第7章-水深测量及水下地形测量.

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）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△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接收波束中央波束波束脚印多波束波束的几何构成首先，将波束脚印的船体坐标转化到地理坐标系（或当地坐标系）和某一深度基准面下的平面坐标和水深。即波束脚印的归位。船体坐标系原点位于换能器中心，x轴指向航向，z轴垂直向下，y轴指向侧向，与x、z轴构成右手正交坐标系。波束在海底投射点位置的计算需要船位、潮位、船姿、声速剖面、波束到达角和往返程时间等参数。计算过程包括如下四个步骤：姿态改正。船体坐标系下波束投射点位置的计算。波束投射点地理坐标的计算。波束投射点高程的计算。为便于波束投射点船体坐标的计算，现作如下假设：换能器处于一个平均深度，静、动吃水仅对深度有影响，而对平面坐标没有影响。波束的往、返程声线重合。对于高频发射系统，换能器航向变化影响可以忽略。波束脚印船体坐标的计算需要用到三个参量，即垂直参考面下的波束到达角、传播时间和声速剖面。为了得到波束脚印的真实位置，就必须沿着波束的实际传播路线跟踪波束，该过程即为声线跟踪。通过声线跟踪得到波束投射点在船体坐标下坐标的计算过程称为声线弯曲改正。Snell法则：式中，Ci和i分别为层i内声速和入射角。设多波束换能器在船体坐标系下的坐标为(x0,y0,z0)，波束脚印的船体坐标(x，y，z)为：式中，i为波束在层i表层处的入射角，Ci和ti为波束在层i内的声速和传播时间。上式的一级近似式为：式中Tp为波束往返程时间，0为波束初始入射角，C0为表层声速。转化为地理坐标的转化关系为：式中，下脚LLS、G、VFS分别代表波束脚印的地理坐标(或地方坐标)、GPS确定的船体坐标系原点坐标（也为地理坐标系下坐标，是船体坐标系和地理坐标系间的平移参量）和波束脚印在船体坐标系下的坐标；R(h,r,p)为船体坐标系与地理坐标系的旋转关系，航向h、横摇r和纵摇p是三个欧拉角。高分辨率测深侧扫声纳简称为HRBSSS声纳(HighResolutionBathymetricSidescanSonar)。HRBSSS声纳分辨率高、体积小、重量轻、功耗低以及声纳阵沿载体的长轴安装，特别适用于AUV、HUV、ROV、拖体和船上，在离海底比较近的高度上航行，获得高分辨率的地形地貌图。声纳阵包括左舷和右舷两个声纳阵，自主开发的声纳软件包括水上数字信号处理软件、水上服务器软件、声纳驱动软件和水下主控软件，以及用于调试测试的终端调试测试软件、终端调试测试软件和声纳仿真软件。7．5高分辨率测深侧扫声纳软件功能介绍：水上数字信号处理软件的主要功能是完成对声纳A/D采样数据的处理。声纳驱动软件的主要功能是提供与水上服务器软件、水上终端调试和测试软件的接口，提供与水下主控程序的接口，发送控制命令并接收水下控制计算机上传的数据，提供与水上数字信号处理程序的接口，控制数字信号处理软件的工作。水上服务器软件的主要功能是提供声纳驱动软件与图形用户接口软件的接口，将用户请求操作转换为声纳工作命令与工作参数，并向声纳驱动软件发送，接收数字信号处理的结果数据并向图形用户接口软件发送。用户图形接口软件的主要功能是对数字信号处理结果数据进行实时修正并成图；提供与水上服务器的接口，发送声纳操作指令，接收水上数字信号处理软件处理的结果数据，提供与输入输出设备、传感器设备、存储设备连接的接口。后处理软件的主要功能是对一次调查的数据进行精细的后处理，进行拼图,得到最终的等深线图和地貌图。水下主控软件的主要功能是控制水下电子分机的工作。水上终端调试与测试软件的主要功能是完成对声纳的调试与测试。声纳仿真软件的主要功能是在不连接声纳硬件设备的条件下，完成声纳对外接口的仿真。高分辨率测深侧扫声纳因具有较高的分辨率和测深精度，可以用于水下目标的探测。利用HRBSSS测量数据计算波束在海底投射点地理坐标的过程与多波束的数据处理过程近似。通过该处理，可以获得密集的海底点的三维坐标。利用这些点的坐标，可以绘制海底等深线图或构造海底DEM。HRBSSS实测得到的三维等深线图目前有利用水下载人潜水器、水下自治机器人(AUV：AutonomousUnderwaterVehicle)或遥控水下机器人(ROV：RemotelyOperatedVehicle)，集成多波束系统、侧扫声纳系统等船载测深设备，结合水下DGPS技术、水下声学定位技术实现水下地形测量的思想和方法。水下机器人因可以接近目标，利用其荷载的测量设备，可以获得高质量的水下图形和图像数据。目前使用的潜水器以自动式探测器最先进，探测器内装有水声定位系统。7．6基于水下机器人的水下地形测量早期的载人潜器和法国的Nautile载人潜器一般讲，采用水下潜水器进行水下地形测量工作同用水面船只测量的手段和方法大致一样。只是在水下测量时，需要测定潜水器本身的下沉深度。因此，一般需要使用液体静力深度计和向上方向的回声测深仪。一些技术比较先进的国家在潜水器上安装了水下立体摄影机。这种随潜水器运动的水下立体摄影测量，在某种程度上同航空摄影地形测量工作原理一样。由机器人深潜水下，在接近水底时用水下摄影的方式获得水下目标的图像。由于受水的透明度和照明情况，仪器离海底的高度等因素的局限，水下立体摄影测量方法效率低和困难较大。水下摄影测量进行海底地形测量，最有前途的方法还是利用具有高分辨率的声学系统。声学系统由超声波发射器、水声接收机和电视显示器所组成。将多波束、高精度测深侧扫声纳等声呐扫测设备安装在潜航器上，也可以实现对海底的高精度测量，如我国大洋一号上的6000米水下自治机器人AUV系统安装了测深侧扫声纳、浅地层剖面仪等设备，用于大洋的海底地形地貌调查。水下电视摄像系统、水下数字摄像系统是目前获取在水下环境清晰图像的主要方法，扫海测量中，配置水下数字摄像系统有助于障碍物性质的判断，提高扫测能力。机载激光雷达(LIDAR)是一个集现代三种尖端技术于一身的空间测量系统，它又分为用于获得地面数字高程模型(DEM)的地形LIDAR系统和已经成熟应用的用于获得水下DEM的海道测量LIDAR系统，这两种系统的共同特点都是利用激光进行探测和测量，即LightDetectionAndRanging-LIDAR。LIDAR是一种集激光，全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术于一身的系统，用于获得数据并生成精确的DEM。机载激光雷达是一种低成本高效率获取空间数据的方法。它的优势在于对大范围、沿岸岛礁海区、不可进入地区、植被下层、地面与非地面数据的快速获取。缺陷在于对水质要求较高。7．7机载激光测深（LIDAR）激光测深的原理与双频回声测深原理相似，从飞机上向海面发射两种波段的激光，一种为红光，波长为1064nm，另一种为绿光，波长为523nm。红光被海水反射，绿光则透射到海水里，到达海底后被反射回来。这样，两束光被接收的时间差等于激光从海面到海底传播时间的两倍，由此可算得海面到海底的深度。激光测深的公式为：式中：G为光速；n为海水折射率；为所接收红外光与绿光的时间差。LIADR测量原理不同的机载激光测深系统所发射的红外激光和绿光的波长稍不相同。机载激光测深系统的最大探测深度，理论上可以表达为：式中：P‘是一个系统参量，定义为P’＝PL·ρ·A·E／πH2。PB为背景噪声功率(W)；为海水有效衰减系数。机载激光测深系统目前测