第7章-水深測量及水下地形測量

1、|概述|回聲測深原理|多波束測深系統(tǒng)|高分辨率測深側(cè)掃聲納|基于水下機(jī)器人的水下地形測量|機(jī)載激光測深（LIDAR）|測線布設(shè)|測深精度|水位改正|測量數(shù)據(jù)質(zhì)量與管理|海底地形成圖|思考題 海底地形測量是測量海底起伏形態(tài)和地物的工作。是陸地地形測量在海域的延伸。按照測量區(qū)域可分為海岸帶、大陸架和大洋三種海底地形。特點(diǎn)是測量內(nèi)容多，精度要求高，顯示內(nèi)容詳細(xì)。 水深測量經(jīng)歷了如下幾個發(fā)展階段：測繩重錘測量（點(diǎn)測量）單頻單波束測深（點(diǎn)測量）雙頻單波束測深（點(diǎn)測量）多波束測深（面測量）機(jī)載激光測深（面測量） 水下地形測量的發(fā)展與其測深手段的不斷完善是緊密相關(guān)的。 7.1 7.1 概概 述述單頻單波束測

2、深（點(diǎn)測量）安裝在測量船下的發(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 7.2 回聲測深原理回聲測深原理 回聲測深儀由發(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。 回聲測深儀組成示意圖 千米和萬米測深儀 為了求得實(shí)際正確的水深而對回聲測深儀實(shí)測的深度數(shù)據(jù)施加的改正數(shù)稱為回聲測深儀總改正數(shù)。 回聲測深儀總改正數(shù)的求取方法主要有水文資料法和校對法。前者適用于水深大于20米的水深測量，后者適用于小于20米的水深測量。 水文資料法

3、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： 轉(zhuǎn)速改正Hb是由于測深儀的實(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深儀中的聲速Cm不等于實(shí)際聲速C0造成的測深誤差。 綜上 ，測深儀總改正數(shù)H為： 其中，聲速改正數(shù)Hc對總改正數(shù)H影響最大。 校對法利用水陀、檢查板、水聽器等，實(shí)測從水面起算的準(zhǔn)確深度，與測深儀的當(dāng)前深度進(jìn)行比較，進(jìn)而求得回聲測深儀在該深度上的總改正數(shù)H?；芈暅y深儀按照頻率分為單頻測深儀和雙頻測深儀。 雙頻單

4、波束測深（點(diǎn)測量） 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，兩個脈沖所得深度之差便是淤泥厚度h 。 四波束掃海測深儀主要由四個收、發(fā)臺的換能器，同步控制器和圖示記錄器織成。四個換能器在船上的安裝方式有舷掛式和懸臂式兩種。 目前，我國各單位使用的四波束掃海測深儀，主要有日本產(chǎn)的MS10型、PS20R型及PS600型。 7.3 7.3 四波束掃海測深儀四波束掃海測深儀 多波束測深系統(tǒng)是從單波束測深系統(tǒng)發(fā)展起來，能一次給出與航線相垂直的平面內(nèi)的幾十個甚至上百個深度。它能夠精確地、快速地測定沿航線一定寬度內(nèi)水下目標(biāo)的大小、

5、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)了海底地形的面面測量。 與單波束回聲測深儀相比，多波束測深系統(tǒng)具有測量范圍大、速度快、精度和效率高、記錄數(shù)字化和實(shí)時自動繪圖等優(yōu)點(diǎn)。 7.4 7.4 多波束測深系統(tǒng)多波束測深系統(tǒng) 多波束系統(tǒng)是由多個子系統(tǒng)組成的綜合系統(tǒng)。對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轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并反算其測量距離或記錄其往返程時

6、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)測量船瞬時位置、姿態(tài)、航向的測定以及海水中聲速傳播特性的測定；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以工作站為代表，綜合聲波測量、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。 741 多波束的系統(tǒng)組成多波束的系統(tǒng)組成742 多波束系統(tǒng)的聲學(xué)原理多波束系統(tǒng)的聲學(xué)原理相長干涉和相消干涉以及換能器的指向性相長干涉和相消干涉 兩個相鄰的發(fā)射器發(fā)射相同的等方向性的聲信號，聲波圖將互相重疊和干涉，兩個波峰或者兩個波谷之間的疊加會增強(qiáng)波的能量，波峰與波谷的疊加正好互相

7、抵消，能量為零。 相長干涉發(fā)生在距離每個發(fā)射器相等的點(diǎn)或者整波長處，而相消干涉發(fā)生在相距發(fā)射器半波長或者整波長加半波長處。將水聽器放置在相長干涉處。 相長和相消干涉 波束指向性圖 不同的角度有不同的能量，這就是波束的指向性（directivity）。如果一個發(fā)射陣的能量分布在狹窄的角度中，就稱該系統(tǒng)指向性高。 發(fā)射器越多，基陣越長，則波束角越小，指向性就越高。設(shè)基陣的長度為D，則波束角為： 可以看出，減小波長或者增大基陣的長度都可以提高波束的指向性。但是，基陣的長度不可能無限增大，而波長越小，在水中衰減得越快，所以指向性不可能無限提高。下面以多波束中的直線陣列換能器為例，說明基線陣列的指向性以

8、及聲強(qiáng)特征。定義直線陣列的微分單元輸出響應(yīng)為A/L，A為振幅，則微分單元dx的輸出響應(yīng)dv和相位延遲為： 直線陣列的輸出響應(yīng)和歸一化后的指向性R()為： 式中v=Lsin/，為波長，c為聲速。曲線陣列的指向性R()的推導(dǎo)與此類似。 確定了波束的指向性R()后，便可根據(jù)波束的設(shè)計(jì)寬度，來確定換能器的尺寸。若波束指向性定義為-30dB，則波束寬度bW為： 若L2， 波束寬度bW和波長設(shè)定后，換能器的尺寸L為： 換能器基陣的束控 將發(fā)射和接收信號的能量聚集在主葉瓣，對側(cè)葉瓣和背葉瓣的信號進(jìn)行抑制，這便是換能器基陣的束控。 基陣束控通常采用相位加權(quán)和幅度加權(quán)兩種方法，相位加權(quán)是利用基元間距的不同排列來

9、改變基元相位響應(yīng)，而幅度加權(quán)則通過控制基陣中各基元的靈敏度響應(yīng)實(shí)現(xiàn)束控。 對于幅度加權(quán)而言，只要保證基陣靈敏度分布中間大，兩邊逐漸減小，就能使側(cè)葉瓣有不同程度的降低。通常采用的方法是對幅度進(jìn)行三角加權(quán)、余弦加權(quán)和高斯加權(quán)，其中高斯加權(quán)是比較理想的加權(quán)函數(shù)。 曲面換能器波束束控示意圖 波束的形成 當(dāng)線性陣列的方向在0=0時，由于各個方向基元接收到的聲信號具有相同的相位，因而輸出響應(yīng)最大。但要在其它方向形成波束，則需要引入時延，確保各基元的輸出仍能滿足同向疊加要求，獲得最大的輸出響應(yīng) 。當(dāng)陣列由N個基元組成時，平面波束從方向入射到波陣面時，聲速為C時延時量為： 以第N-1個基元為參數(shù)基準(zhǔn)，則第 i

10、個基元相對于第N-1個基元的聲程為 時延i為： 為了控制線性基陣在0方向形成波束，需要引入延時i=ilsin0/C=i，則總延時i為：當(dāng)=0時，總延時量為： 線性陣列的波束輸出響應(yīng)為： 式中i為第i個基元引入的相位延時，Vi為第i個基元的復(fù)電壓。 設(shè)0(k)為第k個波束的空間方位角，則第k個波束的輸出響應(yīng)為： 則：那么，上式為基元復(fù)電壓Vi的FFT變化在0(k)方向上形成的第k個波束。 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)射的不至一個波束，而是形成一個具有一定扇面開角

11、的多個波束，發(fā)射角由發(fā)射模式參數(shù)決定。 多波束的波束發(fā)射原理圖多波束的波束接收原理圖 No StabilisationRoll StabilisationRoll and Pitch StabilisationCourtesy of JHC OMG/UNBStabilization for pitching is obtained by steering the transmit beam electronically forward or aft at the time of transmission, based upon input from the motion sensor.Pitc

12、h effectNo pitch stabilizationPitch stabilization onCourtesy of QPSRoll, Pitch and Yaw Stabilisation743 多波束測深數(shù)據(jù)處理多波束測深數(shù)據(jù)處理換能器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。 波束在海底投射點(diǎn)位置的計(jì)算需要船位、潮位、船姿

13、、聲速剖面、波束到達(dá)角和往返程時間等參數(shù)。計(jì)算過程包括如下四個步驟：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)： 換能器處于一個平均深度，靜、動吃水僅對深度有影響，而對平面坐標(biāo)沒有影響。 波束的往、返程聲線重合。 對于高頻發(fā)射系統(tǒng)，換能器航向變化影響可以忽略。 波束腳印船體坐標(biāo)的計(jì)算需要用到三個參量，即垂直參考面下的波束到達(dá)角、傳播時間和聲速剖面。 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，該過程即為聲線跟蹤。通過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)算過程稱為聲線彎曲

14、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)的聲速和傳播時間。上式的一級近似式為： 式中Tp為波束往返程時間，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)

15、關(guān)系，航向h、橫搖r和縱搖p是三個歐拉角。延遲A延遲B加法器ABAAOBBBB+O/P入射角為的平面波 波束的實(shí)際指向角或物理指向角是換能器表面的實(shí)際聲速或真實(shí)聲速和測量聲速的函數(shù)。波速生成器根據(jù)測量的聲速值確定換能器陣列中每個波束的相位延遲，以控制對應(yīng)的波束指向。顯然，表面受風(fēng)、日等因素使溫度和鹽度有較大的變化，對波束指向的影響較為嚴(yán)重。tan00aacc不同聲速不同指向角下的指向角誤差曲線 曲面換能器波束束控示意圖 直線陣與曲線陣的波束傳播區(qū)別 對于直線換能器基陣，存在波束束控。如果表層聲速有誤差，則初始的波束出射角存在誤差，但仍然滿足Snell法則。 pccincorincorcorco

16、rsinsin 如果底層聲速測量正確的話（這是比較容易做到的），則在最后一層的波束角與正確的波束角一致，即計(jì)算的聲線與正確的聲線平行，故波束點(diǎn)的水平位置和水深誤差保持為常量，與水深變化無關(guān)。當(dāng)水深增加時，深度誤差百分比越來越小，能容易滿足IHO的規(guī)范要求。而對于曲面換能器基陣，雖然波束未進(jìn)行電子束控，最初波束角沒有誤差，但Snell常量發(fā)生了變化，使得聲線傳播時與正確的聲線不再平行，故在深水中深度誤差百分比隨深度的增加而增大，所以說，波束最初出射角沒有誤差，并不一定是好事。 折射誤差的表現(xiàn) 根據(jù)Snell法則，入射角為0，即換能器最底點(diǎn)的聲線沒有折射，波束歸位誤差僅表現(xiàn)在水深上，而且水深誤差也

17、很小，離最底點(diǎn)越遠(yuǎn)，入射角越大，聲線受折射的影響越大，使得波束歸位誤差越大，此時誤差包括平面位置和水深的綜合影響。對于平坦海底，假設(shè)換能器為平面陣列，水平安置，則折射的假象與垂直軸對稱分布，并相上或向下彎曲，就像微笑和皺眉 。 高分辨率測深側(cè)掃聲納簡稱為HRBSSS聲納(High Resolution Bathymetric Sidescan Sonar)。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聲納陣，自主開發(fā)的聲納軟件包括水上數(shù)字

18、信號處理軟件、水上服務(wù)器軟件、聲納驅(qū)動軟件和水下主控軟件，以及用于調(diào)試測試的終端調(diào)試測試軟件、終端調(diào)試測試軟件和聲納仿真軟件。 7.5 7.5 高分辨率測深側(cè)掃聲納高分辨率測深側(cè)掃聲納軟件功能介紹：水上數(shù)字信號處理軟件的主要功能是完成對聲納A/D采樣數(shù)據(jù)的處理。聲納驅(qū)動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)字信號處理程序的接口，控制數(shù)字信號處理軟件的工作。 水上服務(wù)器軟件的主要功能是提供聲納驅(qū)動軟件與圖形用戶接口軟件的接口，將用戶請求操作轉(zhuǎn)換為聲納工作命令與工作參數(shù)，并向聲納驅(qū)動軟件

19、發(fā)送，接收數(shù)字信號處理的結(jié)果數(shù)據(jù)并向圖形用戶接口軟件發(fā)送。用戶圖形接口軟件的主要功能是對數(shù)字信號處理結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時修正并成圖；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、存儲設(shè)備連接的接口。后處理軟件的主要功能是對一次調(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)試與測試軟件的主要功能是完成對聲納的調(diào)試與測試。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，完成聲納對外接口的仿真。 高分辨率測深側(cè)掃聲納因具有較高的分辨率和測深精度，可以用于

20、水下目標(biāo)的探測。 利用HRBSSS測量數(shù)據(jù)計(jì)算波束在海底投射點(diǎn)地理坐標(biāo)的過程與多波束的數(shù)據(jù)處理過程近似。通過該處理，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)測得到的三維等深線圖 目前有利用水下載人潛水器、水下自治機(jī)器人(AUV：Autonomous Underwater Vehicle)或遙控水下機(jī)器人(ROV：Remotely Operated Vehicle)，集成多波束系統(tǒng)、側(cè)掃聲納系統(tǒng)等船載測深設(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)，利用其荷載的測量設(shè)備，可以獲

21、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式探測器最先進(jìn)，探測器內(nèi)裝有水聲定位系統(tǒng)。 7.6 7.6 基于水下機(jī)器人的水下地形基于水下機(jī)器人的水下地形測量測量早期的載人潛器和法國的Nautile 載人潛器 一般講，采用水下潛水器進(jìn)行水下地形測量工作同用水面船只測量的手段和方法大致一樣。只是在水下測量時，需要測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深儀。 一些技術(shù)比較先進(jìn)的國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)動的水下立體攝影測量，在某種程度上同航空攝影地形測量工作原理一樣。 由機(jī)器人深潛水下，在接近水底時用水下攝影的方式獲得水下目標(biāo)的圖

22、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，水下立體攝影測量方法效率低和困難較大。 水下攝影測量 進(jìn)行海底地形測量，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、高精度測深側(cè)掃聲納等聲吶掃測設(shè)備安裝在潛航器上，也可以實(shí)現(xiàn)對海底的高精度測量，如我國大洋一號上的6000米水下自治機(jī)器人AUV系統(tǒng)安裝了測深側(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，提高掃測能力。 機(jī)載激

23、光雷達(dá)(LIDAR)是一個集現(xiàn)代三種尖端技術(shù)于一身的空間測量系統(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)行探測和測量，即Light Detection And Ranging - 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)勢在于對大范圍、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。缺陷在于對水質(zhì)要求較高。

24、7.7 7.7 機(jī)載激光測深（機(jī)載激光測深（LIDARLIDAR） 激光測深的原理與雙頻回聲測深原理相似，從飛機(jī)上向海面發(fā)射兩種波段的激光，一種為紅光，波長為1064nm，另一種為綠光，波長為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。這樣，兩束光被接收的時間差等于激光從海面到海底傳播時間的兩倍，由此可算得海面到海底的深度。激光測深的公式為： 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間差。LIADR測量原理 不同的機(jī)載激光測深系統(tǒng)所發(fā)射的紅外激光和綠光的波長稍不相同。機(jī)載激光測深系統(tǒng)的最大探測深度，理論上可以表達(dá)為： 式中：P是一個系統(tǒng)參量，定義為P

25、PLAEH2。 PB為背景噪聲功率(W)； 為海水有效衰減系數(shù)。 機(jī)載激光測深系統(tǒng)目前測深能力一般都在50米左右，其測深精度在0.3米左右。激光測深系統(tǒng)的組成一般有六大部分：測深系統(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。 應(yīng)用： 機(jī)載激光測深具有速度快、覆蓋率高、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可作常規(guī)海道測量之用。機(jī)載激光測深具有快速實(shí)施大面積測量的優(yōu)點(diǎn)，被海洋大國廣泛應(yīng)用于沿岸大陸架海底地形測量之中。除了常規(guī)的海底地形測量之外，機(jī)載激光測深的覆蓋率高決定了它還能提高探測航行障礙物的探測率。 同時，機(jī)載激光測

26、深還能提高發(fā)現(xiàn)水下運(yùn)動目標(biāo)(如潛艇)的發(fā)現(xiàn)概率。對無深度信息的登陸場，機(jī)載激光測深可迅速、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)載激光還可用來測量海區(qū)的混濁度，測定溫度、鹽度。在海洋工程中，機(jī)載激光測深可以測定港口的淤積等。 為能夠采集到海區(qū)內(nèi)足夠的海底地形測量數(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量儀器載體的機(jī)動性和測量的效率、費(fèi)用、安全等因素，在海底地形測量之前需要設(shè)計(jì)和布設(shè)測線。 測線是測量儀器及其載體的探測路線，分為計(jì)劃測線和實(shí)際測線。海底地形測量測線一般布設(shè)為直線。海上測線又稱測深線。測深線分為主測深線和檢查線兩大類。 確定測線布設(shè)的

27、主要考慮因素是測線間隔和測線方向。 7.8 7.8 測線布設(shè)測線布設(shè)測深線的間隔 測深線的間隔是主要根據(jù)對所測海區(qū)的需求、海區(qū)的水深、底質(zhì)、地貌起伏的狀況，以及測深儀器的覆蓋范圍而定的。總之，以滿足需要又經(jīng)濟(jì)為原則。 國內(nèi)外具體處理方法一般有兩種，一種是規(guī)定圖上主測深線的間隔為10毫米的情況下，根據(jù)上述原則確定海區(qū)的測圖比例尺：另一種是根據(jù)上述原則先確定實(shí)地上主測深線的間隔，再取其圖上相應(yīng)的間隔，如6、8、10毫米，最后確定測圖比例尺。我國采用前者。測深線方向 測深線方向是測深線布設(shè)所要考慮的另一個重要因素，測線方向選取的優(yōu)劣會直接影響測量儀器的探測質(zhì)量。選擇測深線布設(shè)方向的基本原則如下：l有

28、利于完善地顯示海底地貌。l有利于發(fā)現(xiàn)航行障礙物。l 有利于工作。 以上測線布設(shè)方向的基本原則大都是針對單波束測深而言的，對多波束測深、側(cè)掃聲納、激光測深和其他掃海系統(tǒng)還要考慮測量載體的機(jī)動性、安全性、最小的測量時間等問題，同時參照上述原則，選擇最佳的測線方向。依據(jù)探測海區(qū)的精度要求、海底覆蓋率不同劃分、定義了四種測量等級。一級測量：只適用于海道測量部門明確規(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深儀達(dá)到100的海底覆蓋率。二級測量：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

29、測量：適用于水深淺于200米且不被一、二級測量覆蓋的海區(qū)。四級測量：四級海道測量適用于水深超過200米且不被一、二、三級海道測量所覆蓋的其它所有海區(qū)。 7.9 7.9 測深精度測深精度 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`差由所有對測深有影響的因素所造成的測深誤差組成，其中包括： 與聲信號傳播路徑(包括聲速剖面)有關(guān)的聲速誤差； 測深與定位儀器自身的系統(tǒng)誤差； 潮汐測量和模型誤差； 船只航向與船搖誤差； 由于換能器安裝不正確引起的定位誤差； 船只運(yùn)動傳感器的精度引起的誤差，如縱橫搖的精度、動態(tài)吃水誤差； 數(shù)據(jù)處理誤差等等

30、。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，對單波束測深一般情況下可以不考慮r、p、g等誤差的影響，但對于傾斜的海底必須進(jìn)行海底傾斜改正。 總之，提高海洋測深精度的方法，一方面是盡可能利用高精度儀器監(jiān)測并減弱測量中的各種誤差，另一方面就是利用上述誤差模型進(jìn)行誤差估計(jì)。 水深探測所要估計(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)控制下對測深數(shù)據(jù)逐時逐點(diǎn)進(jìn)行水位改正。 水位改正是將測得的瞬時深度轉(zhuǎn)化為一定基準(zhǔn)上的較為穩(wěn)定數(shù)據(jù)的過程，其目的是盡可能消除測深數(shù)據(jù)中的海洋潮汐影響，將測深數(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

31、位觀測過程中采用以“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、時差法和參數(shù)法等。 7.10 7.10 水位改正水位改正單站水位改正法 為求得不同時刻的水位改正數(shù)，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)以觀測數(shù)據(jù)為采樣點(diǎn)進(jìn)行多項(xiàng)式內(nèi)插來求得測量時間段內(nèi)任意時刻的水位改正數(shù)的方法。 線性內(nèi)插法 線性內(nèi)插法的假設(shè)前提是兩站之間的瞬時海面為直線形態(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 ）（三站水位改正數(shù)模 ）水位分帶改正法(分帶法) 水位分帶改正法分為兩站

32、水位分帶改正、三站水位分帶改正(又稱三角分帶)。以兩站水位分帶改正法為例來介紹。 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，潮高和潮時的變化與其距離成比例。分帶條件： 當(dāng)測區(qū)有圖時，可以判斷主要分潮的潮波傳播是否均勻，來確定分帶與否。 若測區(qū)無潮波圖時，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)；z為測深精度；為兩驗(yàn)潮站深度基準(zhǔn)面重疊時，同一時刻兩驗(yàn)潮

33、站間的最大水位差。 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。時差法 時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，潮高和潮時的變化與其距離成比例。 時差法是運(yùn)用數(shù)字信號處理技術(shù)中互相關(guān)函數(shù)的變化特性，將兩個驗(yàn)潮站A、B的水位視作信號，這樣研究A、B站的水位曲線問題就轉(zhuǎn)化為研究兩信號的波形問題，通過對兩信號波形的研究求得兩信號之間的時差，進(jìn)而求得兩個驗(yàn)潮站的潮時差，以及待求點(diǎn)相對于驗(yàn)潮站的時差，并通過時間歸化，最后求出待求點(diǎn)的水位改正值。 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)潮站的潮時差，還求出了兩驗(yàn)潮站的潮差比和基準(zhǔn)面偏差。基本原理：令所取A、B兩站的水位觀測值為整點(diǎn)觀測值hA(i)、hB(i)，則同步觀測N天，便有24 N個觀測值。兩組觀測值可畫成兩條水位曲線(圖7-37)，將兩曲線移動，并適當(dāng)放大或縮小，使兩個水位曲線吻