回声测深仪海水中声波传播特性及声速测定单波束测深课件.ppt
第四章 水深测量,4.1 回声测深仪4.2 海水中声波传播特性及声速测定4.3 单波束测深技术及水深改正4.4 水深测量归算4.5 水深测量系统介绍4.6 水深测量精度,4.1 回声测深仪,回声测深原理 安装在测量船下的发射机换能器，垂直向水下发射一定额率的声波脉冲，以声速C在水中传播到水底，经反射或散射返回，被接收机换能器所接收。,4.1 回声测深仪,回声测深原理,4.1 回声测深仪,回声测深原理,4.1 回声测深仪,回声测深仪组成 回声测深仪由 发射机、接收机、发射换能器、接收换能器、显示设备 和电源部分 组成,4.1 回声测深仪,回声测深仪组成,4.1 回声测深仪,回声测深仪组成,HD-27Hd-28测深仪,4.1 回声测深仪,回声测深仪组成,双频换能器,4.1 回声测深仪,回声测深仪组成,换能器安装图,4.1 回声测深仪,回声测深仪组成,换能器安装图,4.1 回声测深仪,回声测深仪组成回声测深仪按照频率分为单频测深仪和双频测深仪。单频测深仪仅发射一个频率的超声波，以测量海面到海底表面之间的垂直距离，即水深。双频测深仪换能器垂直向水下发射高、低频声脉冲。通过高频和低频脉冲可获得淤泥厚度,4.1 回声测深仪,回声测深仪组成根据换能器的发射声波的个数、声波发射方向以及换能器安置方式不同，测深仪分为单波束测深仪、四波束测深仪、侧扫声纳、多波束测深仪等类型。国产SDH系列，其测深范围从小于1米到千米甚至万米，精度符合国标和国际海道测量组织标准。国外的如SIMRAD（挪威）、MARIMATECH（丹麦）、ODOM（美国）等公司的系列产品。,4.2 海水中声波传播特性 及声速测定,声波 机械振动在弹性介质中传播形成机械波，声波是一种机械波人耳能感觉到的声波频率范围为 20Hz20kHz频率范围小于20Hz称作次声波，频率范围大于20kHz称作超声波,4.2 海水中声波传播特性 及声速测定,声波 声波的传播具有以下特性：（1）声波不能在真空中传播；（2）气体、液体和固体的振动均能产生声波；（3）声波是纵波，传播方向与介质振动方向相同；（4）声波传播速度与介质的性质和状态有关。,4.2 海水中声波传播特性 及声速测定,声波的传播速度声波在不同介质中的传播速度，取决于介质的弹性模量和密度。声波在各种介质中的传播速度不同，声波的传播速度可以用近似公式表示：,（0C),4.2 海水中声波传播特性及声速测定,声波的传播速度 工程上应用较多的经验公式,t:温度（）S:盐度（）P:静水压力（标准大气压）,4.2 海水中声波传播特性及声速测定,声波的传播速度的测定,4.2 海水中声波传播特性及声速测定,声波的传播速度的测定测深精度与深度有关，试验证明要使测深精度达到1%，则声速测量误差不应超过0.25，即为4m/s。为满足测深精度要求，必须精确测定声速值。水深测量中，声速的主要测量方法有：深度比对法声波速度计直接测定,4.2 海水中声波传播特性及声速测定,声波的传播速度的测定深度比对法,4.2 海水中声波传播特性及声速测定,声波的传播速度的测定声波速度计直接测定声波速度计是一种声学仪器，在已知长度的发射器和接收器之间测量短声脉冲传播的时间，计算声波的传播速度。声波速度计可直接测定水深任一点的声速值。,4.2 海水中声波传播特性及声速测定,声波的传播速度的测定声波速度计直接测定,4.2 海水中声波传播特性及声速测定,声波的传播速度的测定解析法测定声速 声速是温度、盐度和静水压力的函数，我国一般采用以下经验公式（海道测量规范，1990）,4.2 海水中声波传播特性及声速测定,声波的传播速度的测定解析法测定声速实际工作中，一般根据温度的变化把水柱分成不同的水层，利用加权平均值进行计算。例如，一个160m的水柱，按温度变化分成3层，计算如表所列，结果为,4.3 单波束测深技术及水深改正,单波束测深就是测深仪器在一个测深周期内仅发射一个声脉冲。发射机换能器垂直向水下发射一定频率的声波脉冲，在水中传播到水底，经反射或散射返回。记录声波发射到接收的时间间隔，根据声速值测得换能器底部到水底的深度。回声测深仪总改正数的求取方法主要有水文资料法和校对法。前者适用于水深大于20 m的水深测量，后者适用于小于20m的水深测量。水文资料法改正包括吃水改正、转速改正及声速改正。,4.3 单波束测深技术及水深改正,吃水改正测深仪换能器安装方式：固定式安装、便携式安装由水面至换能器底面的垂直距离称为换能器吃水改正 H为水面至水底的深度；HS为换能器底面至水底的深度,4.3 单波束测深技术及水深改正,转速改正 转速改正是由于测深仪的实际转速不等于设计转速所造成的,4.3 单波束测深技术及水深改正,声速改正 声速改正是因为输入到测深仪中的声速不等于实际声速造成的测深误差,4.3 单波束测深技术及水深改正,综合改正声速改正数对总改正数影响最大。浅海区适宜用校对法求测深仪总改正数。校对法同声速比对法。,4.4 水深测量归算,4.4.1 海流、潮汐和海浪海流 海水具有一定速度和方向的大规模流动，称为海流。因引起海流的原因不同，海流可分为风生流和密度流；或按其空间分布分为表层环流、中层环流、深层环流和底层环流。表层环流主要是风生环流，而中层环流、深层环流和底层环流则为密度环流。,4.4 水深测量归算,4.4.1 海流、潮汐和海浪潮汐海水受日、月引潮力作用而产生的周期性上升和下降运动。它在垂直方向上表现为潮位升降现象，在水平方向上表现为潮流的进退涨落现象。主要是由于天体对地球表面海水的引力作用产生的，这种引力主要来自月球和太阳。,4.4 水深测量归算,4.4.1 海流、潮汐和海浪潮汐我国沿海的主要港口和河段的内港均有验潮站。我国的验潮历史可追溯到十九世纪末，最早开始验潮的站有塘沽（1895年）、青岛（1898年）、秦皇岛（1900年）、厦 门（1907年）、广州（1908年）、大连（1909年）、建国后，随着我国国防、航运、水产、海洋开发与海洋工程等事业的蓬勃发展，我国沿海地区相继建立了许多验潮站。据截止到1989年的不完全统计，我国共有验潮站和潮水位站281个。分别隶属于水利部（210个）、国家海洋局（34个）、交通部（24个）、海军（12个）、地矿部（1个）。,4.4 水深测量归算,4.4.1 海流、潮汐和海浪潮汐高潮：海面升到最高时，低潮：海面降到最低时.潮差：高潮与低潮之差。一次潮汐（全日潮）：平均时间间隔约为24小时50分，二次潮汐（半日潮）：两个高潮(或低潮)的平均时间间隔约为12小时25分。,4.4 水深测量归算,4.4.1 海流、潮汐和海浪潮汐观测 在指定的时间序列中，通过对海面高度变化的观 测(验溯)，而获得了某地区潮汐变化的数据。方法1：水尺观测：当进行短时间的临时性的岸边潮位观测时适用。尺上标有刻划，观测时读取海面在尺上的读数，并且记录读数时的时刻。,4.4 水深测量归算,4.4.1 海流、潮汐和海浪潮汐观测 方法2：验潮仪观测：较长期的临时性的潮位观测时适用，由安置在海中的感应部分与安置在岸边的记录和传感部分组成。,4.4 水深测量归算,4.4.1 海流、潮汐和海浪潮汐分析1.目的 主要采用相应的数模对潮汐变化的资料进行计算，得到潮汐主要参数。2.分类 时间分类：长期、中期和短期分析；方法分类：调和分析和波谱分析。,4.4 水深测量归算,4.4.1 海流、潮汐和海浪海浪波浪现象：水分子作上下圆周运动，使海水面形成周期性起伏，波浪向前传播。,4.4 水深测量归算,4.4.2 平均海面和深度基准面 平均海面:平均海面也称“平均海水面”，是指某海域在一定时期内海水面的平均位置。通常由某验潮站相应期间内每小时的潮位观测记录数据计算求得。根据所取时间长度不同，可分为日平均海面、月平均海面、年平均海面和多年平均海面。,4.4 水深测量归算,4.4.2 平均海面和深度基准面 深度基准面:为了在不同时间测得的不同地点的水深有一个可比性，必须确定一个统一的基准面，这就是海洋测量中的深度基准面。在海洋测量中，常以略低于低潮面的一个面作为海洋深度基准面。,4.4 水深测量归算,4.4.2 平均海面和深度基准面 深度基准面为了在不同时间测得的不同地点的水深有一个可比性，必须确定一个统一的基准面，这就是海洋测量中的深度基准面。在海洋测量中，常以略低于低潮面的一个面作为海洋深度基准面。深度基准面是海洋深度测量归算和海图上图载水深的统一起算面,4.4 水深测量归算,4.4.2 平均海面和深度基准面 深度基准面:为了在不同时间测得的不同地点的水深有一个可比性，必须确定一个统一的基准面，这就是海洋测量中的深度基准面。在海洋测量中，常以略低于低潮面的一个面作为海洋深度基准面。深度基准面是海洋深度测量归算和海图上图载水深的统一起算面,4.4 水深测量归算,4.4.2 平均海面和深度基准面由于世界各国计算L值的方法各不相同，因此采用的深度基准面也各不相同。中国海区从1956年起采用理论最低潮面（即理论深度基准面）作为深度基准面，内河、湖泊采用最低水位、平均低水位或设计水位作为深度基准面。,4.4 水深测量归算,4.4.2 平均海面和深度基准面 确定深度基准面的原则是：既要考虑舰船的航行安全，又要充分提高航道的利用率。若深度基准面定高了，会出现图载水深大于实际水深，依此海图航行，很可能发生搁浅事故。若深度基准面定低了，使本来可以航行的航道可能误认为水浅不能通过，从而降低了航道的利用率。,4.4 水深测量归算,4.4.3 短期验潮站多年平均海面的确定短期验潮站，是根据局部水域水下地形测量的需要而临时增设的，一般观测一个月的潮位。显然，使用这样短时间的资料来计算平均海面，是不准确的，误差2050cm。视外界条件基本相同的海区，其平均海面的日变化、月变化和年变化规律基本一致。把邻近的长期验潮站的多年平均海面，通过一定方法联测到短期验潮站提高精度。,长期验潮站多年平均海面,4.4 水深测量归算,4.4.3 短期验潮站多年平均海面的确定 1.水准联测法,4.4 水深测量归算,4.4.3 短期验潮站多年平均海面的确定 2.同步改正法 让长期验潮站和短期验潮站同步观测潮汐，求出短期平均海面在两站水位零点以上的高度，然后将长期验潮站多年平均海面转换为短期验潮站的多年平均海面。,4.4 水深测量归算,4.4.4 水位改正 水位改正是将测得的瞬时深度转化为一定基准上的较为稳定数据的过程。水位改正的目的是尽可能消除测深数据中的海洋潮汐影响，将测深数据转化为以当地深度基准面为基准的水深数据。水位观测过程中采用以点带面的水位改正方法，这在一定区域（验潮站有效范围）内符合潮汐变化规律。,4.4 水深测量归算,4.4.4 水位改正1.单站水位改正法,4.4 水深测量归算,4.4.4 水位改正1.单站水位改正法 不同时刻水位站的求法：图解法和解析法,4.4 水深测量归算,4.4.4 水位改正2.线性内插法 当测区位于A、B两验潮站之间，且超出两站的有效控制范围时，对测区内各点的任意时刻水位改正方法一般为：一是在海区设计时增加验潮站的数量（由于此法耗费太多的人力、物力，不是在特别要求的情况下，一般不用此法）；二是在一定条件下，根据A，B两站的观测资料对控制不到的区域进行线性内插。,4.4 水深测量归算,4.4.4 水位改正（2.线性内插法）两站数学模型,三站数学模型,4.4 水深测量归算,4.4.4 水位改正（2.线性内插法）,三站数学模型,4.4 水深测量归算,4.4.4 水位改正 分带所依据的假设条件是：两站之间潮波传播均匀，潮高和潮时的变化与其距离成比例。确切地讲，是要求两站间的同相潮时和同潮潮高的变化与距离成比例。,分带水位改正法：两站水位分带改正、三站水位分带改正,4.4 水深测量归算,4.4.4 水位改正 分带条件：当测区有潮波图时，可以判断主要分潮的潮波传播是否均匀，来确定分带与否。若测区无潮波图时，可根据海区自然地理（海底地貌、海岸形状等）条件，以及潮流等因素加以分析。一般而言，潮波经过岛屿、海角等地区，变形较大，分带应特别注意。若没有把握，则应设立验潮站。,两站水位分带改正,4.4 水深测量归算,4.4.4 水位改正,两站水位分带改正,分带的基本原则：分带的界线方向与潮波传播方向垂直。分带原理：具体分为几带由具体情况决定。两验潮站之间的水位分带数,4.5 水深测量系统介绍,单波束测深仪能够完成沿航迹线上的断面测量，其测深数据的分布特点是沿航迹线数据密集，而在测线间隔内没有数据。单波束测深数据处理成图，均采用数据格网化内插的方法来预估测线间数据空白区的水深情况。数据格网化内插的方法存在的缺陷：一是无法探测到尺度小于测线间隔的微地形，这就使得可能存在的海底障碍物不能被探测到，给航运等带来安全隐患；二是通过格网化内插不仅会增加假地形，而且也会使测线上已经探测到的小尺度微地形因内插平滑而受到歪曲、夸大，不能达到探测区域的全覆盖，这就使得可能存在的海底障碍物不能探测到，给航运等带来安全隐患。,4.5 水深测量系统介绍,4.5.1 扫海系统 多换能器扫海系统，又称多通道测深系统。在我国各单位使用的四波束扫海测深仪，主要有日本产的PS600型、PS20R型及MS10型。四波束扫海测深仪主要由四个收、发台的换能器，同步控制器和图示记录器组成。四个换能器在船上的安装方式有舷挂式和悬臂式两种。,4.5 水深测量系统介绍,4.5.1 扫海系统,4.5 水深测量系统介绍,4.5.1 扫海系统 当仪器按悬臂式安装时，沿测量船正横方向的声波覆盖总宽度L为,4.5 水深测量系统介绍,4.5.2 测扫声呐系统 侧扫声呐系统又称海底地貌仪或旁侧声呐，侧扫声呐系统按探测换能器的配置分为单侧和双侧两种。单侧侧扫声呐仅探测沿测量船航迹某一侧海域的地貌；双侧侧扫声呐能够探测沿测量船航迹两侧海域的地貌。系统的换能器基阵以一定的倾斜角度、发射频率，向海底发射具有指向性的宽垂直波束角和窄水平波束角的脉冲超声波。,4.5 水深测量系统介绍,4.5.2 测扫声呐系统,4.5 水深测量系统介绍,4.5.2 测扫声呐系统设自发射脉冲声波的瞬时起，记录器按先后次序 依次记录发射过程中的各点回波信号在一条横线上.1.海底平坦:回波信号的强度随着距离的增大而迅速减弱,仪器设置时间补偿，使得在相同底质的海底，各处反向散射回波在记录上成一条灰度相同的横线。2.海底起伏:回波信号强度随着距离的增大而强弱变化。各处反向散射回波在记录上成一条灰度不相同的横线。,4.5 水深测量系统介绍,4.5.2 测扫声呐系统 ab平坦:黑度均匀;bc隆起正面:反向散射回波增强，记录黑度加深;cd隆起反面:没有回波信号,de平坦:黑度均匀.,4.5 水深测量系统介绍,4.5.2 测扫声呐系统,4.5 水深测量系统介绍,4.5.3 多波束测深系统 多波束测深系统采用单一换能器，能一次获取与航向垂直方向上几十个甚至几百个海底点的水深和水平位置数据值，所以它能够精确、快速地测出沿航线一定宽度内水下目标的大小、形状和高度变化，从而比较可靠地绘制出海底地貌的精细特征。多波束测深系统优点：1）具有测量范围大、测量效率、精度高等优点 2）把测深技术从原先的点、线测量扩展到海底面的测量 3）加入现代计算机技术可进一步达到立体测深和成图，极大地缩短了从探测到成图的作业时间。,4.5 水深测量系统介绍,4.5.3 多波束测深系统,4.5 水深测量系统介绍,4.5.3 多波束测深系统 系统组成：多波束声学系统（MBES）、多波束数据采集系统（MCS）、数据处理系统和外围辅助传感器。,4.5 水深测量系统介绍,4.5.3 多波束测深系统,4.5 水深测量系统介绍,4.5.3 多波束测深系统,4.5 水深测量系统介绍,4.5.3 多波束测深系统,4.5 水深测量系统介绍,4.5.5 机载激光测深系统 特点：覆盖面广、测点密度高、测量周期短、所需人员少、低消耗、易管理、高机动性，能实施船只无法到达海域的水深测量。,4.5 水深测量系统介绍,4.5.5 机载激光测深系统 激光测深系统的组成一般有六大部分：（1）测深系统（DSSS）（2）导航系统（NSS）（3）数据处理分析系统（DPSS）（4）控制一监视系统（CNSS）（5）地面处理系统（GPSS）（6）飞机与维修设备,4.6 水深测量精度,国际海道测量组织（IHO）确定的依据探测海区的精度要求、海底覆盖率不同划分定义了四种测量等级：一级测量：只适用于海道测量部门明确规定的重要海区，在这些海区，船舶只能以最小吃水净深航行，并且其海底特征可能对船只航行有危险。二级测量：适用于其他港口、人口航道、一般的沿岸和内陆航道，在这些海区，船只的吃水距海底有较大的净深，或海底的地质特征对船只航行的危险较小（例如松散的淤泥和沙底质）。三级测量：三级测量适用于水深浅于 200 m且不被一、二级测量覆盖的海区。四级测量：四级海道测量适用于水深超过200 m且不被一、二、三级海道测量所覆盖的其他所有海区。,4.6 水深测量精度,
