海底探测技术-第7章-多波束测深系统的工作原理及数据处理分析

海底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六章侧扫声呐工作原理及探测资料分析第七章多波束测深系统的工作原理及数据处理分析第九章综合探测的实施原则及水下声学定位系统第五章单波束测深设备的组成及工作程序第八章浅地层探测系统的工作原理及资料分析不够清晰不够精细数据密度不够多单波束测量限制比例尺工期和经费如何以小比例尺图测量的工作量，获得更多数据，满足大比例尺作图的需求？——多波束产生的原始动力！河道测量比例尺大测线间距小测量船偏航严重测深仪工作频率不同各测深仪吃水变化操作人员较多数据处理繁杂航向与船首方向不一致运动传感器测深仪工作频率不同各测深仪吃水变化操作人员较多数据处理繁杂航向与船首方向不一致电罗经测深仪工作频率不同各测深仪吃水变化操作人员较多数据处理繁杂航向与船首方向不一致波束角极小水体声速为平均声速水体声速曲线物理多波束电子多波束相干声呐（条带测深系统）单波束测深多波束测深实现在不增加工作量前提下，得到丰富数据的目的12多波束测深系统1、定义：探测航向123垂直航向的水底条带，多个点深度数据可同时探测水底多个位置不同点水深值的探测系统单波束测深仪5.05.25.45.55.7多波束测深系统5.75.65.35.25.14.94.84.74.65.05.75.65.35.25.14.94.84.75.05.75.65.35.25.14.94.84.75.05.75.65.35.25.14.94.84.75.05.75.65.25.14.94.84.7测深效率大大提高得到海底0.2m×0.2m的测量数据2、构成（1）多波束主体设备多波束探头发射接收工作站发射阵接受阵（2）、外围设备后处理工作站电罗经运动传感器光纤陀螺水体声速计3、分类及原理物理多波束换能器因发射的每个波束都是独立的物理存在的换能器或换能器阵而得名关键点：海底检测为振幅检测相干声呐角度XX动校正水深基面拖体入水深度如何得到角度声呐接受阵获得传播时间（t)和强度声呐接受阵声呐接受阵tA技术关键点：1、各接受阵如何判定相位差？2、探头正下方怎麽办？得到虚拟的三角形关键点：海底检测为相位检测电子多波束声波发射、接收后形成了独立波束，其波束形成是换能器阵上的多个点震源声波叠加、再通过接受阵接收聚焦的结果，而非每个波束对应着一个独立的换能器。脚印技术关键点：海底检测方式换能器振幅检测振幅+相位检测振幅+相位检测水深两倍范围内电子多波束覆盖宽度一般小于水深的8倍。多波束覆盖宽度是指在某一水深条件下走航测量，所测得的测深条带的宽度。以测幅宽度是水深的倍数来描述。测幅宽度三种多波束的对比物理多波束电子多波束相干声呐发射换能器组成多个换能器阵一个或二个换能器阵二个换能器阵发射探测波束数量少（一般小于5个）波束多，一般大于90个球面波无具体波束海底检测方法振幅检测振幅检测+相位检测或仅有振幅检测相位检测海底覆盖宽度小（一般小于水深的两倍）仅有振幅检测的小于水深的两倍；振幅检测+相位检测小于水深的8倍可达水深的10倍以上脚印大小有有仅有声呐水平波束角测点分布物理换能器决定正下方测点多边缘波束少测点可无限但正下方无准确测点测深精度精度高正下方精度高，边缘精度低边缘精度低，正下方无测点，30～50度角度区精度高适宜工作区河道测量全海深距水底小于50m地形相对简单的海区相干声呐250kHz振幅+相位检测200kHz脚印：1°×1.5°振幅检测500kHz脚印：0.5°×0.5°描述多波束的重要参数多波束类型多波束工作频率多波束最大覆盖宽度多波束脚印大小多波束波束数4、多波束测深系统工作原理：震源震源与接收系统压电换能器震源一次发射在海底形成的多波束条带（波束在海底覆盖的区域）脚印宽度角（越小越好）纵向脚印（沿航迹方向的）大小（单位为“°”）接收通过接收将海底回波分为多个小区接收换能器（接受阵）横向脚印（垂直航迹方向的）大小（单位为“°”）纵向脚印×横向脚印即为多波束脚印大小发射和接收后，所形成的多波束波束横向和纵向的角度。多波束震源和接收阵是相互垂直的震源阵接收阵多波束脚印大小多波束测量数据密度和精度通过接收将海底回波分为多个小区接收换能器（接受阵）通过接收阵检波器的组合可形成多个脚印相互交叠的波束理论上，每个波束可获得一个有效水深测量数据。多波束最大覆盖宽度多波束覆盖角度（设备制造规格）多波束覆盖角度可达210°，浅水型的大，深水型的小。测深精度不满足要求真正的覆盖角度小于设备标称的决定覆盖宽度的因素（1）、仪器的发射覆盖角的大小（2）、边缘波束的测深精度（接收计算技术）海底覆盖宽度多波束覆盖角声波在传播过程中能量损失覆盖宽度并不是随水深增大而单一的增大，而是存在极值——（3）、海底覆盖宽度22112211ArRAiVVRVV1反射波越强，边缘波束被探测到得可能行越大，覆盖宽度就越大（4）、海底表层沉积物声阻抗影响多波束的覆盖宽度（5）水文及背景噪音的影响东方红2号EM122深水多波束覆盖宽度200m水深1500m水深随水深减小海底覆盖宽度变窄多波束如何识别海底回波？振幅炮点位置时间T单波束测深单波束测深海底识别是依据海底反射波的强度，即反射波振幅大小——称之为振幅检测多波束测深通过的水体厚度最小，入射波能量大，海底反射波振幅相对较大通过的水体厚度增大，入射波能量逐渐变小，海底反射波振幅相对较弱，仅靠反射波振幅难以检测海底回波一次发射在海底形成的波束脚印（波束在海底覆盖的区域）多波束探头TAr根据海底回波振幅和波束与垂向夹角探知海底位置——振幅检测优点：精度高，探头下数据密集，缺点：覆盖宽度小（不大于水深的2倍）针对较远的波束振幅检测不到的因素，多波束又增加了边缘波束的相位海底检测法r相对于振幅检测，振幅+相位检测的精度要低如果单纯用相位检测（如相干声呐）正下方没有可靠数据。单一接收体根据到达波束回波的相位差，识别出海底回波在振幅检测的基础上增加了边缘波束的相位检测，使多波束的覆盖宽度一般达到了水深的7倍，再加上纯粹的相位检测，浅水电子多波束覆盖宽度可达到水深的12倍。蓝色区：为振幅检测区域；红色区：为相位检测区域。棕红色条带由中心向两侧变宽——海底水深误差增大。接收到了波束如何确定计算深度？H＝V×t水体声速水面H＝V×t实际探测点1、水体声速不仅影响水深计算还影响探测位置2、水体声速必须是剖面曲线而非平均声速3、水体声速测量设备：CTD或声速剖面仪。声线曲线电罗经在多波束测深系统在多波束系统中的作用GPS给多波束探头定位调查航迹垂直航迹的数据？风和海流单有GPS不能解决探测点位置问题，还需有指明多波束中轴线方向的设备——电罗经运动传感器在多波束测深系统中的作用海面海底海浪还需要有运动传感器探知实时多波束的姿态TSS运动姿态传感器光纤罗经实时校正多波束换能器的运动海面海底海浪水平面偏转幅度、偏转加速度等要素多波束系统的总成多波束测深是水声技术、计算机技术、导航定位技术和数字化传感器技术等多种技术的高度集成。声波发射与接收换能器阵各种传感器（卫星定位系统、运动传感器、电罗经、声速剖面仪等）数据处理单元多波束主体多波束外围设备5、多波束测深工作程序1）设备选型浅水多波束系统300m4000m中水多波束系统深水多波束系统工作频率差异＞180kHz30-70kHz12-30kHz500*500mm2500*2500mm8000*8000mm便于移动安装——便携固定安装于船底问题1：浅水多波束问什么不能用于深水调查？（1）、海底覆盖宽度不够（2）、海底探测点数量不够（未采用深水数字加密技术）水深大沿航向探测点稀疏脉冲间隔（炮点距）深水多波束采用了多脉冲或双条幅技术问题2：深水多波束能否用于浅水调查？频率低对松软海底有穿透，数据不准2）多波束安装与安装测量（1）多波束换能器安装位置：气泡层厚度噪音源多波束安装于船首至船长1/3区段•远离船舶噪声源•减少气泡影响GPS定位天线位置、电罗经、运动传感器、多波束探头不在同一位置，船的运动状态的校准数据如何用？多波束探头GPS天线运动传感器（2）多波束系统各组合单元相互关系测量：参考点（相对坐标系统建立）坐标系统设置原则以船舶横向、纵向及平均吃水线交点处设置坐标原点。船首尾线方向为X轴，向前为正，向后为负；船横向中心线方向为Y轴，向右为正；垂直方向为Z轴，向下为正，向上为负。（3）多波束工作安装校准工作横摇纵倾首偏另外，数据传输过程需要时间践——时间延迟需要测量校准船横剖面船纵剖面船俯视图换能器轴线调查船轴线电罗经轴线与船轴向夹角a与罗经夹角b船、罗经轴向夹角c首偏是哪一个？怎么做才能最好地达到多波束海底覆盖宽度首偏为多波束、电罗经轴向夹角ba、b、c三个角都等于零时（轴向平行），多波束海底覆盖宽度最大横摇横摇校准方法：1、平坦海区2、相同船速正反两条重合测线实际海底时间延迟校准方法：1、倾斜海区2、分别以慢速和高速重复垂直等深线的一条测线探测实际海底根据慢速和快速船速测得的海底地形获得系统的时间延迟最新的多波束系统增加了数据传输标定系统，故无需时间延迟校准纵倾校准方法：1、有凸起的海区2、相同船速正反两条重合测线实际海底纵倾首向校准方法：1、特殊目标物海区2、相同船速目标物两侧同向两条平行测线实际目标物首偏多波束探头吃水校准横摇纵倾时延校正后校正前Rollcalibration(donewithadoublesetoflines):+0.1°Pitchcalibration(donewithadoublesetoflines):+0.065°HeadingCalibration(donewithadoublesetoflines):+0.12°（4）多波束测深实施原则及注意事项？1、多波束测线方向平行水深等值线；2、测线间距必须保证测线间有至少10％的重复覆盖3、每天至少一次水体声速校准（并实时监察声速曲线的有效性）声速有效的海底回波声速过小，声速曲线失效声速过大，声速曲线失效4、船舶吃水变化校正；5、做好班报记录及数据备份工作（5）多波束测深数据处理回放原始数据文件导航数据改正吃水改正潮位改正数据清理网格化绘图水深地形图离散数据滤波处理多波束测深数据应用多波束地形成图与声呐图像区别？6、多波束测深精度评估水体声速测站区块多波束覆盖图主测线与检查线交点精度检查314000031600003180000320000040444852经统计，水深测量最大相对误差0.44米（水深46m），满足规程中“测深误差值为水深值的±1%”的要求。020000400006000080000100000-48-47-46-45-44-43-42-41-40-39-38-37-36波浪作用？surfer、grafer软件绘制图形，对本区地形地貌进行研究