水深测量及水下地形测量

Σ
线性阵列波束形成原理图
波束的发射、接收流程及其工作模式
熔敷金属层
压电陶瓷
存 储 电 路
信 号 处 理 电 路
多 通 道 变 换 器
多 通 道 前 置 放 大 器
收 发 转 换 电 路
换 能 器 发 射 阵 列
发射波束
外部控制参数（罗经、声 速断面、发射模式）
姿态
电源
波束的发射、接收流程及其工作模式
波束脚印的归位问题
第一步，采用声线改正法获得波束脚印的船体坐标
设换能器在船体坐标系下的坐标为(x0 , 0 , z0)，则波束脚印的 船体坐标(x,y,z)为：
z = z0 + ∑ Ci cos θ i Δti
i =1 N
x = x0 + ∑ Ci sin θ i Δti
i =1
N
第二步，实现波束脚印船体坐标向地理坐标的转换
测深手段及海底地形测量
赵建虎 jhzhao@sgg.whu.edu.cn
内容
§ 7． 1 概 述 §7．2 回声测深原理 §7．3 四波束扫海测深仪 §7．4 多波束测深系统 §7．5 高分辨率测深侧扫声纳 §7．6 基于水下机器人的水下地形测量 §7．7 机载激光测深（LIDAR） §7．8 测线布设 §7．9 测深精度 §7．10 水位改正 §7．11 测量数据质量与管理 §7．12 海底地形成图
Hhf
Hhfຫໍສະໝຸດ Baidu
ΔH
Δh = H lf − H hf
§7．3 四波束扫海测深仪
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
四波束扫海测深仪工作时，1~4通道的换能器以一定间 隔，依次有序地发射和接收声波，在记录器上则相应记下 各波道的发射线及水底回波线。 四波束扫海测深仪设有回波信号自动增益控制(AGC)、时 间增益 (TVG)、换能器吃水校正和声速校正，可将测定的 有关数据送入微机进行数据处理，利于实现测量过程的自 动化。
高程确定
hg = htide − ( z + hss + hds + ha )
ln
cτ/2
lg
x
实测的海底点的三维坐标，利用这些散点的三 维坐标，可以绘制海底水深图和构造海床DEM。
§7．5 高分辨率测深侧扫声纳
20世纪90年代测深侧扫声纳的发展遇到了两个难题，
一是正下方附近的测深误差较大； 二是在复杂水域，如水声信道引起的复杂多途或者水底地形 复杂，则存在两个或者两个以上不同方向同时到达的回波， 系统区分不开。
扫描宽度 (倍水深) 8 4-7 8 4-7 随深度变化 随深度变化 2~4 4-7 3.5 3.5 5 4 10 4-7 5 6 12
L-3 Communications ELAC Nautik GmbH 公司
Seabeam1180 Seabeam1055 Seabeam1050 Seabeam2120 Seabeam2122 Seabat9001 Seabat8101
波束的形成
为保证波束在各个方向形成时的输出仍能满足同向 叠加要求，获得最大的输出响应，就须引入时延。
( N − 1)l sin θ τ= C
lsinθ
波束宽度
0
引入延时 0
i-1 (i-1)τ
l iτ
i N-2 (N-2)τ N-1 (N-1)τ
波束形成一般采用两种方法:(1)时间域波束形成 方法和(2)FFT波束形成方法
ΔH = ΔH b + ΔH n + ΔH c
其中声速改正数△Hc影响最大。
校对法求测深仪总改正数。 校对法是用检查板、水听器等，置于换能 器下方一定深度H处，与测深仪在当时当地 的实测深度HS作比较，其差值△H即为测深 仪总改正数。
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 。
到20世纪90年代后期，这两个问题得到了解决。 首先认为产生声回波的是一海底薄层，不只是一 个面，则声纳阵时空相关函数相位： η=kdsin(θ - θm)+ ζ
多波束系统的声学原理
换能器基阵的指向性
换能器基阵的指向性反映了波束能量的聚 集程度，可通过对阵列微分单元的输出响 应求积分，并归一化获得。
-L/2
θ θ
xsinθ
θ
0
x
dx L/2
dθ
连续直线阵列
连续曲线阵列
背叶瓣 换能器 侧叶瓣 主叶瓣 侧叶瓣
换能器基阵的束控
基阵束控的目的在于尽可能将发射和接收信号的能量聚集在主 叶瓣，减少侧叶瓣和背叶瓣扰动信号的影响。基阵束控通常采 用相位加权和幅度加权两种方法。
熔敷金属层
压电陶瓷
TVG 多 通 道 信 号 处 理 电 路 波 束 形 成 和 控 制 电 路
外 部 存 储 电 路
数 据 采 集 电 路
多 通 道 前 置 放 大 器
换 能 器 接 收 阵 列
返回波束
电源
a
发射、接收脉冲控制信号
底部检测
波束入射角较小时，回波振幅较大，反射波的尖脉冲 特征明显，随着入射角的增大，回波振幅越来越小，尖 脉冲特征也变得越来越模糊，相位变化却愈明显，检测 精度也得到了进一步的提高。 因此，中央波束采用振幅检测，边缘波束采用相位检 测。不但提高了波束检测的精度，同时也改善了ping断面 内测量精度不均匀所造成的影响 。
波束 宽度 1.5o×1.5o 1.5o×1.5o 1.5o×1.5o 1.5o×1.5o 1o×1o 1o×1o 1.5o×1.5o 1.5o×1.5o 1.5o×1.5o 3o×2o 0.5o×0.5o 1o×1o/4o×4o 1.5o×1.5 o 2o×2 o 1o×1o/2o×4o 1o×1o~2o×4o 1.2o×0.12 0
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△Ha。 ΔH b = H − H S 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。记录器记录的水深是由记录针移动的速度与 回波时间所决定的。当转速变化时，则记录的水深也将改 变，从而产生转速误差。 n0 ΔH n = H（ − 1) S nS 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。则△Hc为： C0 ΔH c =H（ − 1) S Cm 改正数△H为：
§7．1概 述
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。 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。 测量的内容包括：水下工程建筑、沉积层厚度、 沉船等人为障碍物、海洋生物分布区界和水文要 素等。 通常对海域进行全覆盖测量，确保详细测定测图 比例尺所能显示的各种地物地貌，是为海上活动 提供重要资料的海域基本测量。
目前，海底地形测量中的定位通常采用 GPS，在近岸观测条件比较复杂的水域， 也采用全站仪。
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。
在回声测深仪尚未问世之前，水下地形探测只能靠测 深铅锤来进行，这种原始测深方法精度很低，费工费 时。测深铅锤测深属于“点”状测量 20年代出现的回声测深仪，当测量船在水上航行时， 船上的测深仪可测得一条连续的水深线（即地形断 面），通过水深的变化，可以了解水下地形的情况。 利用回声测深仪进行水下地形测量，也称常规水下测 量，属于“线”状测量。 70年代出现了多波束测深系统和条带式测深系统，它 能一次给出与航线相垂直的平面内几十个甚至上百个 测深点的水深值，或者一条一定宽度的全覆盖的水深 条带。所以它能精确地、快速地测出沿航线一定宽度 内，水下目标的大小、形状和高低变化，属于“面”测量。
§7．4 多波束测深系统
20世纪70年代出现的多波束测深系统，是在回声测深仪的 基础上发展起来的。 多波束测深系统在与航迹垂直的平面内一次能够给出数十 个以至上百个测深点，获得一条一定宽度的全覆盖水深条 带，所以它能够精确快速的测出沿航线一定宽度范围内水 下目标的大小、形状和高低变化，从而比较可靠的描绘出 海底地形地貌的精细特征。 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，将传统的测深技术从原来的点、线扩展到面，并 进一步发展到立体测深和自动成图，使海底地形测量完成 得又快又好。 使水深测量经历了一场革命性的变革，深刻地改变了海洋 学科领域的调查研究方式及最终的成果质量。
测深 范围/m 1~300 1~600 10~1500 5~3000 50~8000 50~11000 1~140 1~300 3~700 1~400 1~120 20~1200 0.5~250 2~1000 5~5000 20~11000 1~600 0.5~300
扇面 角 /度 153 o 153 o 153 o 153 o 150 o 150 o 90 o 150 o 150 o 120 o 120 o 150 o 150 o 150 o 150 o 150 o 160 o
1 Ct + D 2
H=
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。
显示器 发射系统
电源部分
接收系统
发射换能器 声波
船
接收换能器
海底
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，即回声测深仪总改正数。 这种改正主要是由于回声测深仪在设计、生产制 造和使用过程中产生的误差造成的。 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。
生产厂家
型号 Seabeam1185
频率 (KHz) 180 180 50 50 20 12 455 240 100 200 455 12/24 300 95 30 12 100/ 200
波束 个数 126 126 126 126 149 149 60 101 101 40 240 可变 254 111 135 191 1440
⎡x ⎤ ⎡ x⎤ ⎡ x⎤ 平面坐标的确定 ⎢ ⎥ = ⎢ 0 ⎥ + R(h, r , p) ⎢ ⎥ ⎣ y ⎦VFS ⎣ y ⎦ LLS ⎣ y0 ⎦ G
换能器(x0,z0)
θ0
z
R R
z: 深度 R:距离 θ:波束角 c: 声速 τ:脉冲长度 ln: 中心波束脚印长度 ls: 边缘波束脚印长度
RESON 公司
Seabat8111 Seabat8124 Seabat8125 Seabat8150 EM3000D
Kongsberg Simrad 公司
EM1002 EM300 EM120
Atlas
Fansweep 20
多波束系统的组成
外部监 测和显 示系统
监控器
后处理 导航监控器 GPS 实时数据处理工作站 数据存储
外 围 传 辅助 感 器
操作和检 测单元
声速断面 Transceiver 罗经 数据存储 绘图仪
成果 系统 输出 (外 系统 设 )
姿态传感器 换能器
多 声 波束 统 学 MB 系 ES
声纳影像记录
打印机
图2.1SimradEM950/1000多波束声纳系统组成单元 2.1SimradEM950/1000多波束声纳系统组成单元
本章在介绍这些测深系统工作原理、组 成及其数据处理理论的基础上，还讨论了 水下地形的实施方法、相关的数据处理理 论和海底地形图的绘制和表达方法。
§7．2 回声测深原理
回声测深是利用声波在水中的传播 特性测量水体深度的技术。 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。设自发射脉冲声波的瞬 时起，至接收换能器收到水底回波 时间为t，换能器的吃水深度D，则 水深H为：
还有一种具有广阔发展前途的测量手段，即激光测深 系统。激光光束比一般水下光源能发射至更远的距 离，其发射的方向性也大大优于声纳装置所发射的声 束。激光光束的高分辨率能获得海底传真图像，从而 可以详细调查海底地貌与海底底质。该测量属“面”状测 量。 侧扫声纳系统过去因难以给出深度而只能用于水下地 貌调查，近年来，随着水下定位等相关技术的发展以 及高分辨率测深侧扫声纳的面世，侧扫声纳也可用于 水下地形测量；该测量属“面”状测量。 同时，AUV/ROV所承载的扫测设备也逐步成为高精度 水下地形测量的一个非常有效的手段。该测量属“面”状 测量