海底探測技術(shù)-第7章-多波束測深系統(tǒng)的工作原理及數(shù)據(jù)處理分析_第1頁
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海底探測技術(shù)第一章緒論第二章定位導(dǎo)航技術(shù)第三章聲波探測的基本原理第四章聲學(xué)海底探測設(shè)備的組成及分類第六章側(cè)掃聲吶工作原理及探測資料分析第七章多波束測深系統(tǒng)的工作原理及數(shù)據(jù)處理分析第九章綜合探測的實(shí)施原則及水下聲學(xué)定位系統(tǒng)第五章單波束測深設(shè)備的組成及工作程序第八章淺地層探測系統(tǒng)的工作原理及資料分析不夠清晰不夠精細(xì)數(shù)據(jù)密度不夠多單波束測量限制比例尺工期和經(jīng)費(fèi)如何以小比例尺圖測量的工作量,獲得更多數(shù)據(jù),滿足大比例尺作圖的需求?——多波束產(chǎn)生的原始動(dòng)力!河道測量比例尺大測線間距小測量船偏航嚴(yán)重測深儀工作頻率不同各測深儀吃水變化操作人員較多數(shù)據(jù)處理繁雜航向與船首方向不一致運(yùn)動(dòng)傳感器測深儀工作頻率不同各測深儀吃水變化操作人員較多數(shù)據(jù)處理繁雜航向與船首方向不一致電羅經(jīng)測深儀工作頻率不同各測深儀吃水變化操作人員較多數(shù)據(jù)處理繁雜航向與船首方向不一致波束角極小水體聲速為平均聲速水體聲速曲線物理多波束電子多波束相干聲吶(條帶測深系統(tǒng))單波束測深多波束測深實(shí)現(xiàn)在不增加工作量前提下,得到豐富數(shù)據(jù)的目的12多波束測深系統(tǒng)

1、定義:探測航向123垂直航向的水底條帶,多個(gè)點(diǎn)深度數(shù)據(jù)可同時(shí)探測水底多個(gè)位置不同點(diǎn)水深值的探測系統(tǒng)單波束測深儀5.05.25.45.55.7多波束測深系統(tǒng)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測深效率大大提高得到海底0.2m×0.2m的測量數(shù)據(jù)2、構(gòu)成(1)多波束主體設(shè)備多波束探頭發(fā)射接收工作站發(fā)射陣接受陣(2)、外圍設(shè)備后處理工作站電羅經(jīng)運(yùn)動(dòng)傳感器光纖陀螺水體聲速計(jì)3、分類及原理物理多波束換能器因發(fā)射的每個(gè)波束都是獨(dú)立的物理存在的換能器或換能器陣而得名關(guān)鍵點(diǎn):海底檢測為振幅檢測相干聲吶角度XX動(dòng)校正水深基面拖體入水深度如何得到角度聲吶接受陣獲得傳播時(shí)間(t)和強(qiáng)度聲吶接受陣聲吶接受陣tA技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn):1、各接受陣如何判定相位差?2、探頭正下方怎麼辦?得到虛擬的三角形關(guān)鍵點(diǎn):海底檢測為相位檢測電子多波束聲波發(fā)射、接收后形成了獨(dú)立波束,其波束形成是換能器陣上的多個(gè)點(diǎn)震源聲波疊加、再通過接受陣接收聚焦的結(jié)果,而非每個(gè)波束對應(yīng)著一個(gè)獨(dú)立的換能器。腳印技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn):海底檢測方式換能器振幅檢測振幅+相位檢測振幅+相位檢測水深兩倍范圍內(nèi)電子多波束覆蓋寬度一般小于水深的8倍。多波束覆蓋寬度是指在某一水深條件下走航測量,所測得的測深條帶的寬度。以測幅寬度是水深的倍數(shù)來描述。測幅寬度三種多波束的對比物理多波束電子多波束相干聲吶發(fā)射換能器組成多個(gè)換能器陣一個(gè)或二個(gè)換能器陣二個(gè)換能器陣發(fā)射探測波束數(shù)量少(一般小于5個(gè))波束多,一般大于90個(gè)球面波無具體波束海底檢測方法振幅檢測振幅檢測+相位檢測或僅有振幅檢測相位檢測海底覆蓋寬度?。ㄒ话阈∮谒畹膬杀叮﹥H有振幅檢測的小于水深的兩倍;振幅檢測+相位檢測小于水深的8倍可達(dá)水深的10倍以上腳印大小有有僅有聲吶水平波束角測點(diǎn)分布物理換能器決定正下方測點(diǎn)多邊緣波束少測點(diǎn)可無限但正下方無準(zhǔn)確測點(diǎn)測深精度精度高正下方精度高,邊緣精度低邊緣精度低,正下方無測點(diǎn),30~50度角度區(qū)精度高適宜工作區(qū)河道測量全海深距水底小于50m地形相對簡單的海區(qū)相干聲吶250kHz振幅+相位檢測200kHz腳?。?°×1.5°振幅檢測500kHz腳?。?.5°×0.5°描述多波束的重要參數(shù)多波束類型多波束工作頻率多波束最大覆蓋寬度多波束腳印大小多波束波束數(shù)4、多波束測深系統(tǒng)工作原理:震源震源與接收系統(tǒng)壓電換能器震源一次發(fā)射在海底形成的多波束條帶(波束在海底覆蓋的區(qū)域)腳印寬度角(越小越好)縱向腳?。ㄑ睾桔E方向的)大小(單位為“°”)接收通過接收將海底回波分為多個(gè)小區(qū)接收換能器(接受陣)橫向腳?。ù怪焙桔E方向的)大小(單位為“°”)縱向腳印×橫向腳印即為多波束腳印大小發(fā)射和接收后,所形成的多波束波束橫向和縱向的角度。多波束震源和接收陣是相互垂直的震源陣接收陣多波束腳印大小多波束測量數(shù)據(jù)密度和精度通過接收將海底回波分為多個(gè)小區(qū)接收換能器(接受陣)通過接收陣檢波器的組合可形成多個(gè)腳印相互交疊的波束理論上,每個(gè)波束可獲得一個(gè)有效水深測量數(shù)據(jù)。多波束最大覆蓋寬度多波束覆蓋角度(設(shè)備制造規(guī)格)多波束覆蓋角度可達(dá)210°,淺水型的大,深水型的小。測深精度不滿足要求真正的覆蓋角度小于設(shè)備標(biāo)稱的決定覆蓋寬度的因素(1)、儀器的發(fā)射覆蓋角的大小(2)、邊緣波束的測深精度(接收計(jì)算技術(shù))海底覆蓋寬度多波束覆蓋角聲波在傳播過程中能量損失覆蓋寬度并不是隨水深增大而單一的增大,而是存在極值——(3)、海底覆蓋寬度1反射波越強(qiáng),邊緣波束被探測到得可能行越大,覆蓋寬度就越大(4)、海底表層沉積物聲阻抗影響多波束的覆蓋寬度(5)水文及背景噪音的影響東方紅2號EM122深水多波束覆蓋寬度200m水深1500m水深隨水深減小海底覆蓋寬度變窄多波束如何識別海底回波?振幅炮點(diǎn)位置時(shí)間T單波束測深單波束測深海底識別是依據(jù)海底反射波的強(qiáng)度,即反射波振幅大小——稱之為振幅檢測多波束測深通過的水體厚度最小,入射波能量大,海底反射波振幅相對較大通過的水體厚度增大,入射波能量逐漸變小,海底反射波振幅相對較弱,僅靠反射波振幅難以檢測海底回波一次發(fā)射在海底形成的波束腳印(波束在海底覆蓋的區(qū)域)多波束探頭TAr根據(jù)海底回波振幅和波束與垂向夾角探知海底位置——振幅檢測優(yōu)點(diǎn):精度高,

探頭下數(shù)據(jù)密集,缺點(diǎn):覆蓋寬度小

(不大于水深的2倍)針對較遠(yuǎn)的波束振幅檢測不到的因素,多波束又增加了邊緣波束的相位海底檢測法r相對于振幅檢測,振幅+相位檢測的精度要低如果單純用相位檢測(如相干聲吶)正下方?jīng)]有可靠數(shù)據(jù)。單一接收體根據(jù)到達(dá)波束回波的相位差,識別出海底回波在振幅檢測的基礎(chǔ)上增加了邊緣波束的相位檢測,使多波束的覆蓋寬度一般達(dá)到了水深的7倍,再加上純粹的相位檢測,淺水電子多波束覆蓋寬度可達(dá)到水深的12倍。藍(lán)色區(qū):為振幅檢測區(qū)域;紅色區(qū):為相位檢測區(qū)域。棕紅色條帶由中心向兩側(cè)變寬——海底水深誤差增大。接收到了波束如何確定計(jì)算深度?H=V×t水體聲速水面H=V×t實(shí)際探測點(diǎn)1、水體聲速不僅影響水深計(jì)算還影響探測位置2、水體聲速必須是剖面曲線而非平均聲速3、水體聲速測量設(shè)備:CTD或聲速剖面儀。聲線曲線電羅經(jīng)在多波束測深系統(tǒng)在多波束系統(tǒng)中的作用GPS給多波束探頭定位調(diào)查航跡垂直航跡的數(shù)據(jù)?風(fēng)和海流單有GPS不能解決探測點(diǎn)位置問題,還需有指明多波束中軸線方向的設(shè)備——電羅經(jīng)運(yùn)動(dòng)傳感器在多波束測深系統(tǒng)中的作用海面海底海浪還需要有運(yùn)動(dòng)傳感器探知實(shí)時(shí)多波束的姿態(tài)TSS運(yùn)動(dòng)姿態(tài)傳感器光纖羅經(jīng)實(shí)時(shí)校正多波束換能器的運(yùn)動(dòng)海面海底海浪水平面偏轉(zhuǎn)幅度、偏轉(zhuǎn)加速度等要素多波束系統(tǒng)的總成多波束測深是水聲技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)和數(shù)字化傳感器技術(shù)等多種技術(shù)的高度集成。聲波發(fā)射與接收換能器陣各種傳感器(衛(wèi)星定位系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)傳感器、電羅經(jīng)、聲速剖面儀等)數(shù)據(jù)處理單元多波束主體多波束外圍設(shè)備5、多波束測深工作程序1)設(shè)備選型淺水多波束系統(tǒng)300m4000m中水多波束系統(tǒng)深水多波束系統(tǒng)工作頻率差異>180kHz30-70kHz12-30kHz500*500mm2500*2500mm8000*8000mm便于移動(dòng)安裝——便攜固定安裝于船底問題1:淺水多波束問什么不能用于深水調(diào)查?(1)、海底覆蓋寬度不夠(2)、海底探測點(diǎn)數(shù)量不夠(未采用深水?dāng)?shù)字加密技術(shù))水深大沿航向探測點(diǎn)稀疏脈沖間隔(炮點(diǎn)距)深水多波束采用了多脈沖或雙條幅技術(shù)問題2:深水多波束能否用于淺水調(diào)查?頻率低對松軟海底有穿透,數(shù)據(jù)不準(zhǔn)2)多波束安裝與安裝測量(1)多波束換能器安裝位置:氣泡層厚度噪音源多波束安裝于船首至船長1/3區(qū)段遠(yuǎn)離船舶噪聲源減少氣泡影響GPS定位天線位置、電羅經(jīng)、運(yùn)動(dòng)傳感器、多波束探頭不在同一位置,船的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如何用?多波束探頭GPS天線運(yùn)動(dòng)傳感器(2)多波束系統(tǒng)各組合單元相互關(guān)系測量:參考點(diǎn)(相對坐標(biāo)系統(tǒng)建立)坐標(biāo)系統(tǒng)設(shè)置原則

以船舶橫向、縱向及平均吃水線交點(diǎn)處設(shè)置坐標(biāo)原點(diǎn)。船首尾線方向?yàn)閄軸,向前為正,向后為負(fù);船橫向中心線方向?yàn)閅軸,向右為正;垂直方向?yàn)閆軸,向下為正,向上為負(fù)。(3)多波束工作安裝校準(zhǔn)工作橫搖縱傾首偏另外,數(shù)據(jù)傳輸過程需要時(shí)間踐——時(shí)間延遲需要測量校準(zhǔn)船橫剖面船縱剖面船俯視圖多波束換能器換能器軸線調(diào)查船軸線電羅經(jīng)電羅經(jīng)軸線與船軸向夾角a與羅經(jīng)夾角b船、羅經(jīng)軸向夾角c首偏是哪一個(gè)?怎么做才能最好地達(dá)到多波束海底覆蓋寬度首偏為多波束、電羅經(jīng)軸向夾角ba、b、c三個(gè)角都等于零時(shí)(軸向平行),多波束海底覆蓋寬度最大橫搖橫搖校準(zhǔn)方法:1、平坦海區(qū)2、相同船速正反兩條重合測線實(shí)際海底時(shí)間延遲校準(zhǔn)方法:1、傾斜海區(qū)2、分別以慢速和高速重復(fù)垂直等深線的一條測線探測實(shí)際海底根據(jù)慢速和快速船速測得的海底地形獲得系統(tǒng)的時(shí)間延遲最新的多波束系統(tǒng)增加了數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)定系統(tǒng),故無需時(shí)間延遲校準(zhǔn)縱傾校準(zhǔn)方法:1、有凸起的海區(qū)2、相同船速正反兩條重合測線實(shí)際海底縱傾首向校準(zhǔn)方法:1、特殊目標(biāo)物海區(qū)2、相同船速目標(biāo)物兩側(cè)同向兩條平行測線實(shí)際目標(biāo)物首偏多波束探頭吃水校準(zhǔn)

橫搖縱傾時(shí)延

校正后校正前Rollcalibration(donewithadoublesetoflines):+0.1°Pitchcalibration(donewithadoublesetoflines):+0.065°HeadingCalibration(donewithadoublesetoflines):+0.12°(4)多波束測深實(shí)施原則及注意事項(xiàng)?1、多波束測線方向平行水深等值線;2、測線間距必須保證測線間有至少10%的重復(fù)覆蓋3、每天至少一次水體聲速校準(zhǔn)(并實(shí)時(shí)監(jiān)察聲速曲線的有效性)聲速有效的海底回波聲速過小,

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