第7章-水深測量及水下地形測量

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1、現(xiàn)代海洋測繪趙建虎第七章水深測量及海底地形測量Sounding&UnderwaterTopographicSurvey趙建虎本章內(nèi)容概述回聲測深原理多波束測深系統(tǒng)高分辨率測深側(cè)掃聲納基于水下機器人的水下地形測量機載激光測深（LIDAR）測線布設(shè)測深精度水位改正測量數(shù)據(jù)質(zhì)量與管理海底地形成圖思考題海底地形測量是測量海底起伏形態(tài)和地物的工作。是陸地地形測量在海域的延伸。按照測量區(qū)域可分為海岸帶、大陸架和大洋三種海底地形。特點是測量內(nèi)容多，精度要求高，顯示內(nèi)容詳細。水深測量經(jīng)歷了如下幾個發(fā)展階段：測繩重錘測量（點測量

2、）單頻單波束測深（點測量）雙頻單波束測深（點測量）多波束測深（面測量）機載激光測深（面測量）水下地形測量的發(fā)展與其測深手段的不斷完善是緊密相關(guān)的。7．1概述單頻單波束測深（點測量）安裝在測量船下的發(fā)射機換能器，垂直向水下發(fā)射一定頻率的聲波脈沖，以聲速C在水中傳播到水底，經(jīng)反射或散射返回，被接收機換能器所接收。設(shè)經(jīng)歷時間為t，換能器的吃水深度D，則換能器表面至水底的距離(水深)H為：7．2回聲測深原理回聲測深儀由發(fā)射機、接收機、發(fā)射換能器、接收換能器、顯示設(shè)備和電源部分組成?；芈暅y深儀組成示意圖千米和萬米測深儀為了求得實際正

3、確的水深而對回聲測深儀實測的深度數(shù)據(jù)施加的改正數(shù)稱為回聲測深儀總改正數(shù)?；芈暅y深儀總改正數(shù)的求取方法主要有水文資料法和校對法。前者適用于水深大于20米的水深測量，后者適用于小于20米的水深測量。水文資料法改正包括吃水改正△Hb、轉(zhuǎn)速改正△Hn及聲速改正△Hc。吃水改正：由水面至換能器底面的垂直距離稱為換能器吃水改正數(shù)△Hb。若H為水面至水底的深度；HS換能器底面至水底的深度，則△Hb為：轉(zhuǎn)速改正△Hb是由于測深儀的實際轉(zhuǎn)速ns不等于設(shè)計轉(zhuǎn)速n0所造成的。轉(zhuǎn)速改正數(shù)△Hn為：聲速改正△Hc是因為輸入到測深儀中的聲速Cm不等于

4、實際聲速C0造成的測深誤差。綜上，測深儀總改正數(shù)△H為：其中，聲速改正數(shù)△Hc對總改正數(shù)△H影響最大。校對法利用水陀、檢查板、水聽器等，實測從水面起算的準(zhǔn)確深度，與測深儀的當(dāng)前深度進行比較，進而求得回聲測深儀在該深度上的總改正數(shù)△H?；芈暅y深儀按照頻率分為單頻測深儀和雙頻測深儀。雙頻單波束測深（點測量）換能器垂直向水下發(fā)射高、低頻聲脈沖，由于低頻聲脈沖具有較強的穿透能力，因而可以打到硬質(zhì)層；高頻聲脈沖僅能打到沉積物表層，兩個脈沖所得深度之差便是淤泥厚度Δh。四波束掃海測深儀主要由四個收、發(fā)臺的換能器，同步控制器和圖示記錄器

5、織成。四個換能器在船上的安裝方式有舷掛式和懸臂式兩種。目前，我國各單位使用的四波束掃海測深儀，主要有日本產(chǎn)的MS—10型、PS—20R型及PS—600型。7．3四波束掃海測深儀多波束測深系統(tǒng)是從單波束測深系統(tǒng)發(fā)展起來，能一次給出與航線相垂直的平面內(nèi)的幾十個甚至上百個深度。它能夠精確地、快速地測定沿航線一定寬度內(nèi)水下目標(biāo)的大小、形狀、最高點和最低點，從而較可靠地描繪出水下地形的精細特征，從真正意義上實現(xiàn)了海底地形的面測量。與單波束回聲測深儀相比，多波束測深系統(tǒng)具有測量范圍大、速度快、精度和效率高、記錄數(shù)字化和實時自動繪圖等優(yōu)

6、點。7．4多波束測深系統(tǒng)多波束系統(tǒng)是由多個子系統(tǒng)組成的綜合系統(tǒng)。對于不同的多波束系統(tǒng)，雖然單元組成不同，但大體上可將系統(tǒng)分為多波束聲學(xué)系統(tǒng)（MBES）、多波束數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（MCS）、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和外圍輔助傳感器。其中，換能器為多波束的聲學(xué)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)波束的發(fā)射和接收；多波束數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成波束的形成和將接收到的聲波信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并反算其測量距離或記錄其往返程時間；外圍設(shè)備主要包括定位傳感器（如GPS）、姿態(tài)傳感器（如姿態(tài)儀）、聲速剖面儀（CDT）和電羅經(jīng)，主要實現(xiàn)測量船瞬時位置、姿態(tài)、航向的測定以及海水中聲速傳播特性的

7、測定；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以工作站為代表，綜合聲波測量、定位、船姿、聲速剖面和潮位等信息，計算波束腳印的坐標(biāo)和深度，并繪制海底平面或三維圖，用于海底的勘察和調(diào)查。多波束的系統(tǒng)組成GPS聲速斷面羅經(jīng)姿態(tài)傳感器換能器Transceiver操作和檢測單元監(jiān)控器導(dǎo)航監(jiān)控器后處理實時數(shù)據(jù)處理工作站數(shù)據(jù)存儲繪圖儀打印機聲納影像記錄數(shù)據(jù)存儲圖2.1SimradEM950/1000多波束聲納系統(tǒng)組成單元外圍輔助傳感器多波束聲學(xué)系統(tǒng)MBES成果輸出系統(tǒng)(外設(shè)系統(tǒng))外部監(jiān)測和顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲和處理波束的發(fā)射、接收流程及其工作模式多波束換能器基元的物理

8、結(jié)構(gòu)是壓電陶瓷，其作用在于實現(xiàn)聲能和電能之間的相互轉(zhuǎn)化。換能器也正是利用這點實現(xiàn)波束的發(fā)射和接收。多波束發(fā)射的不至一個波束，而是形成一個具有一定扇面開角的多個波束，發(fā)射角由發(fā)射模式參數(shù)決定。多波束的波束發(fā)射原理圖多波束的波束接收原理圖7．4．3多波束測深數(shù)據(jù)處理換能器xi發(fā)射波束?Trizixi?R?i