一种新型的拖曳式水深测量系统
水下地形数据是水利工程建设、水资源综合利用理和水环境保
护等领域的重要研究基础。随着测深技术的不断发展，水深测量方法
经历了多次革新，包括传统的测深杆和锤、声波测深技术（如单波束
和多波束测深）及遥感技术（如光学、微波和激光测深）。由于声波
在均匀介质中具有良好的穿透性和低衰减性，声波测深技术目前已成
为主流方法。
传统的声波测深方法通常依赖有人船搭载测深仪和GNSS接收机,
在指定位置进行测量。然而，这种方法受环境因素和人工作业的影响
较大，工作量大、效率低，且具有一定的危险性。随着无人装备技术
的快速发展，无人船和无人机在水下地形测量中的应用显著提高了工
作效率和安全性。有文献探讨了无人水面航行器（USV）的技术进展
和应用前景，指出这些新型装备在提高测量效率和安全性方面具有巨
大潜力。然而，在某些场景下，如沿海滩涂、水库闸口和瀑布断崖等，
无人船的应用受到限制，并且存在操作人员安全风险和通行限制。无
人机测量系统则是由无人机搭载正射相机、倾斜相机、红外光束激光
雷达、多光谱相机等装置，飞行到指定区域进行测量。有文献研究了
无人机搭载激光雷达系统在水下测量中的应用，分析了该技术在不同
水体透明度条件下的适用性。尽无人机在浅水区测量中表现出色，
但在深水区测量中仍面临挑战。有文献设计了一款集成化水深测量装
置，解决了码头前沿及其下方、浅水区等船舶行驶受限区域的水深测
量难的问题，但是该装置的手持式使用方式依然需要人工操作，使用
场景有限。
针对无人船和无人机测量系统的局限性，本文设计一种新型拖曳
式水深测量系统，结合无人船和无人机的优势，对现有集成化水深测
量装置进行创造性改进，弥补其在水深测量领域的不足，以更好地服
务于水下地形测量工作。
一、拖曳式水深测量系统方案设计
1拖.曳式水深测量系统模块化设计
采用模块化设计方法对水深测量系统进行结构设计，可以加快研
究进程，降低研究费用，并增强装置的功能性，扩大其适用范围。该
拖曳式水深测量系统(统称为系统)采用无人机进行牵引，用于海洋、
河流和湖泊等场景的水下地形测量。因此，需要综合考虑系统的重量、
密封性，以及机体的流体动力学特性、运动稳定性和耐波性等多个关
键因素。
系统结构设计为两个部分：密封舱和浮体。密封舱用于装载相关
测量装置并提供水密环境，浮体用于搭载密封舱，为密封舱提供浮力
并保证系统整体的运动稳定性，两者通过密封舱的外沿加螺丝固定。
无人机和系统之间通过环形扣加钢丝绳连接，实现无人机牵拉功能。
系统结构图如图1(a)所示。其中，密封舱分为4个部分，底部开
孔将单波束换能器部分露出；单波束上方为电池模块，通过变压器分
别为单波束声呐和控制板供电；电池上方为控制板，控制板连接着
GPS、姿态传感器和天线等模块。密封舱延伸出一圈10mm的外沿，外
沿上对称分布4个直径为5mm的螺孔，采用4个螺丝将密封舱与浮体
固定连接。密封舱结构如图1(B)所示。综合考量系统的重量与稳
定性后，将浮体设计为外径500mm、内径200mm、高度150mm的碟形，
中间的孔径与密封舱适配，通过螺丝固定，上表面装有环形扣，用钢
丝绳和锁扣与无人机连接，从而实现无人机的牵拉功能。后期可通过
更改模块的尺寸、搭载的传感器等实现更广泛的应用。
(tPS—检态传感借；
■—控制
外一
电池
舱疣—|_|—单波束声呐
(b)密封仓结构
图1系统结构设计
2系.统硬件及软件设计
该系统使用RaspberryPi4ModelB作为主控模块，并外接电源、
测距、显示、定位、姿态、存储和传输模块。电源模块为树莓派4B
和测深仪提供稳定电源；测距模块使用海卓SE2