多波束测深探测仪

为使用 USS Susan B. Anthony (AP-72) 的探测船，在法国南岸进行多波束测深探测仪搜索沉船时，所做的测深图

多波束测深探测仪（Multibeam echosounder，缩写：MBES），是一种应用多个声波发射出去，至海床或障碍物后反射回来，探测仪可以接收到讯号，依据收到的时间，进而算出声波所行走的距离。因为为多个声波一齐发出，成一扇面状，故较单音束测深探测仪附盖得更多，效率佳，为现今普遍测深的重要仪器。

历史和发展

多波束测深探测仪

测深机的演变史，从最原始的绳索探测，进而到有声纳的出现，发展出了单声波的测深仪，最后发展出覆盖率较高、较有效率的多波束测深探测仪。

为避免再次发生1912年铁达尼号的灾祸，德国物理学家亚历山大·伯姆引导一些研究，找出了一个发现冰山的方法。他发现回声的技术，可惜对于认出冰山的效能不太理想，却是一种非常好的工具用来深测海洋的深度。Behm 于1913年得到发明的专利权。

探测仪的起源，要从海岸调查说起。1807年，Ferdinand Rudolph Hassler带领著一群数学家、制图员、大地测量师、气象学家等等专业人员共同调查及绘出美国海岸。而第一个正式的水文调查在1839年，美国绘出了第一个航海图。最初的测量法为用绳子牵引一小石子做测量，在各点施测，看绳子上的刻度得值。在1930年代出现了第一个用声纳测量深度的仪器“Dorsey Fathometer”，为单音束测深机，1950年代后持续发展出多音束的测深机，即为多波束测深探测仪。

运作原理

seabeam

回音测深术，又称回声，是一种使用声音的脉冲波技术，从表面或潜艇直接向下垂直，依靠声波来测量到达底部的距离。基本原理为用声速传播的时间，与声音在水中传播的速度相乘，其值即为距离。距离的测量方法是在水中用单外出脉冲波，往来半倍的时间，大约每秒1.5个公里。回声是一种特别有效的声纳应用，目的是确定底部地点或范围。若多波束的情况，还需要考虑各个波束的角度，经修正后而得。

• Singlebeam：

$D={\frac {1}{2}}\cdot v\cdot t$

coverage = onebeam

• Multi-beam：

$D={\frac {1}{2}}\cdot v\cdot t\cdot sin{\theta }$

coverage = swath

修正

在海上做测深，有许多误差需要做修正，以下列出几种误差：

1. Roll(晃动)
2. Pitch(倾角)
3. Gyro(罗盘)
4. Azimuthal misalignment(垂直方位)
5. Time delay(时间延迟)
6. Dynamic draught(吃水)
7. Echo-sounder instrumental errors(仪器)
8. Water column(水层)

应用

每一种测深机会使用不同的频率及束宽，应用在不同的深度上，越深所需要的能量越大，波长必须较大则频率相对较小，能量消散较慢可以测量较深的深度，故再不同的测量区域，会选用合适的测深机来施测。

多波束测深探测仪为在海上作业中最基本的测深仪器，目的为测量海床的深度，常应用在地质调查及工程建设中，而在不同的深度范围，又会用不同能量及束宽的波来测量，以维持资料品质，故在不同深度会用不同的测深机。

参考资料

• A Note on Fifty Years of Multi-beam
• 宋国士教授测深课程讲义
• Louay M.A. Jalloul and Sam. P. Alex, "Evaluation Methodology and Performance of an IEEE 802.16e System", Presented to the IEEE Communications and Signal Processing Society, Orange County Joint Chapter (ComSig), December 7, 2006. Available at: https://web.archive.org/web/20110414143801/http://chapters.comsoc.org/comsig/meet.html
• B. D. V. Veen and K. M. Buckley. Beamforming: A versatile approach to spatial filtering. IEEE ASSP Magazine, pages 4–24, Apr. 1988.
• H. L. Van Trees, Optimum Array Processing, Wiley, NY, 2002.
• "A Primer on Digital Beamforming" by Toby Haynes, March 26, 1998
• "What Is Beamforming?" by Greg Allen.
• "Two Decades of Array Signal Processing Research" by Hamid Krim and Mats Viberg in IEEE Signal Processing Magazine, July 1996

外部链接

• Multibeam_echosounder