给你一根足够长的尺子，你能测量大海有多深吗？

铁扇公主的芭蕉扇可以扇出火山中的三昧火。科研人员的“声学爱好者”能做什么？

从广阔的宇宙来看，地球是一颗美丽的蓝色星球，其71%的表面被海洋覆盖。海洋是巨大的资源宝库，蕴藏着丰富的海洋生物、矿物、化学和能源资源。如果人们想更多地了解海洋，在海上进行科学实验，开发或保护海洋资源，他们需要获得最基本的海洋信息——水深。地球海洋的平均深度约为3800米，其中最深的是太平洋马里亚纳海沟中的“挑战者深渊”，深度约为11000米。那么，如何测量11000米的水深呢？

阿基米德曾经说过:“给我一个足够长的立足点和杠杆，让我能移动地球。”然后给你一把足够长的尺子，你能测量海有多深吗？

那些年我们用什么大脑来测量海洋的深度？

在陆地上，人们通常用激光来测量物体之间的距离，那么我们可以用激光来测量最深海域的水深吗？答案是不可行的。因为电磁波，包括激光，在水中传播时衰减很快，传播数百米时没有能量，所以不能用于11000米深的水域探测。

激光测量(照片/中国科学院声学研究所)

你一定也想到了一种方法，用绳子把一个重物绑起来，然后放进水里。重物沉入水底后，你可以测量绳子的长度来得到水深。遗憾的是，这种方法不仅效率低，测量结果误差很大，而且只有特制的绳索才能承载重物并沉入11000米而不断裂，因此用绳索测量深海深度实际上很困难。

绳索(探测垂直线)测量(照片/中国科学院声学研究所)

那么我们如何测量11000米的水深呢？

一种方法是在海底部署深度计(或压力计)进行测量，但部署和回收过程需要很长时间，水深结果根据压力和海水特性进行反演，结果也有一定误差。尽管这种方法具有很高的空间分辨率，但其检测效率(单位时间检测的面积)非常低。

深度计测量(照片/中国科学院声学研究所)

另一种方法是利用卫星遥感测量海平面高度，根据不同深度的海平面高度在重力影响下不同的特点，反演水深。该方法的探测效率很高，但探测结果的空间分辨率很低，无法获得准确的海底地形数据。

卫星遥感调查(照片/中国科学院声学研究所)

目前，最常用的方法是声学方法。因为声波在水中的衰减比电磁波小得多，所以频率越低，衰减越小。因此，通过合理选择频率，可以实现对11000米深度海域的探测。

起初，科学家使用安装在船底的单波束测深仪。当它工作时，它在船的正下方发出一束声波信号。声波到达海底并被反射回来，被单束测深仪接收。海底的深度可以通过结合声波在水中的传播速度和从发射到接收的传播时间来计算。单波束测深仪可以快速有效地测量海洋深度，但一次测量只能获得一个位置的水深结果，效率仍然较低。

单波束测深

高效率和准确的检测也需要它！

为了进一步提高11000米海域的声学探测效率，一个全海洋深度多波束测深系统应运而生。

全海洋深度多波束测深

全海洋深度多波束测深系统也安装在船体上。工作频率一般为12千赫。从外观来看，有两个数组。第一个阵列是发射阵列，沿船体龙骨方向安装。它发出的声波信号将形成一个“发射扇区”，并“照射”到垂直于船体龙骨方向的潜艇带的每个位置。在“发射扇区”，横梁沿龙骨方向打开的角度很小，范围从0.5到2度。当波束角为1度时，发射阵列的长度约为8米。

第二个是接收阵列，垂直于船体龙骨安装，用于接收海底反射和散射的声音信号。利用声信号处理方法，接收阵列只能接收特定方向的声信号，形成定向“接收扇区”。在“接收扇区”上，垂直于龙骨方向恢复多个角度为1至2度的窄梁。当波束角为2度时，接收阵列的阵列长度约为4米。

全海洋深度多波束测深系统发射和接收阵列示意图

被“接收扇区”和“发射扇区”交叉方向“照射”的海底是要测量的区域。根据声波信号传播回的方向和往返时间，可以计算出待测区域的水深和船体的水平位置。

船下浅色区域是测试区域。

多波束测深系统的接收阵列可以同时接收特定方向的数百个回波，也就是说，一次测量可以获得数百个位置的水深。因此，全海洋深度多波束测深是目前11000米海域(包括深海区)高效、准确的测深方法，其空间分辨率明显高于卫星遥感。

正常情况下，船只在测量水深的同时向前航行。通过反复拼接测量结果，可以得到一个区域的水深图，即海底地形图。

在实际测量中，波束稳定技术必须面向整个海洋深度多波束测深系统。

众所周知，大多数时候海洋不会平静。海水中的声速约为每秒1500米。当探测11000米的海域时，整个海洋深度多波束测量过程(从开始发射声波到接收从远端返回的声波)需要几十秒钟。在此期间，船的姿态总是随着风浪而变化。此时，声波的发射方向和回波的接收方向可能不再是预设的方向，导致获得的水深结果出现误差，拼接后的水深图可能会失真。

风浪引起船体姿态变化，测深波束难以稳定(图/中国科学院声学研究所)

这时会放大招！通过预测船体姿态，整个海洋深度多波束测深系统采取相应的补偿措施。无论船的姿态如何变化，最终发射和接收的声波都可以稳定在预定的方向上，并且可以获得更均匀的检测结果。

为了使声学带尽可能地垂直于船舶的航行方向，发射时采用了向不同方向发射多个声学扇区以形成整个声学带的策略。此时，每个“照射”海底区域中心的扇形连线垂直于船只的航行方向。

光束稳定效应

此外，为了更好地实现对11000米海域水深的探测，全水深多波束测量还采用了多种措施来消除误差和偏差，包括选择合理的传输信号、校正姿态、位置、声速和多普勒效应的偏差等。

全海洋深度多波束测深系统可实现实时波束稳定(图/中国科学院声学研究所)

各种测深方法的比较(照片/中国科学院声学研究所)

全水深多波束测深系统在实现11000米深海区域高效、准确探测的同时，还具有20米深海区域最浅深度的探测能力，利用声波探测海底地形和水下目标，为深海区域探测提供更丰富的探测信息。

结论

最近，以中国科学院声学研究所为核心的科研团队经过十年的潜心研究和技术突破，成功研制出了中国第一套具有自主知识产权的全海多波束测深系统。它还被安装在一艘科研船上，进行了6000多公里的测线应用示范，使中国成为继挪威、德国和丹麦之后第四个开发现代全海多波束测深系统的国家。

全水深多波束测深系统绘制的海底地形图(地图/中国科学院声学研究所)