海底探测技术 第5章 单波束测深系统

海况情况
平面控制网 情况
高程控制网 情况
码头及船舶
验潮点位置
测线布设原则
验潮站布设原则 水体声速测站布设
原则 水体声速量重复时
垂直岸线，常理上，距 海岸越远水深越大；
方法：垂直水深等深线
板块构造形成的地质体 基本平行海岸分布
方法：垂直构造线走向
案例2
进行水深测量
如何布设测线？ 按照计划测线测量，其测量结果能够最准确地揭示海底水 深地形情况——测线方向是测线布设中最关键因素！
测线布设方法：垂 直控制地形地貌地 质体走向布设测线。
0 吃水深度 直达波强振幅
炮点位置（经度、纬度）
h1 沿航向的炮点
( T × V )/2=h
海底反射波
深时度间（m）
图谱内容
直达波 吃水深度
海底
海面（0米线）
炮 点
测量船航行方向
振幅
V
深度m
深度mt
位置：经纬度或平面坐标
直达波 吃水深度
炮点
海面（0米线）
炮 点
测量船航行方向
振幅
海底
得到实测时的水深值
海底探测技术
海底声学探测技术
第一章 绪论 第二章 定位导航技术 第三章 声波探测的基本原理 第四章 声学海底探测设备的组成及分类 第五章 单波束测深设备的组成及工作程序
第一节 水深的含义
一、专业的深度概念 1、水深应用意义
水深 -4 是地球表面特征的重要 -6 因素之一，是国民经济发展和
-8 管理规划最基础的数据，是海 -10 洋研究工作最重要的基础之一。
1、最大潮高差不大于1m； 2、最大潮时差不大于2h； 3、潮汐性质基本相同。
对于潮时差和潮高差变化较大的海区，
除布设长期站或短期站外，也可在湾顶、
河口外、水道口和无潮点处增设临时验 潮站。
4、调查区位置与范围
地形地貌特征
环境 特征
水文潮汐特征 气象特征
基础资料情况 人文地理情况
控制因素
潮汐特点 水团情况 水文日变化
海底的相对高差是 这样的吗？
第二节 单波束测深设备及水深获得
1、定义
同时只能获得1个水底水深数据的声学 测量设备。
振幅
2、测深数据获得
T
炮点位置
记录仪
时间
吃水深度 ——换能器入水深度（h1）
测量时水深（H）=h+h1
h=（T ×V）/2
0 吃水深度 直达波强振幅
深时度间（m）
炮点位置（经度、纬度）
安全及支持
选择可靠验潮点
验潮站布设原则
方法：
潮位观测站
40.5
东风港
湾湾沟口
黄河海港
40
孤东
羊角沟 莱州港 39.5
N 39
1、分析测区是否需要现场验潮；38.5 2、了解海域潮汐性质，不同潮 38
汐性质区分设验潮站；
37.5
3、了解在同一潮汐性质的海域， 其最大潮差、潮时的差异性，
在超出原则要求的区域分别设
定验潮站。
118
118.5
距岸20km以外采用预报潮位。
1.2
1.1
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
1
0.4
2
0.3
4
0.2
0.1
3
1近19 岸水119深.5 测量120 （距120岸.5 20k12m1 以内121.）5 ，1验22 潮 站布设的密E度应能控制全测区的潮汐变 化。
相邻验潮站之间的距离应满足
4、调查区位置与范围
地形地貌特征
环境 特征
水文潮汐特征 气象特征
基础资料情况 人文地理情况
控制因素
潮汐特点 水团情况 水文日变化
海况情况
平面控制网 情况
高程控制网 情况
码头及船舶
验潮点位置
测线布设原则
验潮站布设原则 水体声速测站布设
原则 水体声速量重复时
间 最佳作业时间
转换参数的求取 验潮高程点引测
下的平均海平面
问题
海的容量不变
海水的总量不变
前提
会怎样？
2、理论深度基准面 航海的需要，多用于海图的 基准面。
当地理论最低潮面
三、深度基准面的应用
1、平均海平面
国家高程基准
国家高程基准，主要应用于陆地高程， 作为高程起算点。
例如：海拔？？m
其次应用于近岸水深地形测量（往往20km以内），作为深度基准面。
平坦海底
△H=1m
校准曲线制作
校
准
值
实测水深=记录图谱读数+声速校准深度
（
）
m
水深（m）
校准方法
校准曲线制作
平坦海底
△H=1m
坡度校准
物探上：波的偏移效应
Sin∠2=tan∠1
记录图海底坡度小于 真实的海底坡度
1 2
需要校准
6、水深数据的获得
校准后的实测 水深数据
+ 潮位改正
测实
吃
波
水
浪
校
速 ΔcS,p,T＝ 1.354×10-5T2p-7.19×10-7Tp2-1.2×10-2(S-35)
Tc为声速（米/秒）；T 为温度（°C）；S为盐度；p 为静压力（公斤/厘米2）。
此公式的应用范围：-3°C<T<30°C，33.1<S<36.6，1.033公 斤/厘米2<p <984.3公斤/厘米2。此范围占全世界海洋水域的99.5％。 按此公式计算的结果，声速均方误差为0.1米/秒。
1、平均海平面
一段时间里平均的海面位置，为水深0m的基面——深度基准面
海的容量不变
海水的总量不变
前提
海面是变化的吗？
海洋的潮汐
潮汐引起的海面周期性变 化，这种周期性变化值， 在大量级上是稳定的，但 在数值上还是受天体运动 的影响。
风的作用
风
海面
海的容量不变
海水的总量不变
前提
海面受潮汐、风的作用，年、 月、日均是变化的，且每年、 每月、每日的平均值都有差异。
明文规定或约定俗成的标准
3、水深测量工作执行的规范
业主技术要求 业主指定规范 国家相关规范
规范或标准的获取依 据
1、服务对象(甲方)明确提 出；
行业标准 本单位作业规程
质保体系文件
2、由甲方要求的最终成果中 分析而出；
3、根据调查区地貌情况寻求 国家相关规范及行业标准。
4、调查区位置与范围 仅仅地是形经地纬貌度特征及调查面积控制吗因？素
对国家而言，这段时间越长越好！
国家颁布的高程基准
新中国成立后的1956年，我国根据基本验潮站应具备的条件， 认为青岛验潮站位置适中，地处我国海岸线的中部，而且青岛 验潮站所在港口是有代表性的规律性半日潮港，又避开了江河 入海口，外海海面开阔，无密集岛屿和浅滩，海底平坦，水深 在l0m以上等有利条件，因此，在1957年确定青岛验潮站为我 国基本验潮站，验潮井建在地质结构稳定的花岗石基岩上，以 该站1950年至1956年7年间的潮汐资料推求的平均海水面作为 我国的高程基准面。以此高程基准面作为我国统一起算面的高
( T × V )/2=h
h1 沿航向的炮点
炮点平面位置 测量时水深
海底反射波
振幅
2、测深数据获得
T
炮点位置
记录仪
时间
吃水深度 ——换能器入水深度（h1）
测量时水深（H）=h+h1
h=（T ×V）/2
3、设备的基本构成
震源和接收（测 深仪换能器）
记录仪
4、测深记录的内容及水深实测关键因素控制
实测水深获得
动吃水才是真正对测深产生影响的吃水。其值 随船相对水体运动速度的不同而变化。
测深设备 安装
使静吃水与动吃水数值基本吻合
1、观察不同船速下测量船不同位置吃水变化； 2、在变化最小处安装测声仪换能器。
直达波 吃水深度
炮点
5、实测水深数据的校准
海面（0米线）
炮 点
测量船航行方向
振幅
海底
得到实测时的水深值
优点是：陆地——近岸，测绘基面统一，测绘图中。地形相对高差与真实地 形一致。
缺点是：实际水深受潮汐、风浪等因素的影响，图示水深仅能作为航船参考 使用。
(平均)高水位 (平均)高水位大浪高度
(平均)低水位 平均高潮面高度
其他海平面平均基面
一层
靠船桩
防海大坝的设计
2、理论深度基准面
优点：可航海使用 缺点：不能真实地反映地形高差； 无法与陆地地形衔接
特点：在由于不地壳同质地量分区布的，不均平匀，均引海起重平力方面向的存变化，导致处处
和重力方向成正交的大地水准面成为一个不规则的、高低起伏的曲面。
该曲面无法在用数重学力公式值表达不。 相等的情况，需 确认统一的标准——国家标准。
二、常用水深测量基准面的种类
平均海平面
一段时间里平均的海面位置，为水深0m的基面——深度基准面
获取某某海区水深基础资料，分析该区海 底地形（地貌）特征。——一般课题的工作目的
水深测量
特定课题的工作目的
资料收集
测绘完成某某海区水深地形图 测绘完成某某海区多大比例尺海图
2、明确技术要求
坐标系统
投影方式及相 关参数
成图比例尺 水深基准面 测量主体设备
技术要求的获取依据
1、服务对象(甲方)明确提 出； 2、由甲方要求的最终成 果中分析提炼而出； 3、国家相关规范及行业 标准。
V
读取海底发射 处的水深
深度m
深度mt
关键因素控制
水 体 1971年，H.W.弗赖伊和J.D.皮尤发表了更精确而简单的声速经验公式：
声c＝1449.30+ΔcT+ΔcS+Δcp+ΔcS,p,T
式中 ΔcT＝4.587T-5.356×10-2T2+2.604×10-4T3 ΔcS＝1.19(S-35)+9.6×10-2(S-35)3 Δcp＝1.5848×10-1p+1.572×10-5p2-3.46×10-12p4
修
准
正
声
坡
速
度
校
校
准
准
潮 位 观 测
深测 基时 准潮 面位
）（
得到可标注于测深
修相 正对
图上的水深值
值于
第三节 水深测量工作程序
任务获取
课
准备阶段
题
运
水深测量工作 外业阶段
作
其他工作
室内阶段
评审验收 就工作组而言 就单位而言
一、水深测量工作程序——准备阶段
1、明确工作目的
水深测量
实现目的的手 段之一
-12 0
400
800
1200
1600
2、日常生活中的水深概念
特点：时间的瞬时性；
沟通对象的有限性。
3、专业的水深概念
全世界 应用人士都明白——标准性
对水面进行了标准性限定 ——深度基准面
深度基准面：
由相关部门颁布，有理论依据和实用价值的，
水深的起算面。
可能的水面
水深
深度基准面 水底
二、常用水深测量基准面的种类
程系统名谓——1956年黄海高程系统
国家颁布的高程基准
新的国家高程基准面是根据青岛验潮站 1952～1979年19年间的验潮资料计算确 定，根据这个高程基准面作为全国高程的
统一起算面，称为“1985国家高 程基准”。
从一个点获得了多年的平均海平面 作中为国了国国土家面积高大程，各地区也有差异
以如青何岛将其该引点导0到米全所国在呢的？ 重力等位 青 该面岛点有的作了重为基国力大准家值地面高所程在水（，的准零全面面米国为为面其大他地各）地水地。方准高就面程以统
水体声速获得
设备
实测法 计算法法
声速剖面仪 直接测量 CTD
比对法
经验公式计算
应用于浅水
测试锤或测深杆
改变测深仪输入声 速直至测深数据与 测区平均水深值吻 合
实测法 计算法
测
深
仪
平
均
声
速
比对法
测深仪吃水
测深仪换能器入水深度
（1）仅仅是静吃水!
船舶航向
测深设备换能器位置
(2)动吃水 动吃水才是真正对测深产生影响的吃水。其值 随船相对水体运动速度的不同而变化。
V
读取海底发射 处的水深
深度m
深度mt
波浪校准
h
涌浪滤波
水声速影响校正
实测法
水体声速获得
比对法
设备 声速剖面仪
直接测量 CTD 经验公式计算
应用于浅水
测试锤或测深杆
改变测深仪输入声 速直至测深数据与 测区平均水深值吻 合
实测法
测
深
仪
平
均
声
速
比对法
能测准吗？
需要校准！
校准方法
校准曲线制作
环境 特征
水文潮汐特征 气象特征
基础资料情况 人文地理情况
潮汐特点 水团情况
水文日变化
海况情况
平面控制网 情况
高程控制网 情况
码头及船舶
验潮点位置
测线布设原则
验潮站布设原则 水体声速测站布设
原则 水体声速量重复时
间 最佳作业时间
转换参数的求取 验潮高程点引测
安全及支持
选择可靠验潮点
测线布设
往往被称为计划测线
二、常用水深测量基准面的种类
平均海平面
必要性
平均海平面有何具 一段时间里平均的海面位置，为水深0m的基面——深度基准面 可体以地是一球个物季节理，意也可义以？是很多
年，也可以不连续的时间段的， 例如:海岸线的定义。
大地水准面(Geoid)是与平均海水面相合的特殊重
力等位面。此面可被想象成延伸至陆地且在任何地方皆 与重力线方向垂直。
一为高程基准面
各地方往往平均海平面与国家高 程基准面有较大差异，不利于实
际应用——地方高程基准
与国家高程基准有明确的换算关系
平均海平面
必要性
一段时间里平均的海面位置，为水深0m的基面——深度基准面
对国家而言，这段时间越长越好！
要注重实用性！！！
实例分析 和平均海平面？
具体到工程需求：需 要考虑多个不同条件
测线：实现测深目的，测深设备所需要的航行探测路径。
进行计划测线的设计工作被称为 测线布设
测线布设原则
按照计划测线测量，其测量结果能够最准确地揭示海底水 深地形情况——测线方向是测线布设中最关键因素！
如何做到？ 案例1
测线布设的依据
建立在了解控制区域 地形地貌的地质因素 的基础上
测线布设方法：垂直控制地 形地貌地质体走向布设测线。