第7章-水深测量及水下地形测量

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1、现代海洋测绘赵建虎第七章水深测量及海底地形测量Sounding&UnderwaterTopographicSurvey赵建虎本章内容概述回声测深原理多波束测深系统高分辨率测深侧扫声纳基于水下机器人的水下地形测量机载激光测深（LIDAR）测线布设测深精度水位改正测量数据质量与管理海底地形成图思考题海底地形测量是测量海底起伏形态和地物的工作。是陆地地形测量在海域的延伸。按照测量区域可分为海岸带、大陆架和大洋三种海底地形。特点是测量内容多，精度要求高，显示内容详细。水深测量经历了如下几个发展阶段：测绳重锤测量（点测量）单频单波束测深（点测量

2、）双频单波束测深（点测量）多波束测深（面测量）机载激光测深（面测量）水下地形测量的发展与其测深手段的不断完善是紧密相关的。7．1概述单频单波束测深（点测量）安装在测量船下的发射机换能器，垂直向水下发射一定频率的声波脉冲，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。设经历时间为t，换能器的吃水深度D，则换能器表面至水底的距离(水深)H为：7．2回声测深原理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。回声测深仪组成示意图千米和万米测深仪为了求得实际正确的水深而对回声测深仪实测的深度数据施加的改正数

3、称为回声测深仪总改正数。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米的水深测量，后者适用于小于20米的水深测量。水文资料法改正包括吃水改正△Hb、转速改正△Hn及声速改正△Hc。吃水改正：由水面至换能器底面的垂直距离称为换能器吃水改正数△Hb。若H为水面至水底的深度；HS换能器底面至水底的深度，则△Hb为：转速改正△Hb是由于测深仪的实际转速ns不等于设计转速n0所造成的。转速改正数△Hn为：声速改正△Hc是因为输入到测深仪中的声速Cm不等于实际声速C0造成的测深误差。综上，测深仪总改正数△H为：其中，声速改正数

4、△Hc对总改正数△H影响最大。校对法利用水陀、检查板、水听器等，实测从水面起算的准确深度，与测深仪的当前深度进行比较，进而求得回声测深仪在该深度上的总改正数△H。回声测深仪按照频率分为单频测深仪和双频测深仪。双频单波束测深（点测量）换能器垂直向水下发射高、低频声脉冲，由于低频声脉冲具有较强的穿透能力，因而可以打到硬质层；高频声脉冲仅能打到沉积物表层，两个脉冲所得深度之差便是淤泥厚度Δh。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织成。四个换能器在船上的安装方式有舷挂式和悬臂式两种。目前，我国各单位使用的四波束扫海测深仪，主

5、要有日本产的MS—10型、PS—20R型及PS—600型。7．3四波束扫海测深仪多波束测深系统是从单波束测深系统发展起来，能一次给出与航线相垂直的平面内的几十个甚至上百个深度。它能够精确地、快速地测定沿航线一定宽度内水下目标的大小、形状、最高点和最低点，从而较可靠地描绘出水下地形的精细特征，从真正意义上实现了海底地形的面测量。与单波束回声测深仪相比，多波束测深系统具有测量范围大、速度快、精度和效率高、记录数字化和实时自动绘图等优点。7．4多波束测深系统多波束系统是由多个子系统组成的综合系统。对于不同的多波束系统，虽然单元组成不同，但大体上可将系统

6、分为多波束声学系统（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。其中，换能器为多波束的声学系统，负责波束的发射和接收；多波束数据采集系统完成波束的形成和将接收到的声波信号转换为数字信号，并反算其测量距离或记录其往返程时间；外围设备主要包括定位传感器（如GPS）、姿态传感器（如姿态仪）、声速剖面仪（CDT）和电罗经，主要实现测量船瞬时位置、姿态、航向的测定以及海水中声速传播特性的测定；数据处理系统以工作站为代表，综合声波测量、定位、船姿、声速剖面和潮位等信息，计算波束脚印的坐标和深度，并绘制海底平面或三维图，用于海底的勘

7、察和调查。多波束的系统组成GPS声速断面罗经姿态传感器换能器Transceiver操作和检测单元监控器导航监控器后处理实时数据处理工作站数据存储绘图仪打印机声纳影像记录数据存储图2.1SimradEM950/1000多波束声纳系统组成单元外围辅助传感器多波束声学系统MBES成果输出系统(外设系统)外部监测和显示系统数据存储和处理波束的发射、接收流程及其工作模式多波束换能器基元的物理结构是压电陶瓷，其作用在于实现声能和电能之间的相互转化。换能器也正是利用这点实现波束的发射和接收。多波束发射的不至一个波束，而是形成一个具有一定扇面开角的多个波束，发射

8、角由发射模式参数决定。多波束的波束发射原理图多波束的波束接收原理图7．4．3多波束测深数据处理换能器xi发射波束TrizixiRi