《工程測量學(xué)》課件33水深測量.ppt

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1、 水深測量（簡稱測深）是水下地形測量最主要的內(nèi)容。根據(jù) 使用的測量工具，測深方法主要有： 人工測量 測深聲吶測量 此外， 機(jī)載激光雷達(dá)測深儀 （ Airborne Lidar Bathymeter） 從 20世紀(jì) 60年代末期開始用于水質(zhì)透明度好的水域，測深深度可 達(dá) 60米，目前，該項(xiàng)技術(shù) 并未得到廣泛使用 。 本節(jié)將重點(diǎn)介紹： 人工測深 單波束聲吶 多波束聲吶測量 3.3 水深測量 一、人工測深 在水下地形測量中，最早的測深工具是 測深桿 和 測深錘 。 盡管現(xiàn)在的測深設(shè)備主要是測深聲吶，但在在水草密集的區(qū) 域，或者極淺灘涂等聲吶設(shè)備無法工作的地方，這些原始的測深 工具 仍然在發(fā)揮作用 。

2、 3.3 水深測量 一、人工測深 測深錘 重約 3.5kg，水深與流速較大時(shí)可用 5kg以上的重錘。 在測深錘的繩索上每 10cm作一標(biāo)志，以便讀數(shù)。 由于測深錘只適用于水深較小、流速不大的 淺水區(qū)，測深時(shí)應(yīng)使測深錘的繩索處于垂直位臵， 再讀取水面與繩索相交的數(shù)值，其測深精度與操 作人員的熟練程度有很大關(guān)系，且工作效率低。 3.3 水深測量 一、人工測深 3.3 水深測量 一、人工測深 測深桿 適用于水深 5m以內(nèi)且流速不大的水區(qū)。同樣，在測深 桿上每 10cm作一標(biāo)志，以便讀數(shù)。 現(xiàn)在雖然很少用測深桿進(jìn)行水深測量，但在淺灘測量時(shí)，當(dāng) 回聲測深儀難以反映小于 1m的水深時(shí)，用測深桿進(jìn)行水深測量

3、更 加有效。 3.3 水深測量 二、單波束測深儀測量 在 19世紀(jì) 20年代，人類就能夠測量聲音在水中的傳播速度， 直到一個(gè)世紀(jì)后才研制出了第一臺(tái) 回聲測深儀 ，逐漸結(jié)束了人類 用測深錘和測深桿測量水深的歷史。目前，回聲測深儀（也稱測 深聲吶） 用途最廣 ，是國內(nèi)外進(jìn)行水深測量的最基本的儀器。 1914年，美國設(shè)計(jì)制造第一臺(tái)回聲測深儀； 約 1940年，周同慶 (1907-1989，物理學(xué)家、教育家 )研制出我 國第一臺(tái)自動(dòng)回聲測深儀。 隨著電子工業(yè)的發(fā)展與集成電路技術(shù)的應(yīng)用，測深技術(shù)不斷 得到改進(jìn)，測深儀從 模擬信號處理 發(fā)展到 數(shù)字信號處理 ，極大地 提高了水深測量的精度和效率。 3.3

4、水深測量 二、單波束測深儀測量 （一）測深原理 測深儀的型號雖多，但其測深的基本原理都是利用聲波在同 一介質(zhì)中均勻傳播的特性。 換能器至水底的深度為： 3.3 水深測量 D ctH 21 （ 以 1500m/s為標(biāo)準(zhǔn)聲速 ） 若要求水面至水底的深度時(shí)， 則應(yīng)將測得的水深 加上換能器的吃 水 ，可得水面至水底的深度 D： D H h 二、單波束測深儀測量 （一）測深原理 3.3 水深測量 顯示設(shè)備 接收 放大器 激發(fā)器 電源 發(fā)射 換能器 接收 換能器 控制儀 換能器 發(fā)射脈沖 接收脈沖 電脈沖 電脈沖 機(jī)械振動(dòng) 聲能 電能 二、單波束測深儀測量 （一）測深原理 每反射和接收一次，記錄一個(gè)點(diǎn)，連

5、續(xù)測深時(shí)，各記錄點(diǎn)連 接為一條曲線，這就是所測水深的 模擬記錄 。 現(xiàn)代的測深儀在定位的瞬時(shí)，不但可以在測深記錄紙上打出 定位線 ，而且可以打印測深的 時(shí)間 、 深點(diǎn)號 和 所測水深 。 除了模擬記錄外，數(shù)字式測深儀還可將 模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字 信號 ，同時(shí)記錄所測點(diǎn)的水深值。 3.3 水深測量 二、單波束測深儀測量 （一）測深原理 3.3 水深測量 二、單波束測深儀測量 （一）測深原理 3.3 水深測量 二、單波束測深儀測量 （二）測深儀的安裝 換能器安裝是準(zhǔn)確可靠地進(jìn)行水深測量的重要環(huán)節(jié)。 換能器盒與一適當(dāng)長度的空心鋼管相連，電纜從管內(nèi)穿過， 并擰緊鋼管與換能器的連接螺絲，把鋼管固定在船舷外

6、，通常在 離船首的距離約為船艇總長的 1/3處，以免受船首分水浪花形成氣 泡對聲波傳播速度的影響。 3.3 水深測量 SES-2000深水型的換能器 SES-2000淺剖換能器 二、單波束測深儀測量 （二）測深儀的安裝 為了使換能器安裝牢固，最好在換能器的前后兩側(cè)用繩索拉 緊固定。同時(shí)，還要遠(yuǎn)離發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、推進(jìn)器以及排氣和排 水管，避開這些機(jī)械產(chǎn)生的有規(guī)律的雜聲干擾。 換能器入水深度一般為 0.3 0.8m。具體情況應(yīng)根據(jù) 流速 、 航 速 和 測量船吃水的大小 而定。 船大，流大，航速快，入水可深一 些，反之，換能器入水可相應(yīng)的淺一些。 換能器的長軸要平行船艇的軸線。 3.3 水深測量

7、二、單波束測深儀測量 （二）測深儀的安裝 3.3 水深測量 海洋中 湖泊中 二、單波束測深儀測量 （二）測深儀的安裝 測深儀應(yīng)放臵在通風(fēng)良好，振動(dòng)較小，便于操作，便于觀察 周圍環(huán)境以及與駕駛?cè)藛T聯(lián)系方便的地方。 儀器與電源、換能器以及其它部件盡量接近些。要保證儀器 不受電磁場的干擾，不受海水、雨水的濺潑等。 3.3 水深測量 HydroStar 4300調(diào)查型單波束測深儀 SOH-130測深儀 二、單波束測深儀測量 （三）測深儀校準(zhǔn) 儀器校準(zhǔn)一般在 碼頭邊沿 進(jìn)行，校準(zhǔn)后應(yīng)記錄校準(zhǔn)時(shí)的 海水 聲速 和校準(zhǔn)后的 儀器聲速 。 由于聲速隨著水體的 溫度 、 鹽度 和 壓力 的變化而變化，因而， 不

8、同海區(qū)、不同季節(jié)，儀器所使用的聲速有不同的變化。 為了保證測深成果可靠，在測深前必須對測深儀進(jìn)行再次現(xiàn) 場校準(zhǔn)，以 確定測深時(shí)應(yīng)使用的聲速 。 3.3 水深測量 二、單波束測深儀測量 （三）測深儀校準(zhǔn) 也可利用 比對盤 比測，即將比對盤放臵測深儀換能器下方一 定水深處，檢查所測出的水深是否與比對盤深度一致，兩者之差 20 0.02 水深值 三、多波束測深儀測量 傳統(tǒng)的單波束測深儀只能測量船正下方的水深，為了獲得令 人滿意的水下地形，通常設(shè)臵一些 平行的測線 。即使布設(shè)很密的 測線仍不能保證對水下的 全覆蓋 ，測線之間的水下地形，特別是 一些孤立的特征地形很容易被 漏測 。 多波束測深儀 ，也稱

9、為 多波束測深聲吶系統(tǒng) （ Multibeam Echo Sounding Sonar），能以 條帶測量方式 ，對測量區(qū)域進(jìn)行 全 覆蓋 、 高精度 地測量，克服了單波束測深儀線狀測量的缺點(diǎn)。 3.3 水深測量 三、多波束測深儀測量 （一）測深原理和系統(tǒng)組成 多波束測深儀和傳統(tǒng)的單波束回聲測深儀的測深原理從根本 性上講都是 測量聲波在水中的傳播時(shí)間 。 在多波束系統(tǒng)中，換能器配臵有一個(gè)或者多個(gè) 換能器單元的 陣列 ，通過控制不同單元的相位，形成 多個(gè)具有不同指向角 的波 束，通常 只發(fā)射一個(gè)波束而在接收時(shí)形成多個(gè)波束 。 3.3 水深測量 三、多波束測深儀測量 （一）測深原理和系統(tǒng)組成 3.3

10、 水深測量 系統(tǒng)聲信號的發(fā)射和接收由兩個(gè)方 向互相垂直的 激發(fā)陣 和 水聽器陣 組成。 激發(fā)陣 平行船軸向排列，向垂直船 軸向?qū)ΨQ向兩側(cè)正下方發(fā)射 1.5 (沿船 軸向 ) 12 (垂直船軸向 )的脈沖聲波。 三、多波束測深儀測量 （一）測深原理和系統(tǒng)組成 3.3 水深測量 水聽器陣以 200(沿船軸向 ) 1.50(垂 直船軸向的發(fā)射扇區(qū)內(nèi) )16個(gè)接收波束 角接收來自海底照射面積為 1.50 120的 回波。 接收方式和發(fā)射方式疊加后，形成 垂直船軸，沿船下方兩側(cè)對稱的 16個(gè) 1.50 1.50波束。 三、多波束測深儀測量 （一）測深原理和系統(tǒng)組成 各聲線在介質(zhì)中的路徑構(gòu)成一個(gè) 向下發(fā)散

11、、向上收劍于換能 器中心的輻射狀扇形區(qū) 。 各聲線海底投影點(diǎn)的空間位臵為： 3.3 水深測量 c o s21 ctd s in21 ctx 測點(diǎn)的水深： 測點(diǎn)距換能器垂直中心軸的水平距離： 波束到達(dá)角 三、多波束測深儀測量 （一）測深原理和系統(tǒng)組成 3.3 水深測量 多波束全覆蓋精密探測技術(shù) 三、多波束測深儀測量 （二）多波束測深儀的特點(diǎn) 由美國通用儀器公司 1976年生產(chǎn)的 SeaBeam多波束系統(tǒng) ，被認(rèn) 為是世界上第一套成熟的產(chǎn)品，主要用于深海測量。 隨著技術(shù)的發(fā)展，到 20世紀(jì) 90年代初 ，許多廠家開始推出高 精度、高分辨率和寬覆蓋的淺水型多波束系統(tǒng)，結(jié)合高精度的實(shí) 時(shí)差分 GPS定

12、位技術(shù)，使多波束勘測技術(shù)開始應(yīng)用于各種 江河 、 湖 泊 、 近岸工程 和 大陸架測量 。 3.3 水深測量 三、多波束測深儀測量 （二）多波束測深儀的特點(diǎn) 1、 全覆蓋無遺漏測量 2、 高分辨率測量 3、 高精度和高效率測量 4、 多用途、多信息測量 3.3 水深測量 三、多波束測深儀測量 （三）多波束測深儀的安裝與校準(zhǔn) 由于多波束換能器通常不能與測量船姿態(tài)的 運(yùn)動(dòng)傳感器 、測 量船方位的 電羅經(jīng) ，以及用于定位的 GPS天線 安裝在同一個(gè)位臵， 因此，需要將它們的相對位臵準(zhǔn)確地測量，并歸算到定義的船坐 標(biāo)系中。 3.3 水深測量 羅經(jīng) （ Compass），是測定方向基準(zhǔn)的儀器。 船舶用羅

13、經(jīng)以確定航向和觀測物標(biāo)方位。羅經(jīng)分為 磁羅經(jīng) 和 陀螺羅經(jīng) 兩種。航海船舶通常都裝有兩 種 羅經(jīng)。 陀螺羅經(jīng)又稱 電羅經(jīng) ，是利用陀螺儀的定軸性 和進(jìn)動(dòng)性，結(jié)合地球自轉(zhuǎn)矢 量和重力矢量，用控制 設(shè)備和阻尼設(shè)備制成以提供真北基準(zhǔn)的儀器。 三、多波束測深儀測量 （三）多波束測深儀的安裝與校準(zhǔn) 多波束的換能器安裝要求發(fā)射波束指向與 船龍骨 平行，而接 收波束應(yīng)與船龍骨垂直，且中央波束應(yīng)垂直于水平面。 船龍骨： 船的主要結(jié)構(gòu)部件，沿前沿中心線從船頭延伸到船 尾，船的肋骨附在這上面。形象的比方，有點(diǎn)像人和其他脊椎動(dòng) 物的脊椎，所以叫做龍骨。 3.3 水深測量 三、多波束測深儀測量 （三）多波束測深儀的安

14、裝與校準(zhǔn) 這些安裝與測量盡可能在 碼頭 或 船塢 里進(jìn)行，借助全站儀、 水準(zhǔn)儀等儀器完成。即使安裝的過程十分嚴(yán)格，也會(huì)存在安裝誤 差，尤其是在臨時(shí)性的小船上安裝。因此，必須在開始正式測量 前，對多波束系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)測量。 1. 橫搖校準(zhǔn) 2. 縱傾和時(shí)間延遲校準(zhǔn) 3. 船艏方位校準(zhǔn) 3.3 水深測量 三、多波束測深儀測量 （四）聲速剖面測量 海水是一種非均勻流體，其內(nèi)各層的鹽度、溫度和壓力是不 同的，聲波在不同水體中的傳播速度和路徑也明顯不同。多波束 測深儀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，而這種角度越是靠邊緣的波束越大。由于不同水層中聲 速的差異，導(dǎo)致了 波束傳播路徑

15、的彎曲 ，而這種彎曲的程度和形 態(tài)直接 受聲速剖面的影響和制約 。 在使用多波束測深儀測量水下地形時(shí)，需要 在測區(qū)內(nèi)現(xiàn)場采 集適當(dāng)數(shù)量的聲速剖面 ，對多波束系統(tǒng)的測量水深數(shù)據(jù)進(jìn)行 實(shí)時(shí) 校正 的，聲速剖面的精度和有效性是影響多波束測深精度的主要 誤差來源之一。 3.3 水深測量 三、多波束測深儀測量 （四）聲速剖面測量 3.3 水深測量 HY1200B 自容式聲速剖面儀 聲速剖面儀的收放 三、多波束測深儀測量 （五）數(shù)據(jù)采集與質(zhì)量控制 經(jīng)安裝校準(zhǔn)后的多波束測深儀可以開始水深測量工作。 一般多波束廠家都提供自己開發(fā)或第三方的軟件，用于多波 束外業(yè)數(shù)據(jù)采集，這些 軟件 都提 供一些測量時(shí)的 實(shí)時(shí)質(zhì)

16、量控制 工 具，通過用多個(gè)窗口的圖形、圖 像和數(shù)字信息顯示多波束測深儀 的工作狀態(tài)。 3.3 水深測量 小結(jié)： 1、水深測量的方法： 人工測深 (測深錘 、 測深桿 )、測深 聲吶測量 (單波束測深儀 、 多波束測深儀 )； 2、理解單波束測深儀、多波束測深儀的測深原理； 3、了解單波束測深儀、多波束測深系統(tǒng)的校準(zhǔn)目的、 內(nèi)容和方法； 多波束測深系統(tǒng)的校準(zhǔn)測量包括的內(nèi)容 (橫搖校準(zhǔn)、 縱傾校準(zhǔn)、時(shí)間延遲校準(zhǔn)和船艏方位校準(zhǔn) ) 4、 單波束測深儀測量的誤差來源 (特別是 7項(xiàng)隨機(jī)誤差 )； 5、了解多波束測深系統(tǒng)的基本組成； 6、多波束測深系統(tǒng)的特點(diǎn) (4點(diǎn) )。 3.3 水深測量 本章目錄 退 出 下一節(jié)