海洋測(cè)繪-第7章-水深測(cè)量及水下地形測(cè)量-課件

現(xiàn)代海洋測(cè)繪趙建虎現(xiàn)代海洋測(cè)繪趙建虎1第七章

水深測(cè)量及海底地形測(cè)量

Sounding&UnderwaterTopographicSurvey趙建虎第七章

水深測(cè)量及海底地形測(cè)量

Sounding&2本

章

內(nèi)

容

概述回聲測(cè)深原理多波束測(cè)深系統(tǒng)高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納基于水下機(jī)器人的水下地形測(cè)量機(jī)載激光測(cè)深（LIDAR）測(cè)線布設(shè)測(cè)深精度水位改正測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量與管理海底地形成圖思考題本

章

內(nèi)

容

概述海底地形測(cè)量是測(cè)量海底起伏形態(tài)和地物的工作。是陸地地形測(cè)量在海域的延伸。按照測(cè)量區(qū)域可分為海岸帶、大陸架和大洋三種海底地形。特點(diǎn)是測(cè)量?jī)?nèi)容多，精度要求高，顯示內(nèi)容詳細(xì)。水深測(cè)量經(jīng)歷了如下幾個(gè)發(fā)展階段：測(cè)繩重錘測(cè)量（點(diǎn)測(cè)量）單頻單波束測(cè)深（點(diǎn)測(cè)量）雙頻單波束測(cè)深（點(diǎn)測(cè)量）多波束測(cè)深（面測(cè)量）機(jī)載激光測(cè)深（面測(cè)量）水下地形測(cè)量的發(fā)展與其測(cè)深手段的不斷完善是緊密相關(guān)的。7．1概述海底地形測(cè)量是測(cè)量海底起伏形態(tài)和地物的工作。是4單頻單波束測(cè)深（點(diǎn)測(cè)量）安裝在測(cè)量船下的發(fā)射機(jī)換能器，垂直向水下發(fā)射一定頻率的聲波脈沖，以聲速C在水中傳播到水底，經(jīng)反射或散射返回，被接收機(jī)換能器所接收。設(shè)經(jīng)歷時(shí)間為t，換能器的吃水深度D，則換能器表面至水底的距離(水深)H為：7．2回聲測(cè)深原理單頻單波束測(cè)深（點(diǎn)測(cè)量）7．2回聲測(cè)深原理5回聲測(cè)深儀由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、發(fā)射換能器、接收換能器、顯示設(shè)備和電源部分組成。

回聲測(cè)深儀組成示意圖千米和萬(wàn)米測(cè)深儀回聲測(cè)深儀由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、發(fā)射換能器、接收換能6為了求得實(shí)際正確的水深而對(duì)回聲測(cè)深儀實(shí)測(cè)的深度數(shù)據(jù)施加的改正數(shù)稱為回聲測(cè)深儀總改正數(shù)。回聲測(cè)深儀總改正數(shù)的求取方法主要有水文資料法和校對(duì)法。前者適用于水深大于20米的水深測(cè)量，后者適用于小于20米的水深測(cè)量。

水文資料法改正包括吃水改正△Hb、轉(zhuǎn)速改正△Hn及聲速改正△Hc。吃水改正：由水面至換能器底面的垂直距離稱為換能器吃水改正數(shù)△Hb。若H為水面至水底的深度；HS換能器底面至水底的深度，則△Hb為：

為了求得實(shí)際正確的水深而對(duì)回聲測(cè)深儀實(shí)測(cè)的深度數(shù)7轉(zhuǎn)速改正△Hb是由于測(cè)深儀的實(shí)際轉(zhuǎn)速ns不等于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速n0所造成的。轉(zhuǎn)速改正數(shù)△Hn為：

聲速改正△Hc是因?yàn)檩斎氲綔y(cè)深儀中的聲速Cm不等于實(shí)際聲速C0造成的測(cè)深誤差。

綜上，測(cè)深儀總改正數(shù)△H為：

其中，聲速改正數(shù)△Hc對(duì)總改正數(shù)△H影響最大。

轉(zhuǎn)速改正△Hb是由于測(cè)深儀的實(shí)際轉(zhuǎn)速ns不等于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速n0所8校對(duì)法利用水陀、檢查板、水聽(tīng)器等，實(shí)測(cè)從水面起算的準(zhǔn)確深度，與測(cè)深儀的當(dāng)前深度進(jìn)行比較，進(jìn)而求得回聲測(cè)深儀在該深度上的總改正數(shù)△H。回聲測(cè)深儀按照頻率分為單頻測(cè)深儀和雙頻測(cè)深儀。

雙頻單波束測(cè)深（點(diǎn)測(cè)量）換能器垂直向水下發(fā)射高、低頻聲脈沖，由于低頻聲脈沖具有較強(qiáng)的穿透能力，因而可以打到硬質(zhì)層；高頻聲脈沖僅能打到沉積物表層，兩個(gè)脈沖所得深度之差便是淤泥厚度Δh。校對(duì)法利用水陀、檢查板、水聽(tīng)器等，實(shí)測(cè)從水面起算的準(zhǔn)確深度，9四波束掃海測(cè)深儀主要由四個(gè)收、發(fā)臺(tái)的換能器，同步控制器和圖示記錄器織成。四個(gè)換能器在船上的安裝方式有舷掛式和懸臂式兩種。目前，我國(guó)各單位使用的四波束掃海測(cè)深儀，主要有日本產(chǎn)的MS—10型、PS—20R型及PS—600型。7．3四波束掃海測(cè)深儀四波束掃海測(cè)深儀主要由四個(gè)收、發(fā)臺(tái)的換能器，同步10

多波束測(cè)深系統(tǒng)是從單波束測(cè)深系統(tǒng)發(fā)展起來(lái)，能一次給出與航線相垂直的平面內(nèi)的幾十個(gè)甚至上百個(gè)深度。它能夠精確地、快速地測(cè)定沿航線一定寬度內(nèi)水下目標(biāo)的大小、形狀、最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，從而較可靠地描繪出水下地形的精細(xì)特征，從真正意義上實(shí)現(xiàn)了海底地形的面測(cè)量。與單波束回聲測(cè)深儀相比，多波束測(cè)深系統(tǒng)具有測(cè)量范圍大、速度快、精度和效率高、記錄數(shù)字化和實(shí)時(shí)自動(dòng)繪圖等優(yōu)點(diǎn)。7．4多波束測(cè)深系統(tǒng)多波束測(cè)深系統(tǒng)是從單波束測(cè)深系統(tǒng)發(fā)展起來(lái)，能11多波束系統(tǒng)是由多個(gè)子系統(tǒng)組成的綜合系統(tǒng)。對(duì)于不同的多波束系統(tǒng)，雖然單元組成不同，但大體上可將系統(tǒng)分為多波束聲學(xué)系統(tǒng)（MBES）、多波束數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（MCS）、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和外圍輔助傳感器。其中，換能器為多波束的聲學(xué)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)波束的發(fā)射和接收；多波束數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成波束的形成和將接收到的聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并反算其測(cè)量距離或記錄其往返程時(shí)間；外圍設(shè)備主要包括定位傳感器（如GPS）、姿態(tài)傳感器（如姿態(tài)儀）、聲速剖面儀（CDT）和電羅經(jīng)，主要實(shí)現(xiàn)測(cè)量船瞬時(shí)位置、姿態(tài)、航向的測(cè)定以及海水中聲速傳播特性的測(cè)定；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以工作站為代表，綜合聲波測(cè)量、定位、船姿、聲速剖面和潮位等信息，計(jì)算波束腳印的坐標(biāo)和深度，并繪制海底平面或三維圖，用于海底的勘察和調(diào)查。多波束的系統(tǒng)組成多波束系統(tǒng)是由多個(gè)子系統(tǒng)組成的綜合系統(tǒng)。對(duì)于不同12GPS聲速斷面羅經(jīng)姿態(tài)傳感器換能器Transceiver操作和檢測(cè)單元監(jiān)控器導(dǎo)航監(jiān)控器后處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理工作站數(shù)據(jù)存儲(chǔ)繪圖儀打印機(jī)聲納影像記錄數(shù)據(jù)存儲(chǔ)圖2.1SimradEM950/1000多波束聲納系統(tǒng)組成單元外圍輔助傳感器多波束聲學(xué)系統(tǒng)MBES成果輸出系統(tǒng)(外設(shè)系統(tǒng))外部監(jiān)測(cè)和顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理GPS聲速斷面羅經(jīng)姿態(tài)傳感器換能器Transceiver操作13海洋測(cè)繪-第7章-水深測(cè)量及水下地形測(cè)量-課件14波束的發(fā)射、接收流程及其工作模式多波束換能器基元的物理結(jié)構(gòu)是壓電陶瓷，其作用在于實(shí)現(xiàn)聲能和電能之間的相互轉(zhuǎn)化。換能器也正是利用這點(diǎn)實(shí)現(xiàn)波束的發(fā)射和接收。多波束發(fā)射的不至一個(gè)波束，而是形成一個(gè)具有一定扇面開(kāi)角的多個(gè)波束，發(fā)射角由發(fā)射模式參數(shù)決定。多波束的波束發(fā)射原理圖波束的發(fā)射、接收流程及其工作模式多波束換能器基元15多波束的波束接收原理圖多波束的波束接收原理圖167．4．3多波束測(cè)深數(shù)據(jù)處理?yè)Q能器xi發(fā)射波束TrizixiRi接收波束中央波束波束腳印多波束波束的幾何構(gòu)成首先，將波束腳印的船體坐標(biāo)轉(zhuǎn)化到地理坐標(biāo)系（或當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系）和某一深度基準(zhǔn)面下的平面坐標(biāo)和水深。即波束腳印的歸位。船體坐標(biāo)系原點(diǎn)位于換能器中心，x軸指向航向，z軸垂直向下，y軸指向側(cè)向，與x、z軸構(gòu)成右手正交坐標(biāo)系。

7．4．3多波束測(cè)深數(shù)據(jù)處理?yè)Q能器xi發(fā)射波束Trizi17波束在海底投射點(diǎn)位置的計(jì)算需要船位、潮位、船姿、聲速剖面、波束到達(dá)角和往返程時(shí)間等參數(shù)。計(jì)算過(guò)程包括如下四個(gè)步驟：姿態(tài)改正。船體坐標(biāo)系下波束投射點(diǎn)位置的計(jì)算。波束投射點(diǎn)地理坐標(biāo)的計(jì)算。波束投射點(diǎn)高程的計(jì)算。為便于波束投射點(diǎn)船體坐標(biāo)的計(jì)算，現(xiàn)作如下假設(shè)：換能器處于一個(gè)平均深度，靜、動(dòng)吃水僅對(duì)深度有影響，而對(duì)平面坐標(biāo)沒(méi)有影響。波束的往、返程聲線重合。對(duì)于高頻發(fā)射系統(tǒng)，換能器航向變化影響可以忽略。

波束在海底投射點(diǎn)位置的計(jì)算需要船位、潮位、船姿、聲速剖18波束腳印船體坐標(biāo)的計(jì)算需要用到三個(gè)參量，即垂直參考面下的波束到達(dá)角、傳播時(shí)間和聲速剖面。為了得到波束腳印的真實(shí)位置，就必須沿著波束的實(shí)際傳播路線跟蹤波束，該過(guò)程即為聲線跟蹤。通過(guò)聲線跟蹤得到波束投射點(diǎn)在船體坐標(biāo)下坐標(biāo)的計(jì)算過(guò)程稱為聲線彎曲改正。Snell法則：式中，Ci和i分別為層i內(nèi)聲速和入射角。設(shè)多波束換能器在船體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(x0,y0,z0)，波束腳印的船體坐標(biāo)(x，y，z)為：

式中，i為波束在層i表層處的入射角，Ci和ti為波束在層i內(nèi)的聲速和傳播時(shí)間。波束腳印船體坐標(biāo)的計(jì)算需要用到三個(gè)參量，即垂直參19上式的一級(jí)近似式為：式中Tp為波束往返程時(shí)間，0為波束初始入射角，C0為表層聲速。轉(zhuǎn)化為地理坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化關(guān)系為：式中，下腳LLS、G、VFS分別代表波束腳印的地理坐標(biāo)(或地方坐標(biāo))、GPS確定的船體坐標(biāo)系原點(diǎn)坐標(biāo)（也為地理坐標(biāo)系下坐標(biāo)，是船體坐標(biāo)系和地理坐標(biāo)系間的平移參量）和波束腳印在船體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；R(h,r,p)為船體坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)關(guān)系，航向h、橫搖r和縱搖p是三個(gè)歐拉角。上式的一級(jí)近似式為：式中Tp為波束往返程時(shí)間，0為波束初20高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納簡(jiǎn)稱為HRBSSS聲納(HighResolutionBathymetricSidescanSonar)。HRBSSS聲納分辨率高、體積小、重量輕、功耗低以及聲納陣沿載體的長(zhǎng)軸安裝，特別適用于AUV、HUV、ROV、拖體和船上，在離海底比較近的高度上航行，獲得高分辨率的地形地貌圖。聲納陣包括左舷和右舷兩個(gè)聲納陣，自主開(kāi)發(fā)的聲納軟件包括水上數(shù)字信號(hào)處理軟件、水上服務(wù)器軟件、聲納驅(qū)動(dòng)軟件和水下主控軟件，以及用于調(diào)試測(cè)試的終端調(diào)試測(cè)試軟件、終端調(diào)試測(cè)試軟件和聲納仿真軟件。7．5高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納簡(jiǎn)稱為HRBSSS聲納21軟件功能介紹：水上數(shù)字信號(hào)處理軟件的主要功能是完成對(duì)聲納A/D采樣數(shù)據(jù)的處理。聲納驅(qū)動(dòng)軟件的主要功能是提供與水上服務(wù)器軟件、水上終端調(diào)試和測(cè)試軟件的接口，提供與水下主控程序的接口，發(fā)送控制命令并接收水下控制計(jì)算機(jī)上傳的數(shù)據(jù)，提供與水上數(shù)字信號(hào)處理程序的接口，控制數(shù)字信號(hào)處理軟件的工作。水上服務(wù)器軟件的主要功能是提供聲納驅(qū)動(dòng)軟件與圖形用戶接口軟件的接口，將用戶請(qǐng)求操作轉(zhuǎn)換為聲納工作命令與工作參數(shù)，并向聲納驅(qū)動(dòng)軟件發(fā)送，接收數(shù)字信號(hào)處理的結(jié)果數(shù)據(jù)并向圖形用戶接口軟件發(fā)送。軟件功能介紹：水上數(shù)字信號(hào)處理軟件的主要功能是完成對(duì)聲納A/22用戶圖形接口軟件的主要功能是對(duì)數(shù)字信號(hào)處理結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)修正并成圖；提供與水上服務(wù)器的接口，發(fā)送聲納操作指令，接收水上數(shù)字信號(hào)處理軟件處理的結(jié)果數(shù)據(jù)，提供與輸入輸出設(shè)備、傳感器設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備連接的接口。后處理軟件的主要功能是對(duì)一次調(diào)查的數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)的后處理，進(jìn)行拼圖,得到最終的等深線圖和地貌圖。水下主控軟件的主要功能是控制水下電子分機(jī)的工作。水上終端調(diào)試與測(cè)試軟件的主要功能是完成對(duì)聲納的調(diào)試與測(cè)試。聲納仿真軟件的主要功能是在不連接聲納硬件設(shè)備的條件下，完成聲納對(duì)外接口的仿真。用戶圖形接口軟件的主要功能是對(duì)數(shù)字信號(hào)處理結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)修23高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納因具有較高的分辨率和測(cè)深精度，可以用于水下目標(biāo)的探測(cè)。利用HRBSSS測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算波束在海底投射點(diǎn)地理坐標(biāo)的過(guò)程與多波束的數(shù)據(jù)處理過(guò)程近似。通過(guò)該處理，可以獲得密集的海底點(diǎn)的三維坐標(biāo)。利用這些點(diǎn)的坐標(biāo)，可以繪制海底等深線圖或構(gòu)造海底DEM。HRBSSS實(shí)測(cè)得到的三維等深線圖高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納因具有較高的分辨率和測(cè)深精度24目前有利用水下載人潛水器、水下自治機(jī)器人(AUV：AutonomousUnderwaterVehicle)或遙控水下機(jī)器人(ROV：RemotelyOperatedVehicle)，集成多波束系統(tǒng)、側(cè)掃聲納系統(tǒng)等船載測(cè)深設(shè)備，結(jié)合水下DGPS技術(shù)、水下聲學(xué)定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)水下地形測(cè)量的思想和方法。水下機(jī)器人因可以接近目標(biāo)，利用其荷載的測(cè)量設(shè)備，可以獲得高質(zhì)量的水下圖形和圖像數(shù)據(jù)。目前使用的潛水器以自動(dòng)式探測(cè)器最先進(jìn)，探測(cè)器內(nèi)裝有水聲定位系統(tǒng)。7．6基于水下機(jī)器人的水下地形測(cè)量目前有利用水下載人潛水器、水下自治機(jī)器人(AUV25早期的載人潛器和法國(guó)的Nautile載人潛器一般講，采用水下潛水器進(jìn)行水下地形測(cè)量工作同用水面船只測(cè)量的手段和方法大致一樣。只是在水下測(cè)量時(shí)，需要測(cè)定潛水器本身的下沉深度。因此，一般需要使用液體靜力深度計(jì)和向上方向的回聲測(cè)深儀。早期的載人潛器和法國(guó)的Nautile載人潛器26一些技術(shù)比較先進(jìn)的國(guó)家在潛水器上安裝了水下立體攝影機(jī)。這種隨潛水器運(yùn)動(dòng)的水下立體攝影測(cè)量，在某種程度上同航空攝影地形測(cè)量工作原理一樣。由機(jī)器人深潛水下，在接近水底時(shí)用水下攝影的方式獲得水下目標(biāo)的圖像。由于受水的透明度和照明情況，儀器離海底的高度等因素的局限，水下立體攝影測(cè)量方法效率低和困難較大。水下攝影測(cè)量一些技術(shù)比較先進(jìn)的國(guó)家在潛水器上安裝了水下立體27進(jìn)行海底地形測(cè)量，最有前途的方法還是利用具有高分辨率的聲學(xué)系統(tǒng)。聲學(xué)系統(tǒng)由超聲波發(fā)射器、水聲接收機(jī)和電視顯示器所組成。將多波束、高精度測(cè)深側(cè)掃聲納等聲吶掃測(cè)設(shè)備安裝在潛航器上，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海底的高精度測(cè)量，如我國(guó)大洋一號(hào)上的6000米水下自治機(jī)器人AUV系統(tǒng)安裝了測(cè)深側(cè)掃聲納、淺地層剖面儀等設(shè)備，用于大洋的海底地形地貌調(diào)查。水下電視攝像系統(tǒng)、水下數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)是目前獲取在水下環(huán)境清晰圖像的主要方法，掃海測(cè)量中，配置水下數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)有助于障礙物性質(zhì)的判斷，提高掃測(cè)能力。進(jìn)行海底地形測(cè)量，最有前途的方法還是利用具有高分28機(jī)載激光雷達(dá)(LIDAR)是一個(gè)集現(xiàn)代三種尖端技術(shù)于一身的空間測(cè)量系統(tǒng)，它又分為用于獲得地面數(shù)字高程模型(DEM)的地形LIDAR系統(tǒng)和已經(jīng)成熟應(yīng)用的用于獲得水下DEM的海道測(cè)量LIDAR系統(tǒng)，這兩種系統(tǒng)的共同特點(diǎn)都是利用激光進(jìn)行探測(cè)和測(cè)量，即LightDetectionAndRanging-LIDAR。LIDAR是一種集激光，全球定位系統(tǒng)(GPS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)三種技術(shù)于一身的系統(tǒng)，用于獲得數(shù)據(jù)并生成精確的DEM。機(jī)載激光雷達(dá)是一種低成本高效率獲取空間數(shù)據(jù)的方法。它的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)大范圍、沿岸島礁海區(qū)、不可進(jìn)入地區(qū)、植被下層、地面與非地面數(shù)據(jù)的快速獲取。缺陷在于對(duì)水質(zhì)要求較高。7．7機(jī)載激光測(cè)深（LIDAR）機(jī)載激光雷達(dá)(LIDAR)是一個(gè)集現(xiàn)代三種尖端技29激光測(cè)深的原理與雙頻回聲測(cè)深原理相似，從飛機(jī)上向海面發(fā)射兩種波段的激光，一種為紅光，波長(zhǎng)為1064nm，另一種為綠光，波長(zhǎng)為523nm。紅光被海水反射，綠光則透射到海水里，到達(dá)海底后被反射回來(lái)。這樣，兩束光被接收的時(shí)間差等于激光從海面到海底傳播時(shí)間的兩倍，由此可算得海面到海底的深度。激光測(cè)深的公式為：式中：G為光速；n為海水折射率；為所接收紅外光與綠光的時(shí)間差。LIADR測(cè)量原理激光測(cè)深的原理與雙頻回聲測(cè)深原理相似，從飛機(jī)上30不同的機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)所發(fā)射的紅外激光和綠光的波長(zhǎng)稍不相同。機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)的最大探測(cè)深度，理論上可以表達(dá)為：式中：P‘是一個(gè)系統(tǒng)參量，定義為P’＝PL·ρ·A·E／πH2。PB為背景噪聲功率(W)；為海水有效衰減系數(shù)。機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)目前測(cè)深能力一般都在50米左右，其測(cè)深精度在0.3米左右。激光測(cè)深系統(tǒng)的組成一般有六大部分：測(cè)深系統(tǒng)(DSSS)、導(dǎo)航系統(tǒng)(NSS)、數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)(DPSS)、控制—監(jiān)視系統(tǒng)(CNSS)、地面處理系統(tǒng)(GPSS)、飛機(jī)與維修設(shè)備。不同的機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)所發(fā)射的紅外激光和綠光的波31應(yīng)用：機(jī)載激光測(cè)深具有速度快、覆蓋率高、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可作常規(guī)海道測(cè)量之用。機(jī)載激光測(cè)深具有快速實(shí)施大面積測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，被海洋大國(guó)廣泛應(yīng)用于沿岸大陸架海底地形測(cè)量之中。除了常規(guī)的海底地形測(cè)量之外，機(jī)載激光測(cè)深的覆蓋率高決定了它還能提高探測(cè)航行障礙物的探測(cè)率。同時(shí)，機(jī)載激光測(cè)深還能提高發(fā)現(xiàn)水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)(如潛艇)的發(fā)現(xiàn)概率。對(duì)無(wú)深度信息的登陸場(chǎng)，機(jī)載激光測(cè)深可迅速、安全地獲取信息，從而提高快速反應(yīng)部隊(duì)的作戰(zhàn)能力。機(jī)載激光還可用來(lái)測(cè)量海區(qū)的混濁度，測(cè)定溫度、鹽度。在海洋工程中，機(jī)載激光測(cè)深可以測(cè)定港口的淤積等。應(yīng)用：32為能夠采集到海區(qū)內(nèi)足夠的海底地形測(cè)量數(shù)據(jù)，以能夠反映海底地形地貌起伏狀況，提高發(fā)現(xiàn)海底特殊目標(biāo)的能力以及考慮到測(cè)量?jī)x器載體的機(jī)動(dòng)性和測(cè)量的效率、費(fèi)用、安全等因素，在海底地形測(cè)量之前需要設(shè)計(jì)和布設(shè)測(cè)線。測(cè)線是測(cè)量?jī)x器及其載體的探測(cè)路線，分為計(jì)劃測(cè)線和實(shí)際測(cè)線。海底地形測(cè)量測(cè)線一般布設(shè)為直線。海上測(cè)線又稱測(cè)深線。測(cè)深線分為主測(cè)深線和檢查線兩大類。確定測(cè)線布設(shè)的主要考慮因素是測(cè)線間隔和測(cè)線方向。7．8測(cè)線布設(shè)為能夠采集到海區(qū)內(nèi)足夠的海底地形測(cè)量數(shù)據(jù)，以能夠33測(cè)深線的間隔測(cè)深線的間隔是主要根據(jù)對(duì)所測(cè)海區(qū)的需求、海區(qū)的水深、底質(zhì)、地貌起伏的狀況，以及測(cè)深儀器的覆蓋范圍而定的?？傊?，以滿足需要又經(jīng)濟(jì)為原則。國(guó)內(nèi)外具體處理方法一般有兩種，一種是規(guī)定圖上主測(cè)深線的間隔為10毫米的情況下，根據(jù)上述原則確定海區(qū)的測(cè)圖比例尺：另一種是根據(jù)上述原則先確定實(shí)地上主測(cè)深線的間隔，再取其圖上相應(yīng)的間隔，如6、8、10毫米，最后確定測(cè)圖比例尺。我國(guó)采用前者。測(cè)深線的間隔測(cè)深線的間隔是主要根據(jù)對(duì)所測(cè)海區(qū)的34測(cè)深線方向測(cè)深線方向是測(cè)深線布設(shè)所要考慮的另一個(gè)重要因素，測(cè)線方向選取的優(yōu)劣會(huì)直接影響測(cè)量?jī)x器的探測(cè)質(zhì)量。選擇測(cè)深線布設(shè)方向的基本原則如下：有利于完善地顯示海底地貌。有利于發(fā)現(xiàn)航行障礙物。有利于工作。以上測(cè)線布設(shè)方向的基本原則大都是針對(duì)單波束測(cè)深而言的，對(duì)多波束測(cè)深、側(cè)掃聲納、激光測(cè)深和其他掃海系統(tǒng)還要考慮測(cè)量載體的機(jī)動(dòng)性、安全性、最小的測(cè)量時(shí)間等問(wèn)題，同時(shí)參照上述原則，選擇最佳的測(cè)線方向。測(cè)深線方向測(cè)深線方向是測(cè)深線布設(shè)所要考慮的另一35依據(jù)探測(cè)海區(qū)的精度要求、海底覆蓋率不同劃分、定義了四種測(cè)量等級(jí)。一級(jí)測(cè)量：只適用于海道測(cè)量部門明確規(guī)定的重要海區(qū)；要求必須把所有誤差源降到最小限度，測(cè)線間距要小，并要求使用側(cè)掃聲納、換能器陣列組成高分辨率多波束回聲測(cè)深儀達(dá)到100％的海底覆蓋率。二級(jí)測(cè)量：適用于其他港口、入口航道、一般的沿岸和內(nèi)陸航道，限于水深小于l00米的海區(qū)使用。三級(jí)測(cè)量：適用于水深淺于200米且不被一、二級(jí)測(cè)量覆蓋的海區(qū)。四級(jí)測(cè)量：四級(jí)海道測(cè)量適用于水深超過(guò)200米且不被一、二、三級(jí)海道測(cè)量所覆蓋的其它所有海區(qū)。7．9測(cè)深精度依據(jù)探測(cè)海區(qū)的精度要求、海底覆蓋率不同劃分、定義了四種測(cè)量等36水深精度應(yīng)理解為改正后水深的精度。水深精度主要取決于對(duì)影響水深值的系統(tǒng)誤差和可能的隨機(jī)誤差的估計(jì)精度。總傳播誤差由所有對(duì)測(cè)深有影響的因素所造成的測(cè)深誤差組成，其中包括：①與聲信號(hào)傳播路徑(包括聲速剖面)有關(guān)的聲速誤差；②測(cè)深與定位儀器自身的系統(tǒng)誤差；③潮汐測(cè)量和模型誤差；④船只航向與船搖誤差；⑤由于換能器安裝不正確引起的定位誤差；⑥船只運(yùn)動(dòng)傳感器的精度引起的誤差，如縱橫搖的精度、動(dòng)態(tài)吃水誤差；⑦數(shù)據(jù)處理誤差等等。水深精度應(yīng)理解為改正后水深的精度。水深精度主要取37誤差估計(jì)形式：上述給出的是根據(jù)多波束系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)誤差源及其估計(jì)公式，對(duì)單波束測(cè)深一般情況下可以不考慮σr、σp、σg等誤差的影響，但對(duì)于傾斜的海底必須進(jìn)行海底傾斜改正?？傊?，提高海洋測(cè)深精度的方法，一方面是盡可能利用高精度儀器監(jiān)測(cè)并減弱測(cè)量中的各種誤差，另一方面就是利用上述誤差模型進(jìn)行誤差估計(jì)。誤差估計(jì)形式：上述給出的是根據(jù)多波束系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)誤差源及38水深探測(cè)所要估計(jì)的最大影響因素就是海洋潮汐的影響。消除原始測(cè)深數(shù)據(jù)中的潮汐因素的方法就是在一定基準(zhǔn)控制下對(duì)測(cè)深數(shù)據(jù)逐時(shí)逐點(diǎn)進(jìn)行水位改正。水位改正是將測(cè)得的瞬時(shí)深度轉(zhuǎn)化為一定基準(zhǔn)上的較為穩(wěn)定數(shù)據(jù)的過(guò)程，其目的是盡可能消除測(cè)深數(shù)據(jù)中的海洋潮汐影響，將測(cè)深數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為以當(dāng)?shù)厣疃然鶞?zhǔn)面為基準(zhǔn)的水深數(shù)據(jù)。水位觀測(cè)過(guò)程中采用以“點(diǎn)”帶“面”的水位改正方法，水位改正方法主要有單站水位改正法、線性內(nèi)插法、水位分帶法、時(shí)差法和參數(shù)法等。

7．10水位改正水深探測(cè)所要估計(jì)的最大影響因素就是海洋潮汐的影響39單站水位改正法

一般采用圖解法和解析法。圖解法就是繪制水位曲線圖，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示水位改正數(shù)。解析法就是利用計(jì)算機(jī)以觀測(cè)數(shù)據(jù)為采樣點(diǎn)進(jìn)行多項(xiàng)式內(nèi)插來(lái)求得測(cè)量時(shí)間段內(nèi)任意時(shí)刻的水位改正數(shù)的方法。

單站水位改正法一般采用圖解法和解析法。40線性內(nèi)插法

假設(shè)兩站之間的瞬時(shí)海面為直線形態(tài)。此法也同樣適應(yīng)三站的情況，其基本數(shù)學(xué)模型為：（兩站水位改正數(shù)模）線性內(nèi)插法假設(shè)兩站之間的瞬時(shí)海面為直線形態(tài)。此法也同樣適應(yīng)41水位分帶改正法(分帶法)水位分帶改正法分為兩站水位分帶改正、三站水位分帶改正。兩站水位分帶改正法

水位分帶的實(shí)質(zhì)就是利用內(nèi)插法求得C、D區(qū)的水位改正數(shù)，與線性內(nèi)插法不同，分帶所依據(jù)的假設(shè)條件是兩站之間潮波傳播均勻，潮高和潮時(shí)的變化與其距離成比例。水位分帶改正法(分帶法)水位分帶改正法分為兩站42分帶條件：①當(dāng)測(cè)區(qū)有圖時(shí)，可以判斷主要分潮的潮波傳播是否均勻，來(lái)確定分帶與否。②若測(cè)區(qū)無(wú)潮波圖時(shí)，可根據(jù)海區(qū)自然地理(海底地貌、海岸形狀等)條件，以及潮流等因素加以分析。分帶的基本原則：分帶的界線方向與潮波傳播方向垂直。分帶原理：具體分為幾帶是由具體情況決定。兩驗(yàn)潮站之間的水位分帶數(shù)由下式確定：式中：K為分帶數(shù)；δz為測(cè)深精度；△ζ為兩驗(yàn)潮站深度基準(zhǔn)面重疊時(shí)，同一時(shí)刻兩驗(yàn)潮站間的最大水位差。分帶條件：式中：K為分帶數(shù)；δz為測(cè)深精度；△ζ為兩驗(yàn)潮站深43三站水位帶改正法(又稱三角分帶法)分帶原則、條件、假設(shè)與兩站水位分帶改正法基本相同，其主要是為了加強(qiáng)潮波傳播垂直方向的控制，需采用三站水位分帶改正法。三站水位帶改正法(又稱三角分帶法)分帶原則、條件44時(shí)差法

時(shí)差法水位改正是水位分帶改正法的合理改進(jìn)和補(bǔ)充。其所依賴的假設(shè)條件是兩驗(yàn)潮站之間的潮波傳播均勻，潮高和潮時(shí)的變化與其距離成比例。時(shí)差法是運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)中互相關(guān)函數(shù)的變化特性，將兩個(gè)驗(yàn)潮站A、B的水位視作信號(hào)，這樣研究A、B站的水位曲線問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為研究?jī)尚盘?hào)的波形問(wèn)題，通過(guò)對(duì)兩信號(hào)波形的研究求得兩信號(hào)之間的時(shí)差，進(jìn)而求得兩個(gè)驗(yàn)潮站的潮時(shí)差，以及待求點(diǎn)相對(duì)于驗(yàn)潮站的時(shí)差，并通過(guò)時(shí)間歸化，最后求出待求點(diǎn)的水位改正值。時(shí)差法時(shí)差法水位改正是水位分帶改正法的合理改進(jìn)45海洋測(cè)繪-第7章-水深測(cè)量及水下地形測(cè)量-課件46參數(shù)法

參數(shù)法直接從潮汐水位曲線的整體變化入手，采用最小二乘擬合逼近技術(shù)，不僅求出兩驗(yàn)潮站的潮時(shí)差，還求出了兩驗(yàn)潮站的潮差比和基準(zhǔn)面偏差?；驹恚毫钏、B兩站的水位觀測(cè)值為整點(diǎn)觀測(cè)值hA(i)、hB(i)，則同步觀測(cè)N天，便有24×N個(gè)觀測(cè)值。兩組觀測(cè)值可畫成兩條水位曲線(圖7-37)，將兩曲線移動(dòng)，并適當(dāng)放大或縮小，使兩個(gè)水位曲線吻合。則建立如下數(shù)學(xué)模型：其中，x為垂直比例系數(shù)，表示兩站間的潮差比(潮高比)；y為水平延遲系數(shù)，表示兩站間的潮時(shí)差；z為基準(zhǔn)面偏差。參數(shù)法參數(shù)法直接從潮汐水位曲線的整體變化入47兩曲線比較示意圖將上式改為計(jì)算的離散化格式：根據(jù)最小二乘原理：其中：F為設(shè)計(jì)矩陣，第i行元素為L(zhǎng)為閉合差矩陣，第i行元素為：解出△x、△y、△z后，可得關(guān)系值：兩曲線比較示意圖將上式改為計(jì)算的離散化格式：根據(jù)最小二乘原理487．12．1繪制海底地形圖海底地形圖的表現(xiàn)形式一般可分為二維等深線圖和三維海底地形立體圖。自動(dòng)繪制等深圖常用方法主要有兩種，一是三角形法，二是網(wǎng)格法。網(wǎng)格法繪制等深線分為在網(wǎng)格邊上求出等值點(diǎn)，追蹤等值點(diǎn)和連接并光滑等值點(diǎn)連線。7．13．2自動(dòng)繪制海底地形立體圖

海底地形立體圖是指海底地形立體透視圖。繪制海底地形立體圖，通常采用透視變換原理的連續(xù)斷面法來(lái)繪制。7．12海底地形成圖7．12．1繪制海底地形圖海底地形圖的表現(xiàn)形式49海底立體地形圖海底立體地形圖50思考題船載水深測(cè)量有那幾種測(cè)深手段？簡(jiǎn)述單波束回聲測(cè)深儀器的測(cè)量原理。簡(jiǎn)述機(jī)載激光測(cè)深的基本原理。簡(jiǎn)述海底地形測(cè)量中內(nèi)、外業(yè)作業(yè)的基本流程。在水下地形測(cè)量中，水位可通過(guò)那幾種方法進(jìn)行計(jì)算。思考題船載水深測(cè)量有那幾種測(cè)深手段？簡(jiǎn)述單波束回聲測(cè)深儀器51現(xiàn)代海洋測(cè)繪趙建虎現(xiàn)代海洋測(cè)繪趙建虎52第七章

水深測(cè)量及海底地形測(cè)量

Sounding&UnderwaterTopographicSurvey趙建虎第七章

水深測(cè)量及海底地形測(cè)量

Sounding&53本

章

內(nèi)

容

概述回聲測(cè)深原理多波束測(cè)深系統(tǒng)高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納基于水下機(jī)器人的水下地形測(cè)量機(jī)載激光測(cè)深（LIDAR）測(cè)線布設(shè)測(cè)深精度水位改正測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量與管理海底地形成圖思考題本

章

內(nèi)

容

概述海底地形測(cè)量是測(cè)量海底起伏形態(tài)和地物的工作。是陸地地形測(cè)量在海域的延伸。按照測(cè)量區(qū)域可分為海岸帶、大陸架和大洋三種海底地形。特點(diǎn)是測(cè)量?jī)?nèi)容多，精度要求高，顯示內(nèi)容詳細(xì)。水深測(cè)量經(jīng)歷了如下幾個(gè)發(fā)展階段：測(cè)繩重錘測(cè)量（點(diǎn)測(cè)量）單頻單波束測(cè)深（點(diǎn)測(cè)量）雙頻單波束測(cè)深（點(diǎn)測(cè)量）多波束測(cè)深（面測(cè)量）機(jī)載激光測(cè)深（面測(cè)量）水下地形測(cè)量的發(fā)展與其測(cè)深手段的不斷完善是緊密相關(guān)的。7．1概述海底地形測(cè)量是測(cè)量海底起伏形態(tài)和地物的工作。是55單頻單波束測(cè)深（點(diǎn)測(cè)量）安裝在測(cè)量船下的發(fā)射機(jī)換能器，垂直向水下發(fā)射一定頻率的聲波脈沖，以聲速C在水中傳播到水底，經(jīng)反射或散射返回，被接收機(jī)換能器所接收。設(shè)經(jīng)歷時(shí)間為t，換能器的吃水深度D，則換能器表面至水底的距離(水深)H為：7．2回聲測(cè)深原理單頻單波束測(cè)深（點(diǎn)測(cè)量）7．2回聲測(cè)深原理56回聲測(cè)深儀由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、發(fā)射換能器、接收換能器、顯示設(shè)備和電源部分組成。

回聲測(cè)深儀組成示意圖千米和萬(wàn)米測(cè)深儀回聲測(cè)深儀由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、發(fā)射換能器、接收換能57為了求得實(shí)際正確的水深而對(duì)回聲測(cè)深儀實(shí)測(cè)的深度數(shù)據(jù)施加的改正數(shù)稱為回聲測(cè)深儀總改正數(shù)?；芈暅y(cè)深儀總改正數(shù)的求取方法主要有水文資料法和校對(duì)法。前者適用于水深大于20米的水深測(cè)量，后者適用于小于20米的水深測(cè)量。

水文資料法改正包括吃水改正△Hb、轉(zhuǎn)速改正△Hn及聲速改正△Hc。吃水改正：由水面至換能器底面的垂直距離稱為換能器吃水改正數(shù)△Hb。若H為水面至水底的深度；HS換能器底面至水底的深度，則△Hb為：

為了求得實(shí)際正確的水深而對(duì)回聲測(cè)深儀實(shí)測(cè)的深度數(shù)58轉(zhuǎn)速改正△Hb是由于測(cè)深儀的實(shí)際轉(zhuǎn)速ns不等于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速n0所造成的。轉(zhuǎn)速改正數(shù)△Hn為：

聲速改正△Hc是因?yàn)檩斎氲綔y(cè)深儀中的聲速Cm不等于實(shí)際聲速C0造成的測(cè)深誤差。

綜上，測(cè)深儀總改正數(shù)△H為：

其中，聲速改正數(shù)△Hc對(duì)總改正數(shù)△H影響最大。

轉(zhuǎn)速改正△Hb是由于測(cè)深儀的實(shí)際轉(zhuǎn)速ns不等于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速n0所59校對(duì)法利用水陀、檢查板、水聽(tīng)器等，實(shí)測(cè)從水面起算的準(zhǔn)確深度，與測(cè)深儀的當(dāng)前深度進(jìn)行比較，進(jìn)而求得回聲測(cè)深儀在該深度上的總改正數(shù)△H?；芈暅y(cè)深儀按照頻率分為單頻測(cè)深儀和雙頻測(cè)深儀。

雙頻單波束測(cè)深（點(diǎn)測(cè)量）換能器垂直向水下發(fā)射高、低頻聲脈沖，由于低頻聲脈沖具有較強(qiáng)的穿透能力，因而可以打到硬質(zhì)層；高頻聲脈沖僅能打到沉積物表層，兩個(gè)脈沖所得深度之差便是淤泥厚度Δh。校對(duì)法利用水陀、檢查板、水聽(tīng)器等，實(shí)測(cè)從水面起算的準(zhǔn)確深度，60四波束掃海測(cè)深儀主要由四個(gè)收、發(fā)臺(tái)的換能器，同步控制器和圖示記錄器織成。四個(gè)換能器在船上的安裝方式有舷掛式和懸臂式兩種。目前，我國(guó)各單位使用的四波束掃海測(cè)深儀，主要有日本產(chǎn)的MS—10型、PS—20R型及PS—600型。7．3四波束掃海測(cè)深儀四波束掃海測(cè)深儀主要由四個(gè)收、發(fā)臺(tái)的換能器，同步61

多波束測(cè)深系統(tǒng)是從單波束測(cè)深系統(tǒng)發(fā)展起來(lái)，能一次給出與航線相垂直的平面內(nèi)的幾十個(gè)甚至上百個(gè)深度。它能夠精確地、快速地測(cè)定沿航線一定寬度內(nèi)水下目標(biāo)的大小、形狀、最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，從而較可靠地描繪出水下地形的精細(xì)特征，從真正意義上實(shí)現(xiàn)了海底地形的面測(cè)量。與單波束回聲測(cè)深儀相比，多波束測(cè)深系統(tǒng)具有測(cè)量范圍大、速度快、精度和效率高、記錄數(shù)字化和實(shí)時(shí)自動(dòng)繪圖等優(yōu)點(diǎn)。7．4多波束測(cè)深系統(tǒng)多波束測(cè)深系統(tǒng)是從單波束測(cè)深系統(tǒng)發(fā)展起來(lái)，能62多波束系統(tǒng)是由多個(gè)子系統(tǒng)組成的綜合系統(tǒng)。對(duì)于不同的多波束系統(tǒng)，雖然單元組成不同，但大體上可將系統(tǒng)分為多波束聲學(xué)系統(tǒng)（MBES）、多波束數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（MCS）、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和外圍輔助傳感器。其中，換能器為多波束的聲學(xué)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)波束的發(fā)射和接收；多波束數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成波束的形成和將接收到的聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并反算其測(cè)量距離或記錄其往返程時(shí)間；外圍設(shè)備主要包括定位傳感器（如GPS）、姿態(tài)傳感器（如姿態(tài)儀）、聲速剖面儀（CDT）和電羅經(jīng)，主要實(shí)現(xiàn)測(cè)量船瞬時(shí)位置、姿態(tài)、航向的測(cè)定以及海水中聲速傳播特性的測(cè)定；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以工作站為代表，綜合聲波測(cè)量、定位、船姿、聲速剖面和潮位等信息，計(jì)算波束腳印的坐標(biāo)和深度，并繪制海底平面或三維圖，用于海底的勘察和調(diào)查。多波束的系統(tǒng)組成多波束系統(tǒng)是由多個(gè)子系統(tǒng)組成的綜合系統(tǒng)。對(duì)于不同63GPS聲速斷面羅經(jīng)姿態(tài)傳感器換能器Transceiver操作和檢測(cè)單元監(jiān)控器導(dǎo)航監(jiān)控器后處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理工作站數(shù)據(jù)存儲(chǔ)繪圖儀打印機(jī)聲納影像記錄數(shù)據(jù)存儲(chǔ)圖2.1SimradEM950/1000多波束聲納系統(tǒng)組成單元外圍輔助傳感器多波束聲學(xué)系統(tǒng)MBES成果輸出系統(tǒng)(外設(shè)系統(tǒng))外部監(jiān)測(cè)和顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理GPS聲速斷面羅經(jīng)姿態(tài)傳感器換能器Transceiver操作64海洋測(cè)繪-第7章-水深測(cè)量及水下地形測(cè)量-課件65波束的發(fā)射、接收流程及其工作模式多波束換能器基元的物理結(jié)構(gòu)是壓電陶瓷，其作用在于實(shí)現(xiàn)聲能和電能之間的相互轉(zhuǎn)化。換能器也正是利用這點(diǎn)實(shí)現(xiàn)波束的發(fā)射和接收。多波束發(fā)射的不至一個(gè)波束，而是形成一個(gè)具有一定扇面開(kāi)角的多個(gè)波束，發(fā)射角由發(fā)射模式參數(shù)決定。多波束的波束發(fā)射原理圖波束的發(fā)射、接收流程及其工作模式多波束換能器基元66多波束的波束接收原理圖多波束的波束接收原理圖677．4．3多波束測(cè)深數(shù)據(jù)處理?yè)Q能器xi發(fā)射波束TrizixiRi接收波束中央波束波束腳印多波束波束的幾何構(gòu)成首先，將波束腳印的船體坐標(biāo)轉(zhuǎn)化到地理坐標(biāo)系（或當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系）和某一深度基準(zhǔn)面下的平面坐標(biāo)和水深。即波束腳印的歸位。船體坐標(biāo)系原點(diǎn)位于換能器中心，x軸指向航向，z軸垂直向下，y軸指向側(cè)向，與x、z軸構(gòu)成右手正交坐標(biāo)系。

7．4．3多波束測(cè)深數(shù)據(jù)處理?yè)Q能器xi發(fā)射波束Trizi68波束在海底投射點(diǎn)位置的計(jì)算需要船位、潮位、船姿、聲速剖面、波束到達(dá)角和往返程時(shí)間等參數(shù)。計(jì)算過(guò)程包括如下四個(gè)步驟：姿態(tài)改正。船體坐標(biāo)系下波束投射點(diǎn)位置的計(jì)算。波束投射點(diǎn)地理坐標(biāo)的計(jì)算。波束投射點(diǎn)高程的計(jì)算。為便于波束投射點(diǎn)船體坐標(biāo)的計(jì)算，現(xiàn)作如下假設(shè)：換能器處于一個(gè)平均深度，靜、動(dòng)吃水僅對(duì)深度有影響，而對(duì)平面坐標(biāo)沒(méi)有影響。波束的往、返程聲線重合。對(duì)于高頻發(fā)射系統(tǒng)，換能器航向變化影響可以忽略。

波束在海底投射點(diǎn)位置的計(jì)算需要船位、潮位、船姿、聲速剖69波束腳印船體坐標(biāo)的計(jì)算需要用到三個(gè)參量，即垂直參考面下的波束到達(dá)角、傳播時(shí)間和聲速剖面。為了得到波束腳印的真實(shí)位置，就必須沿著波束的實(shí)際傳播路線跟蹤波束，該過(guò)程即為聲線跟蹤。通過(guò)聲線跟蹤得到波束投射點(diǎn)在船體坐標(biāo)下坐標(biāo)的計(jì)算過(guò)程稱為聲線彎曲改正。Snell法則：式中，Ci和i分別為層i內(nèi)聲速和入射角。設(shè)多波束換能器在船體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(x0,y0,z0)，波束腳印的船體坐標(biāo)(x，y，z)為：

式中，i為波束在層i表層處的入射角，Ci和ti為波束在層i內(nèi)的聲速和傳播時(shí)間。波束腳印船體坐標(biāo)的計(jì)算需要用到三個(gè)參量，即垂直參70上式的一級(jí)近似式為：式中Tp為波束往返程時(shí)間，0為波束初始入射角，C0為表層聲速。轉(zhuǎn)化為地理坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化關(guān)系為：式中，下腳LLS、G、VFS分別代表波束腳印的地理坐標(biāo)(或地方坐標(biāo))、GPS確定的船體坐標(biāo)系原點(diǎn)坐標(biāo)（也為地理坐標(biāo)系下坐標(biāo)，是船體坐標(biāo)系和地理坐標(biāo)系間的平移參量）和波束腳印在船體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；R(h,r,p)為船體坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)關(guān)系，航向h、橫搖r和縱搖p是三個(gè)歐拉角。上式的一級(jí)近似式為：式中Tp為波束往返程時(shí)間，0為波束初71高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納簡(jiǎn)稱為HRBSSS聲納(HighResolutionBathymetricSidescanSonar)。HRBSSS聲納分辨率高、體積小、重量輕、功耗低以及聲納陣沿載體的長(zhǎng)軸安裝，特別適用于AUV、HUV、ROV、拖體和船上，在離海底比較近的高度上航行，獲得高分辨率的地形地貌圖。聲納陣包括左舷和右舷兩個(gè)聲納陣，自主開(kāi)發(fā)的聲納軟件包括水上數(shù)字信號(hào)處理軟件、水上服務(wù)器軟件、聲納驅(qū)動(dòng)軟件和水下主控軟件，以及用于調(diào)試測(cè)試的終端調(diào)試測(cè)試軟件、終端調(diào)試測(cè)試軟件和聲納仿真軟件。7．5高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納簡(jiǎn)稱為HRBSSS聲納72軟件功能介紹：水上數(shù)字信號(hào)處理軟件的主要功能是完成對(duì)聲納A/D采樣數(shù)據(jù)的處理。聲納驅(qū)動(dòng)軟件的主要功能是提供與水上服務(wù)器軟件、水上終端調(diào)試和測(cè)試軟件的接口，提供與水下主控程序的接口，發(fā)送控制命令并接收水下控制計(jì)算機(jī)上傳的數(shù)據(jù)，提供與水上數(shù)字信號(hào)處理程序的接口，控制數(shù)字信號(hào)處理軟件的工作。水上服務(wù)器軟件的主要功能是提供聲納驅(qū)動(dòng)軟件與圖形用戶接口軟件的接口，將用戶請(qǐng)求操作轉(zhuǎn)換為聲納工作命令與工作參數(shù)，并向聲納驅(qū)動(dòng)軟件發(fā)送，接收數(shù)字信號(hào)處理的結(jié)果數(shù)據(jù)并向圖形用戶接口軟件發(fā)送。軟件功能介紹：水上數(shù)字信號(hào)處理軟件的主要功能是完成對(duì)聲納A/73用戶圖形接口軟件的主要功能是對(duì)數(shù)字信號(hào)處理結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)修正并成圖；提供與水上服務(wù)器的接口，發(fā)送聲納操作指令，接收水上數(shù)字信號(hào)處理軟件處理的結(jié)果數(shù)據(jù)，提供與輸入輸出設(shè)備、傳感器設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備連接的接口。后處理軟件的主要功能是對(duì)一次調(diào)查的數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)的后處理，進(jìn)行拼圖,得到最終的等深線圖和地貌圖。水下主控軟件的主要功能是控制水下電子分機(jī)的工作。水上終端調(diào)試與測(cè)試軟件的主要功能是完成對(duì)聲納的調(diào)試與測(cè)試。聲納仿真軟件的主要功能是在不連接聲納硬件設(shè)備的條件下，完成聲納對(duì)外接口的仿真。用戶圖形接口軟件的主要功能是對(duì)數(shù)字信號(hào)處理結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)修74高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納因具有較高的分辨率和測(cè)深精度，可以用于水下目標(biāo)的探測(cè)。利用HRBSSS測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算波束在海底投射點(diǎn)地理坐標(biāo)的過(guò)程與多波束的數(shù)據(jù)處理過(guò)程近似。通過(guò)該處理，可以獲得密集的海底點(diǎn)的三維坐標(biāo)。利用這些點(diǎn)的坐標(biāo)，可以繪制海底等深線圖或構(gòu)造海底DEM。HRBSSS實(shí)測(cè)得到的三維等深線圖高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納因具有較高的分辨率和測(cè)深精度75目前有利用水下載人潛水器、水下自治機(jī)器人(AUV：AutonomousUnderwaterVehicle)或遙控水下機(jī)器人(ROV：RemotelyOperatedVehicle)，集成多波束系統(tǒng)、側(cè)掃聲納系統(tǒng)等船載測(cè)深設(shè)備，結(jié)合水下DGPS技術(shù)、水下聲學(xué)定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)水下地形測(cè)量的思想和方法。水下機(jī)器人因可以接近目標(biāo)，利用其荷載的測(cè)量設(shè)備，可以獲得高質(zhì)量的水下圖形和圖像數(shù)據(jù)。目前使用的潛水器以自動(dòng)式探測(cè)器最先進(jìn)，探測(cè)器內(nèi)裝有水聲定位系統(tǒng)。7．6基于水下機(jī)器人的水下地形測(cè)量目前有利用水下載人潛水器、水下自治機(jī)器人(AUV76早期的載人潛器和法國(guó)的Nautile載人潛器一般講，采用水下潛水器進(jìn)行水下地形測(cè)量工作同用水面船只測(cè)量的手段和方法大致一樣。只是在水下測(cè)量時(shí)，需要測(cè)定潛水器本身的下沉深度。因此，一般需要使用液體靜力深度計(jì)和向上方向的回聲測(cè)深儀。早期的載人潛器和法國(guó)的Nautile載人潛器77一些技術(shù)比較先進(jìn)的國(guó)家在潛水器上安裝了水下立體攝影機(jī)。這種隨潛水器運(yùn)動(dòng)的水下立體攝影測(cè)量，在某種程度上同航空攝影地形測(cè)量工作原理一樣。由機(jī)器人深潛水下，在接近水底時(shí)用水下攝影的方式獲得水下目標(biāo)的圖像。由于受水的透明度和照明情況，儀器離海底的高度等因素的局限，水下立體攝影測(cè)量方法效率低和困難較大。水下攝影測(cè)量一些技術(shù)比較先進(jìn)的國(guó)家在潛水器上安裝了水下立體78進(jìn)行海底地形測(cè)量，最有前途的方法還是利用具有高分辨率的聲學(xué)系統(tǒng)。聲學(xué)系統(tǒng)由超聲波發(fā)射器、水聲接收機(jī)和電視顯示器所組成。將多波束、高精度測(cè)深側(cè)掃聲納等聲吶掃測(cè)設(shè)備安裝在潛航器上，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海底的高精度測(cè)量，如我國(guó)大洋一號(hào)上的6000米水下自治機(jī)器人AUV系統(tǒng)安裝了測(cè)深側(cè)掃聲納、淺地層剖面儀等設(shè)備，用于大洋的海底地形地貌調(diào)查。水下電視攝像系統(tǒng)、水下數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)是目前獲取在水下環(huán)境清晰圖像的主要方法，掃海測(cè)量中，配置水下數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)有助于障礙物性質(zhì)的判斷，提高掃測(cè)能力。進(jìn)行海底地形測(cè)量，最有前途的方法還是利用具有高分79機(jī)載激光雷達(dá)(LIDAR)是一個(gè)集現(xiàn)代三種尖端技術(shù)于一身的空間測(cè)量系統(tǒng)，它又分為用于獲得地面數(shù)字高程模型(DEM)的地形LIDAR系統(tǒng)和已經(jīng)成熟應(yīng)用的用于獲得水下DEM的海道測(cè)量LIDAR系統(tǒng)，這兩種系統(tǒng)的共同特點(diǎn)都是利用激光進(jìn)行探測(cè)和測(cè)量，即LightDetectionAndRanging-LIDAR。LIDAR是一種集激光，全球定位系統(tǒng)(GPS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)三種技術(shù)于一身的系統(tǒng)，用于獲得數(shù)據(jù)并生成精確的DEM。機(jī)載激光雷達(dá)是一種低成本高效率獲取空間數(shù)據(jù)的方法。它的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)大范圍、沿岸島礁海區(qū)、不可進(jìn)入地區(qū)、植被下層、地面與非地面數(shù)據(jù)的快速獲取。缺陷在于對(duì)水質(zhì)要求較高。7．7機(jī)載激光測(cè)深（LIDAR）機(jī)載激光雷達(dá)(LIDAR)是一個(gè)集現(xiàn)代三種尖端技80激光測(cè)深的原理與雙頻回聲測(cè)深原理相似，從飛機(jī)上向海面發(fā)射兩種波段的激光，一種為紅光，波長(zhǎng)為1064nm，另一種為綠光，波長(zhǎng)為523nm。紅光被海水反射，綠光則透射到海水里，到達(dá)海底后被反射回來(lái)。這樣，兩束光被接收的時(shí)間差等于激光從海面到海底傳播時(shí)間的兩倍，由此可算得海面到海底的深度。激光測(cè)深的公式為：式中：G為光速；n為海水折射率；為所接收紅外光與綠光的時(shí)間差。LIADR測(cè)量原理激光測(cè)深的原理與雙頻回聲測(cè)深原理相似，從飛機(jī)上81不同的機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)所發(fā)射的紅外激光和綠光的波長(zhǎng)稍不相同。機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)的最大探測(cè)深度，理論上可以表達(dá)為：式中：P‘是一個(gè)系統(tǒng)參量，定義為P’＝PL·ρ·A·E／πH2。PB為背景噪聲功率(W)；為海水有效衰減系數(shù)。機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)目前測(cè)深能力一般都在50米左右，其測(cè)深精度在0.3米左右。激光測(cè)深系統(tǒng)的組成一般有六大部分：測(cè)深系統(tǒng)(DSSS)、導(dǎo)航系統(tǒng)(NSS)、數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)(DPSS)、控制—監(jiān)視系統(tǒng)(CNSS)、地面處理系統(tǒng)(GPSS)、飛機(jī)與維修設(shè)備。不同的機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)所發(fā)射的紅外激光和綠光的波82應(yīng)用：機(jī)載激光測(cè)深具有速度快、覆蓋率高、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可作常規(guī)海道測(cè)量之用。機(jī)載激光測(cè)深具有快速實(shí)施大面積測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，被海洋大國(guó)廣泛應(yīng)用于沿岸大陸架海底地形測(cè)量之中。除了常規(guī)的海底地形測(cè)量之外，機(jī)載激光測(cè)深的覆蓋率高決定了它還能提高探測(cè)航行障礙物的探測(cè)率。同時(shí)，機(jī)載激光測(cè)深還能提高發(fā)現(xiàn)水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)(如潛艇)的發(fā)現(xiàn)概率。對(duì)無(wú)深度信息的登陸場(chǎng)，機(jī)載激光測(cè)深可迅速、安全地獲取信息，從而提高快速反應(yīng)部隊(duì)的作戰(zhàn)能力。機(jī)載激光還可用來(lái)測(cè)量海區(qū)的混濁度，測(cè)定溫度、鹽度。在海洋工程中，機(jī)載激光測(cè)深可以測(cè)定港口的淤積等。應(yīng)用：83為能夠采集到海區(qū)內(nèi)足夠的海底地形測(cè)量數(shù)據(jù)，以能夠反映海底地形地貌起伏狀況，提高發(fā)現(xiàn)海底特殊目標(biāo)的能力以及考慮到測(cè)量?jī)x器載體的機(jī)動(dòng)性和測(cè)量的效率、費(fèi)用、安全等因素，在海底地形測(cè)量之前需要設(shè)計(jì)和布設(shè)測(cè)線。測(cè)線是測(cè)量?jī)x器及其載體的探測(cè)路線，分為計(jì)劃測(cè)線和實(shí)際測(cè)線。海底地形測(cè)量測(cè)線一般布設(shè)為直線。海上測(cè)線又稱測(cè)深線。測(cè)深線分為主測(cè)深線和檢查線兩大類。確定測(cè)線布設(shè)的主要考慮因素是測(cè)線間隔和測(cè)線方向。7．8測(cè)線布設(shè)為能夠采集到海區(qū)內(nèi)足夠的海底地形測(cè)量數(shù)據(jù)，以能夠84測(cè)深線的間隔測(cè)深線的間隔是主要根據(jù)對(duì)所測(cè)海區(qū)的需求、海區(qū)的水深、底質(zhì)、地貌起伏的狀況，以及測(cè)深儀器的覆蓋范圍而定的?？傊?，以滿足需要又經(jīng)濟(jì)為原則。國(guó)內(nèi)外具體處理方法一般有兩種，一種是規(guī)定圖上主測(cè)深線的間隔為10毫米的情況下，根據(jù)上述原則確定海區(qū)的測(cè)圖比例尺：另一種是根據(jù)上述原則先確定實(shí)地上主測(cè)深線的間隔，再取其圖上相應(yīng)的間隔，如6、8、10毫米，最后確定測(cè)圖比例尺。我國(guó)采用前者。測(cè)深線的間隔測(cè)深線的間隔是主要根據(jù)對(duì)所測(cè)海區(qū)的85測(cè)深線方向測(cè)深線方向是測(cè)深線布設(shè)所要考慮的另一個(gè)重要因素，測(cè)線方向選取的優(yōu)劣會(huì)直接影響測(cè)量?jī)x器的探測(cè)質(zhì)量。選擇測(cè)深線布設(shè)方向的基本原則如下：有利于完善地顯示海底地貌。有利于發(fā)現(xiàn)航行障礙物。有利于工作。以上測(cè)線布設(shè)方向的基本原則大都是針對(duì)單波束測(cè)深而言的，對(duì)多波束測(cè)深、側(cè)掃聲納、激光測(cè)深和其他掃海系統(tǒng)還要考慮測(cè)量載體的機(jī)動(dòng)性、安全性、最小的測(cè)量時(shí)間等問(wèn)題，同時(shí)參照上述原則，選擇最佳的測(cè)線方向。測(cè)深線方向測(cè)深線方向是測(cè)深線布設(shè)所要考慮的另一86依據(jù)探測(cè)海區(qū)的精度要求、海底覆蓋率不同劃分、定義了四種測(cè)量等級(jí)。一級(jí)測(cè)量：只適用于海道測(cè)量部門明確規(guī)定的重要海區(qū)；要求必須把所有誤差源降到最小限度，測(cè)線間距要小，并要求使用側(cè)掃聲納、換能器陣列組成高分辨率多波束回聲測(cè)深儀達(dá)到100％的海底覆蓋率。二級(jí)測(cè)量：適用于其他港口、入口航道、一般的沿岸和內(nèi)陸航道，限于水深小于l00米的海區(qū)使用。三級(jí)測(cè)量：適用于水深淺于200米且不被一、二級(jí)測(cè)量覆蓋的海區(qū)。四級(jí)測(cè)量：四級(jí)海道測(cè)量適用于水深超過(guò)200米且不被一、二、三級(jí)海道測(cè)量所覆蓋的其它所有海區(qū)。7．9測(cè)深精度依據(jù)探測(cè)海區(qū)的精度要求、海底覆蓋率不同劃分、定義了四種測(cè)量等87水深精度應(yīng)理解為改正后水深的精度。水深精度主要取決于對(duì)影響水深值的系統(tǒng)誤差和可能的隨機(jī)誤差的估計(jì)精度?？倐鞑フ`差由所有對(duì)測(cè)深有影響的因素所造成的測(cè)深誤差組成，其中包括：①與聲信號(hào)傳播路徑(包括聲速剖面)有關(guān)的聲速誤差；②測(cè)深與定位儀器自身的系統(tǒng)誤差；③潮汐測(cè)量和模型誤差；④船只航向與船搖誤差；⑤由于換能器安裝不正確引起的定位誤差；⑥船只運(yùn)動(dòng)傳感器的精度引起的誤差，如縱橫搖的精度、動(dòng)態(tài)吃水誤差；⑦數(shù)據(jù)處理誤差等等。水深精度應(yīng)理解為改正后水深的精度。水深精度主要取88誤差估計(jì)形式：上述給出的是根據(jù)多波束系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)誤差源及其估計(jì)公式，對(duì)單波束測(cè)深一般情況下可以不考慮σr、σp、σg等誤差的影響，但對(duì)于傾斜的海底必須進(jìn)行海底傾斜改正。總之，提高海洋測(cè)深精度的方法，一方面是盡可能利用高精度儀器監(jiān)測(cè)并減弱測(cè)量中的各種誤差，另一方面就是利用上述誤差模型進(jìn)行誤差估計(jì)。誤差估計(jì)形式：上述給出的是根據(jù)多波束系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)誤差源及89水深探測(cè)所要估計(jì)的最大影響因素就是海洋潮汐的影響。消除原始測(cè)深數(shù)據(jù)中的潮汐因素的方