《工程测量学》课件33水深测量.ppt

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1、水深测量（简称测深）是水下地形测量最主要的内容。根据使用的测量工具，测深方法主要有：人工测量测深声呐测量 此外，机载激光雷达测深仪（Airborne Lidar Bathymeter）从20世纪60年代末期开始用于水质透明度好的水域，测深深度可达60米，目前，该项技术并未得到广泛使用。本节将重点介绍：人工测深 单波束声呐 多波束声呐测量,3.3 水深测量,一、人工测深 在水下地形测量中，最早的测深工具是测深杆和测深锤。尽管现在的测深设备主要是测深声呐，但在在水草密集的区域，或者极浅滩涂等声呐设备无法工作的地方，这些原始的测深工具仍然在发挥作用。,3.3 水深测量,一、人工测深 测深锤重约3.5

2、kg，水深与流速较大时可用5kg以上的重锤。在测深锤的绳索上每10cm作一标志，以便读数。由于测深锤只适用于水深较小、流速不大的浅水区，测深时应使测深锤的绳索处于垂直位置，再读取水面与绳索相交的数值，其测深精度与操作人员的熟练程度有很大关系，且工作效率低。,3.3 水深测量,一、人工测深,3.3 水深测量,一、人工测深 测深杆适用于水深5m以内且流速不大的水区。同样，在测深杆上每10cm作一标志，以便读数。现在虽然很少用测深杆进行水深测量，但在浅滩测量时，当回声测深仪难以反映小于1m的水深时，用测深杆进行水深测量更加有效。,3.3 水深测量,二、单波束测深仪测量 在19世纪20年代，人类就能够

3、测量声音在水中的传播速度，直到一个世纪后才研制出了第一台回声测深仪，逐渐结束了人类用测深锤和测深杆测量水深的历史。目前，回声测深仪（也称测深声呐）用途最广，是国内外进行水深测量的最基本的仪器。1914年，美国设计制造第一台回声测深仪；约1940年，周同庆(1907-1989，物理学家、教育家)研制出我国第一台自动回声测深仪。随着电子工业的发展与集成电路技术的应用，测深技术不断得到改进，测深仪从模拟信号处理发展到数字信号处理，极大地提高了水深测量的精度和效率。,3.3 水深测量,二、单波束测深仪测量（一）测深原理 测深仪的型号虽多，但其测深的基本原理都是利用声波在同一介质中均匀传播的特性。换能器

4、至水底的深度为：,3.3 水深测量,（以1500m/s为标准声速）,若要求水面至水底的深度时，则应将测得的水深加上换能器的吃水，可得水面至水底的深度D：,二、单波束测深仪测量（一）测深原理,3.3 水深测量,控制仪,换能器,发射脉冲,接收脉冲,电脉冲,电脉冲,机械振动,声能,电能,二、单波束测深仪测量（一）测深原理 每反射和接收一次，记录一个点，连续测深时，各记录点连接为一条曲线，这就是所测水深的模拟记录。现代的测深仪在定位的瞬时，不但可以在测深记录纸上打出定位线，而且可以打印测深的时间、深点号和所测水深。除了模拟记录外，数字式测深仪还可将模拟信号转换成数字信号，同时记录所测点的水深值。,3.

5、3 水深测量,二、单波束测深仪测量（一）测深原理,3.3 水深测量,二、单波束测深仪测量（一）测深原理,3.3 水深测量,二、单波束测深仪测量（二）测深仪的安装 换能器安装是准确可靠地进行水深测量的重要环节。换能器盒与一适当长度的空心钢管相连，电缆从管内穿过，并拧紧钢管与换能器的连接螺丝，把钢管固定在船舷外，通常在离船首的距离约为船艇总长的1/3处，以免受船首分水浪花形成气泡对声波传播速度的影响。,3.3 水深测量,SES-2000深水型的换能器,SES-2000浅剖换能器,二、单波束测深仪测量（二）测深仪的安装 为了使换能器安装牢固，最好在换能器的前后两侧用绳索拉紧固定。同时，还要远离发电机

6、、电动机、推进器以及排气和排水管，避开这些机械产生的有规律的杂声干扰。换能器入水深度一般为0.30.8m。具体情况应根据流速、航速和测量船吃水的大小而定。船大，流大，航速快，入水可深一些，反之，换能器入水可相应的浅一些。换能器的长轴要平行船艇的轴线。,3.3 水深测量,二、单波束测深仪测量（二）测深仪的安装,3.3 水深测量,海洋中,湖泊中,二、单波束测深仪测量（二）测深仪的安装 测深仪应放置在通风良好，振动较小，便于操作，便于观察周围环境以及与驾驶人员联系方便的地方。仪器与电源、换能器以及其它部件尽量接近些。要保证仪器不受电磁场的干扰，不受海水、雨水的溅泼等。,3.3 水深测量,HydroS

7、tar 4300调查型单波束测深仪,SOH-130测深仪,二、单波束测深仪测量（三）测深仪校准 仪器校准一般在码头边沿进行，校准后应记录校准时的海水声速和校准后的仪器声速。由于声速随着水体的温度、盐度和压力的变化而变化，因而，不同海区、不同季节，仪器所使用的声速有不同的变化。为了保证测深成果可靠，在测深前必须对测深仪进行再次现场校准，以确定测深时应使用的声速。,3.3 水深测量,二、单波束测深仪测量（三）测深仪校准 也可利用比对盘比测，即将比对盘放置测深仪换能器下方一定水深处，检查所测出的水深是否与比对盘深度一致，两者之差0.05m为仪器校准合格。若差值较大，说明测深仪的声速参数不正确或仪器有

8、问题。当判断不是仪器问题时，可以对测深仪使用的声速进行修正，此时正确的声速应为：,3.3 水深测量,比对盘的深度,测深仪测量的深度,测深仪目前输入的声速,二、单波束测深仪测量（四）深度测量 单波束水深测量，是一种由点到线的测量方法，可以在测线上进行连续深度测量。即使使用数字测深仪测量，在记录数字水深值的同时，也应进行记录纸模拟记录。一条完整的测深记录应包括序号、日期、时间、坐标和水深。,3.3 水深测量,二、单波束测深仪测量（四）深度测量 测深时，测量船应按布设的测线逐条施测。当测深线偏离设定测线的距离超过规定间隔的1/2，或因仪器故障、验潮中断等情况发生漏测时，应进行补测。为了保证测深成果可

9、靠，应在测前、测后及测深期间，经常进行深度比对检查。,3.3 水深测量,二、单波束测深仪测量（五）误差来源与质量控制,3.3 水深测量,测深误差,粗差,测深仪的机械或电子部件损坏引起的误差,系统误差,随机误差,测深仪换能器和测量船的姿态传感器的安装偏移产生的误差,主要通过系统的校准来检测，并根据检测到的误差大小和符号加以补偿改正,5、换能器相对位置变化产生的深度误差,6、对测深记录的判读和分辨误差,7、深度归化误差,1、地形倾斜引起的误差,2、声速引起的误差,3、时间测量引起的误差,4、测量船的姿态测量引起的误差,二、单波束测深仪测量（五）误差来源与质量控制 4、测量船的姿态测量引起的误差 测

10、量船的姿态测量包括：船的横摇(roll)、纵倾(pitch)和起伏(heave)。当船的横摇角和纵倾角大于半波束宽度时，不仅产生深度误差，同时还会产生测深点的位置误差。但是，船的横摇和纵倾对波束较宽的测深仪影响小。,3.3 水深测量,二、单波束测深仪测量（五）误差来源与质量控制 4、测量船的姿态测量引起的误差 由于涌浪的作用使船起伏，对深度测量产生直接的影响，而船的横摇和纵倾也会使测量船产生起伏，称为诱导起伏(induced heave)或感生起伏。目前，一种专门的涌浪滤波器被用于水深测量的起伏补偿.,3.3 水深测量,二、单波束测深仪测量（五）误差来源与质量控制 5、换能器相对位置变化产生的

11、深度误差 包括三部分误差：换能器吃水(draught)变化 船航行时的沉降(settlement)船运动时的蹲伏(squat),3.3 水深测量,二、单波束测深仪测量（五）误差来源与质量控制 5、换能器相对位置变化产生的深度误差 换能器吃水(draught)变化 精确测量换能器的吃水是保证水深测量精度的基础，但是由于船载燃料和水的消耗，船的吃水会在测量期间发生变化，换能器的吃水也会随着改变。船航行时的沉降(settlement)船运动时的蹲伏(squat),3.3 水深测量,二、单波束测深仪测量（五）误差来源与质量控制 5、换能器相对位置变化产生的深度误差 换能器吃水(draught)变化 船

12、航行时的沉降(settlement)船在航行时的吃水面总要比静止时吹水面低。在浅水测量时，由此产生的误差比较明显。船运动时的蹲伏(squat),3.3 水深测量,二、单波束测深仪测量（五）误差来源与质量控制 5、换能器相对位置变化产生的深度误差 换能器吃水(draught)变化 船航行时的沉降(settlement)船运动时的蹲伏(squat)当测量船航行时，船头和船尾会抬起和下沉，船速越快这种现象越明显。可以制作一个船速与蹲伏的对照表来改正这一影响。,3.3 水深测量,二、单波束测深仪测量（五）误差来源与质量控制 6、对测深记录的判读和分辨误差 测深记录的判读和分辨率和测深仪的工作原理有关。

13、当采用模拟记录时，操作者应选择设置适当的参数，如信号增益和记录的垂直比例尺，使测深仪的模拟记录既快又清楚，具有足够的分辨率。即使采用数字记录，也应尽可能地保留模拟记录，以便对测量结果进行检查和比较。,3.3 水深测量,二、单波束测深仪测量（五）误差来源与质量控制 7、深度归化误差 测量的深度值应为通过潮汐或水位改正归化到相应深度基准面上的水深。,3.3 水深测量,二、单波束测深仪测量（五）误差来源与质量控制 水深测量的质量控制是通过统计计算，比较主测线和检测线(也称联络线)的交叉点深度不符值来实现的。,3.3 水深测量,三、多波束测深仪测量 传统的单波束测深仪只能测量船正下方的水深，为了获得令

14、人满意的水下地形，通常设置一些平行的测线。即使布设很密的测线仍不能保证对水下的全覆盖，测线之间的水下地形，特别是一些孤立的特征地形很容易被漏测。多波束测深仪，也称为多波束测深声呐系统（Multibeam Echo Sounding Sonar），能以条带测量方式，对测量区域进行全覆盖、高精度地测量，克服了单波束测深仪线状测量的缺点。,3.3 水深测量,三、多波束测深仪测量（一）测深原理和系统组成 多波束测深仪和传统的单波束回声测深仪的测深原理从根本性上讲都是测量声波在水中的传播时间。在多波束系统中，换能器配置有一个或者多个换能器单元的阵列，通过控制不同单元的相位，形成多个具有不同指向角的波束，

15、通常只发射一个波束而在接收时形成多个波束。,3.3 水深测量,三、多波束测深仪测量（一）测深原理和系统组成,3.3 水深测量,系统声信号的发射和接收由两个方向互相垂直的激发阵和水听器阵组成。激发阵平行船轴向排列，向垂直船轴向对称向两侧正下方发射1.5(沿船轴向)12(垂直船轴向)的脉冲声波。,船轴向,三、多波束测深仪测量（一）测深原理和系统组成,3.3 水深测量,水听器阵以200(沿船轴向)1.50(垂直船轴向的发射扇区内)16个接收波束角接收来自海底照射面积为1.50120的回波。接收方式和发射方式叠加后，形成垂直船轴，沿船下方两侧对称的16个1.501.50波束。,船轴向,三、多波束测深仪

16、测量（一）测深原理和系统组成 各声线在介质中的路径构成一个向下发散、向上收剑于换能器中心的辐射状扇形区。各声线海底投影点的空间位置为：,3.3 水深测量,测点的水深：,测点距换能器垂直中心轴的水平距离：,波束到达角,三、多波束测深仪测量（一）测深原理和系统组成,3.3 水深测量,多波束全覆盖精密探测技术,三、多波束测深仪测量（二）多波束测深仪的特点 由美国通用仪器公司1976年生产的SeaBeam多波束系统，被认为是世界上第一套成熟的产品，主要用于深海测量。随着技术的发展，到20世纪90年代初，许多厂家开始推出高精度、高分辨率和宽覆盖的浅水型多波束系统，结合高精度的实时差分GPS定位技术，使多

17、波束勘测技术开始应用于各种江河、湖泊、近岸工程和大陆架测量。,3.3 水深测量,三、多波束测深仪测量（二）多波束测深仪的特点 1、全覆盖无遗漏测量 2、高分辨率测量 3、高精度和高效率测量 4、多用途、多信息测量,3.3 水深测量,三、多波束测深仪测量（三）多波束测深仪的安装与校准 由于多波束换能器通常不能与测量船姿态的运动传感器、测量船方位的电罗经，以及用于定位的GPS天线安装在同一个位置，因此，需要将它们的相对位置准确地测量，并归算到定义的船坐标系中。,3.3 水深测量,罗经（Compass），是测定方向基准的仪器。船舶用罗经以确定航向和观测物标方位。罗经分为磁罗经和陀螺罗经两种。航海船舶

18、通常都装有两种罗经。陀螺罗经又称电罗经，是利用陀螺仪的定轴性和进动性，结合地球自转矢量和重力矢量，用控制设备和阻尼设备制成以提供真北基准的仪器。,三、多波束测深仪测量（三）多波束测深仪的安装与校准 多波束的换能器安装要求发射波束指向与船龙骨平行，而接收波束应与船龙骨垂直，且中央波束应垂直于水平面。船龙骨：船的主要结构部件，沿前沿中心线从船头延伸到船尾，船的肋骨附在这上面。形象的比方，有点像人和其他脊椎动物的脊椎，所以叫做龙骨。,3.3 水深测量,三、多波束测深仪测量（三）多波束测深仪的安装与校准 这些安装与测量尽可能在码头或船坞里进行，借助全站仪、水准仪等仪器完成。即使安装的过程十分严格，也会

19、存在安装误差，尤其是在临时性的小船上安装。因此，必须在开始正式测量前，对多波束系统进行校准测量。横摇校准 纵倾和时间延迟校准 船艏方位校准,3.3 水深测量,三、多波束测深仪测量（四）声速剖面测量 海水是一种非均匀流体，其内各层的盐度、温度和压力是不同的，声波在不同水体中的传播速度和路径也明显不同。多波束测深仪除了中心波束是垂直入射外，其余波束均具有一定的波束入射角，而这种角度越是靠边缘的波束越大。由于不同水层中声速的差异，导致了波束传播路径的弯曲，而这种弯曲的程度和形态直接受声速剖面的影响和制约。在使用多波束测深仪测量水下地形时，需要在测区内现场采集适当数量的声速剖面，对多波束系统的测量水深

20、数据进行实时校正的，声速剖面的精度和有效性是影响多波束测深精度的主要误差来源之一。,3.3 水深测量,三、多波束测深仪测量（四）声速剖面测量,3.3 水深测量,HY1200B 自容式声速剖面仪,声速剖面仪的收放,三、多波束测深仪测量（五）数据采集与质量控制 经安装校准后的多波束测深仪可以开始水深测量工作。一般多波束厂家都提供自己开发或第三方的软件，用于多波束外业数据采集，这些软件都提供一些测量时的实时质量控制工具，通过用多个窗口的图形、图像和数字信息显示多波束测深仪的工作状态。,3.3 水深测量,小结：1、水深测量的方法：人工测深(测深锤、测深杆)、测深声呐测量(单波束测深仪、多波束测深仪)；2、理解单波束测深仪、多波束测深仪的测深原理；3、了解单波束测深仪、多波束测深系统的校准目的、内容和方法；多波束测深系统的校准测量包括的内容(横摇校准、纵倾校准、时间延迟校准和船艏方位校准)4、单波束测深仪测量的误差来源(特别是7项随机误差)；5、了解多波束测深系统的基本组成；6、多波束测深系统的特点(4点)。,3.3 水深测量,本章目录,退 出,下一节,