如何用超声波换能器水下测距仪来测量溶洞内部地形地貌？

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2020-08-21

溶洞作为旅游景观的时候是一种资源，但是当工程建设遇到地下有溶洞的情况，就会变为一个潜在的危害。在溶洞地区，一般是通过钻探方法，打孔到地下一定深度，来找到溶洞。找到溶洞后，想知道溶洞内部的地形和地貌，进行进一步研究，溶洞如果大部分是空气，那就比较简单了，直接放入摄像头就可以查看。如果都是被水淹没的，这个时候就需要用到超声波来测量溶洞内部的地形地貌。

目前已经有贵州的高校采用宇征6波束水下测距仪来测量充满水的溶洞内部地形地貌。

具体操作的示意图如下：

图1 用超声波水下测距探测溶洞内部情况

通过宇征6波速水下测距仪水平放入水中，假设是钻探的井口往下100厘米，向水中水平方向6个方向发射超声波波速，超声波波速遇到水中的岩石、泥土等会反射回来，通过发射和接收的时间差就计算出对应的距离。后台计算机就把这个距离值记录下来，然后测距仪继续下沉，以每次10厘米～30厘米的高度下沉，每下沉一次就做一次水中测量，一直到碰到溶洞底部为止。通过这个方式，在计算机软件上就可以把每一层测量到的6个方向距离拼接起来，就得到了整个溶洞的地形和地貌。

图2 宇征6波束水下测距仪发射角度示意图

经过多次试验后，用户觉得6波束的发射角度大，测量出来的溶洞轮廓过于粗犷，每个波束之间有20°的空白区域测量不到，希望发射波束可以做小，发射的波速能够增加至少一倍，这样测量出来的溶洞轮廓会清晰一些。根据用户这个要求，用了5个月时间做了一个宇征16波速水下测距仪，每一路的发射角度比6波束的小了50%，每个波束之间的空白区域也缩小到了2.5°，详见下图：

图3 宇征16波束水下测距仪发射角度示意图

用户拿到宇征16波束水下测距仪后，到了原来测量过的溶洞进行重新测量，发现计算机上出来的溶洞内部轮廓和地形地貌清晰了很多，细节也多了很多。

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