀和多波束測深儀變的尤為普遍，多波束相較單波束有著眾多優勢以及應用領域和方向，因此在水深測量領域，不管是技術層面還是行業發展趨勢方面，多波束測深技術對單波束測深技術的取代已成大勢所趨之勢。

   以下，對單波束和多波束進行系統的對比，并介紹多波束的優勢和應用。

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測量原理

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單波束測量原理

單波束測深儀的測量過程是采用換能器垂直向下發射聲波，當聲波遇到水底時發生反射，反射回波信號返回換能器位置并被其接收。其水深值由聲波在水中傳播的雙程時間和水中的平均聲速確定：

H=C*T/2

上述公式，H為水深，C為平均聲速，T為聲波傳播過程中的雙程時間。

# 單波束系統的組成

單波束測深儀的組成相對比較簡單，主要由以下幾部分軟硬件組成：

（1）單波束測深儀；

（2）GNSS定位系統；

（3）控制、采集軟件和處理軟件；

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多波束測量原理

多波束測深系統的工作原理是利用發射換能器陣列向海底發射寬扇區覆蓋的聲波，利用接收換能器陣列對聲波進行窄波束接收，通過發射、接收扇區指向的正交性形成對海底地形的照射腳印，對這些腳印進行恰當的處理，一次探測就能給出與航向垂直的垂面內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水下目標的大小、形狀和高低變化，比較可靠地描繪出海底地形的三維特征。與現場采集的導航定位及姿態數據相結合，繪制出高精度、高分辨率的數字成果圖。

# 多波束測深系統的組成

多波束的技術要求也注定多波束測深系統是一組包含多種輔助傳感器的測量系統，其主要由以下的軟硬件產品組成：

（1）多波束測深儀；

（2）GNSS定位系統；

（3）表面聲速儀；

（4）聲速剖面儀；

（5）姿態儀；

（6）羅經；

（7）潮位儀；

（8）顯控軟件（聲吶工作控制軟件）；

（9）導航采集軟件（記錄聲吶和輔助傳感器數據）；

（10）后處理軟件；

（11）供電，采集計算機等其它工具；

以海卓MS8200多波束測深系統為例，其典型的系統組成示意圖如下：

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多波束的優勢

多波束技術的出現，給水下測量工作帶來了極大的突破，與傳統的水深測量相比，多波束有以下幾個比較明顯的優勢：

（1）精度高

  相較于單波束測深系統，多波束測深系統具備更豐富完善的傳感器，在聲速儀、姿態儀、潮位儀等高精度傳感器的配合下可以測得更精確的水底坐標信息。

如下圖為單波束在風浪搖擺下測量誤差變大，而多波束則不受此影響。

其次，單波束波束角大約為6-8度，而多波束則在0.5-2度之間，如北京海卓同創的MS8200波束角為1度，相較單波束相比，多波束的波束角越小，其返回的水深值越接近水底真值。

從上圖可以看出，多波束因其波束角更小，且測量地形的曲線也更接近于真實。

（2）分辨率高

接觸過水深測量的都知道，單波束是一種“由點到線”的測量方式，每次測量只能測量一個水深點，隨著載體及設備的航行移動，產生由點到線的測量結果；

而多波束是一種“由線到面”的測量方式，一次測量即可得到垂直于航跡方向的幾百甚至上千個水深點，隨著載體及設備的航行移動，產生由線到面的測量結果。

單波束無論如何加密測量，均無法和多波束的全覆蓋測量相媲美。

如上圖為同一水下地形由于單波束和多波束采集的水底點密度不同，造成的結果分辨率的區別，從效果圖中可以看出，很多地形的細節是單波束無法反應和表達的。如下圖，即便是單波束的加密測量，在分辨率上仍然達不到多波束的測量效果，仍然有大量的地形細節無法反應出來：

Pic.1單波束效果

Pic.2多波束效果

上圖中，左側為單波束數據，右側為多波束數據，通過此效果可以看出，很多細節的丟失，在分辨率無法比及的情況下，生成的地形圖的關鍵信息的丟失勢必也造成了“成果精度”的下降。

（3）效率高

單波束由點到線的測量到多波束由線到面的測量不僅僅是分辨率的提升，更帶來水下測量效率的提升，隨著多波束技術的發展，目前多波束已經能夠以水深的6-8倍，甚至更大的掃測覆蓋寬度進行掃測了，水深10米的水域同樣進行1：500的地形圖掃測，單波束5米一條測線，多波束則一條測線覆蓋60-80米，效率遠高于單波束測深儀。作業時長大大降低，效率大大提升。

Pic.1單波束測線布設

Pic.2多波束測線布設

從上圖中可以看出，同樣的地形掃測，多波束測測線總長度要比單波束要少很多，帶來的直接結果即為多波束的地形掃測效率要高很多。

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多波束的成果類型及應用

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成果的形式

多波束的數據成果根據使用者對成果的需求也是多種多樣，常見的有以下幾種：

三維曲面成果

和單波束數據成果相比，多波束的最大優勢就是點密度比較大，可以實現更多地形細節和三維展示。

等深線圖

作為地形測量常用的等高線圖，依據不同的成圖軟件，多波束的數據成果可以生成二維、三維的等高線圖。

注：多波束數據成果本身與單波束的數據沒有區別，因此單波束能出的成果，多波束一樣可以出，等高線圖同樣可以用第三方軟件如CASS軟件等成圖。

tif圖（支持第三方加載）

tif圖作為一種含有坐標文件的成果展示形式，可以加載在衛星圖、航片圖、CAD圖等場景下進行多數據融合展示。

斷面圖

作為航道測量、施工測量等水下測量用戶，斷面測量及成果是一種非常常見的數據成果展示形式，而多波束的優勢則在于可以保證每次測量結果提取的斷面位置絕對一致，而單波束測量時則很難保證位置重疊。

“淹沒”分析圖

對于一些水庫、湖泊、河流等，常需要對地形提前進行“淹沒”分析，排查風險，以及計算不同水位下的庫容等。

點云

作為空間三維數據的展示，點云成果的展示也是一種常見的數據成果展現形式，點云數據具有曲面模型所不具有的特征展示等優勢，在一些特殊的結構物展示時，具有很大的優勢。

除了以上數據成果展示形式，水深測量的成果還有很多很多，只會局限于成圖軟件的限制，不受數據的限制。

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應用領域

多波束的應用方向也是遍布了江河湖庫海等各個領域的各種水下場景測量。

航道測量

航道測量比較常見，對于多波束來說測量船僅需順航道跑測線即可，避免了單波束測量斷面測量法所帶來的安全隱患。

拋石測量

對于國內通航的主要大航道而言，水下拋石施工測量較為普遍，對于多波束測量而言，憑借其高分辨，全覆蓋的優勢，可以清晰的將水下拋石情況，區域等測量的清清楚楚。

崩岸及護坡測量

對于國內長江等大流量的河流而言，由于汛期的沖刷，岸坡的沖刷和維護工程非常普遍，單波束在此復雜區域難以精確進行細節掃測，且誤差較大。

航道整治工程

長江流域各個區段鑒于其地理環境的特殊性，為了航道安全往往會進行丁壩順壩等工程整治作業。對于整治到位情況，再沖刷情況的測量和分析都是單波束望塵莫及的。

炸礁測量

對于一些石質底質的航道來說，為了增加航道的航運能力，往往需要進行炸礁作業。而哪怕出現一個石筍的遺留物，都可能對于之后的航運帶來很大的安全隱患，因此很多炸礁施工也要求必須使用多波束進行全覆蓋無遺漏掃測進行測量作業，全覆蓋無遺漏掃測也是單波束所不具備的。

水下結構物掃測

憑借多波束的全覆蓋掃測和傾斜掃測能力，很多極具難度的水下結構物均只能通過多波束進行快速水深測量，如橋墩沖刷掃測、沉船定位掃測等等，這都是常規單波束無法進行的。

疏浚測量

疏浚測量在水下測量領域較為普遍，不管是江河還是海上，都存在著大量的疏浚施工作業，多波束水深測量則可以更精準的反映疏浚的區域、細節以及疏浚量的精準計算。

水庫庫容計算、沖刷掃測等

對于水庫，常見的水深測量應用多為庫容精準掃測，消力池安全掃測、水下沖刷安全研究、大壩破損等安全性掃測等等。單波束僅僅能夠進行較為粗略的庫容掃測，對于沖刷、大壩等事項難以實施。

水上水下一體化測量（水下部分）

隨著測量技術的發展，越來越多的行業和領域期望進行水上水下一體化測量作業，水上部分已經隨著三維激光掃描和無人機航測的發展變的越來越容易，而水下部分的掃測卻一直是個難點，隨著多波束技術慢慢走進大家的視野，水上水下一體化掃測也變的離我們越來越近。

當然，多波束的應用還有很多很多，未來會有更多的領域能夠應用到多波束技術。

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海卓MS8200產品及特點

海卓MS8200多波束測深儀是專門為專業海洋測繪，以及渾濁水和大水深等特殊環境專門研制的專業級產品。除了常規多波束的優勢之外，還有著和其多波束產品自身相關的獨特的產品優勢，也具有一些其自身獨特的特點，先看一下MS8200的主要技術指標：

* 工作頻率：200kHz

* 波束數目：512

* 波束寬度：1°×2°

* 波束開角范圍：160°

* 測深范圍：0.5-400m

* 測深分辨率：0.75cm

* 測深模式：等角/等距

* 最大Ping率：60Hz

* 信號形式：CW/Chirp

* 脈沖寬度：15us-8ms

正因為其MS8200具有以上的技術指標，加之北京海卓同創近二十年的技術積累，MS8200還具有以下特點：

（1）大掃寬，高效測量

最大160°波束開角、8倍水深以上的有效覆蓋與最高有效Ping率60Hz相結合，測深范圍達400米，保證專業海洋測繪用戶的高效測量需求。

（2）多功能設計，一機多用

三維水下地形測量、側掃成像、水體成像、多目標點檢測功能集成一體，輔助測量設備內置與外置多種模式可選，滿足用戶不同用途。

（3）渾水優化，應用廣泛

此款產品不論在內河、還是在沿海；不論是清澈水域，還是渾濁水域；不論是精細結構還是大范圍水深測量，都可以通過調整頻率實現最佳的測量效果匹配。

（4）大Ping率，大水深，低功耗

測量Ping率最大可達60Hz,最大測量水深達到400m，標準功耗在80W以內。

（5）全中文交互軟件，軟硬件同步開發，設置簡單，操作難度小

#全中文軟件操作界面，全面升級的多波束顯控HydroQuest和導航測量軟件HydroNavi國際主流多波束測深系統功能接軌，新增了多種自動測量功能、噪點自動刪除功能、多種門限設置功能和底圖加載功能，滿足外業測量的各種需求。

#最重要的軟硬件同步開發，功能實用，設置簡單，大大降低了操作人員的操作難度。

#另外外業軟件還具有其滿足國內測量用戶的各種實用化功能和功能在開發的數據接口。

#多種門限設置，能夠有效解決特殊地形測量問題。

#各種背景底圖的加載功能，更方便用戶規劃測區和外業導航。