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1、几何海洋测绘主要工作内容包括： 海洋大地测量 海洋定位 水深测量 水下地形测量,第六章 海洋水深测量,6-1 海水中声波传播的特性 6-2 水深测量方法 6-3 多波束水下测深系统 6-4 平均海水面和深度基准面 6-5 水深测量归算 6-6 测量船船速的确定,本章主要内容,20世纪初，人们发明了用高频声波探测潜艇的方法。这种方法后来引用到海洋测深中，即现代的回声测深方法。,古代测深主要使用杆子（俗称测深杆）或系有重物的绳子（俗称水铊）。测深杆最多只能测5m。用水铊最多也只能测50m，而且效率低、劳动强度大、精度也不高。,1、机械波：机械振动在弹性介质中传播形成的波。 2、声波是一种机械波 正
2、常频率范围：20HZ-20KHZ 次声波：频率范围20HZ 超声波：频率范围20KHZ,6-1 海水中声波传播的特性,一、声 波,3、声波的传播特性： 1）声波不能在真空中传播 2）声波是纵波，传播方向与介质振动方向相同 3）声波传播速度与介质的性质和状态有关 4）气体、液体和固体的振动都能产生声波,6-1 海水中声波传播的特性,一、声 波,二、声波传播损失,1、声波传播损失 声波在传播过程中，声强随着传播距离的增加而逐渐减弱的现象。,导致声强减弱的原因： 1）波阵面的扩展（几何扩散损失） 2）介质吸收和散射 3）界面反射,6-1 海水中声波传播的特性,2、声波传播损失的度量 声波传播损失(T
3、ransmission Loss)是距声源1米处声强级与声场中某接收点处声强级之差，是声波的波阵面几何扩展损失与传播衰减损失之和。,I1-距声源为1 m处的声强 I2 -距声源为R m处的声强,二、声波传播损失,6-1 海水中声波传播的特性,波阵面随着距离扩展而产生的声强(级)几何衰减现象。,几何扩散损失度量：,几何扩散损失度与声波的传播形式有关,一般表达式：,n=1，为柱面波传播形式 n=2，为球面波传播形式,3、几何扩散损失：,二、声波传播损失,6-1 海水中声波传播的特性,几何扩散损失与声波的频率无关,由于介质的吸收、散射和界面反射而产生的声强(级)减弱现象。,1）吸收损失度量：,-吸收
4、系数 R-声波传播距离 吸收损失与声波的频率有关,4、衰减损失,二、声波传播损失,6-1 海水中声波传播的特性,2）吸收系数： 某种能量形式在介质中传播时，由于介质的吸收而形成在单位距离上能量的衰减程度。常用dB/km或dB/m表示,（1）电磁波在海水中的吸收系数随频率增大而增加,（2）电磁波吸收系数经验公式：,4、衰减损失,二、声波传播损失,6-1 海水中声波传播的特性,声波吸收系数经验公式：,3）声波在海水中的吸收系数,6-1 海水中声波传播的特性,4、衰减损失,以频率f=20KHZ为例， 电磁波在海水中的吸收系数：5.81103dB/km 声波在海水中的吸收系数： 3.2 dB/km 显
5、然，声波的吸收损失比电磁波的小得多,6-1 海水中声波传播的特性,三、声波传播速度,声波在各种介质中的传播速度,6-1 海水中声波传播的特性,2、海水中声波传播速度,海水中声速随海水的温度、盐度、静水压力的增加而变大,2）0度、标准盐度下压力变化对声速的影响,1）温度、盐度变化对声速的影响,6-1 海水中声波传播的特性,三、声波传播速度,温度、盐度和深度典型值及其对声速的影响程度,6-1 海水中声波传播的特性,1、金属杆比测法,四、海水中声波传播速度的测定,6-1 海水中声波传播的特性,分段测量法,2、速度计直接测定,6-1 海水中声波传播的特性,1）Del Grosso经验公式：,2）Ler
6、oy经验公式：,3、解析法,6-1 海水中声波传播的特性,3）Mackenzie经验公式：,4）Wilson经验公式：,5）我国采用经验公式（海道测量规范，1990）：,6-1 海水中声波传播的特性,近似公式：,1、回声测深原理,6-2 水深测量方法,一、回声测深法,回声测深仪：产生声波和记录声波传播时间的仪器。 采用频率：20300KHZ,测深仪分为： 浅海测深仪：最浅可测0.5米水深 深海测深仪：最深可测万米以上,2、回声测深仪系统组成,6-2 水深测量方法,一、回声测深法,回声测深仪,6-2 水深测量方法,测深仪包括如下系统： （1）发射器 （2）接收器 （3）换能器 （4）记录设备 （
7、5）电源部分,6-2 水深测量方法,2、回声测深仪系统组成,通过记录其探头发射出的声波信号经水底反射后返回发射点的双程走时，结合水中的声波速值换算出水深值。,2、回声测深仪系统组成,6-2 水深测量方法,将电能转换成声能或把声能转换成电能的换能器。 发射换能器：将电能转化成声波发射的换能器。 接收换能器：将声波转化成电能的换能器。,3、电声型换能器,6-2 水深测量方法,一、回声测深法,接收换能器利用“正压电效应”。 正压电效应：当压电材料如石英等受到周期性的压缩振动时，在其两个相对面上出现周期性的电压的现象。,6-2 水深测量方法,3、电声型换能器,发射换能器利用“反压电效应” 反压电效应：
8、当压电材料的电场发生变化时，致使其尺寸发生周期性伸缩的现象。,6-2 水深测量方法,3、电声型换能器,为了测定不规则海底地形情况，研制的一种换能器波束宽度小于50的回声测深系统。 为减少波束衰减，增大换能器功率。,6-2 水深测量方法,二、窄波束测深,工作原理： 测量光能从水面反射与从海底反射之间的时间间隔。,三、激光测深方法,6-2 水深测量方法,D-水深 V-低频激光在海水中传播的速度 t-低频激光和高频激光往返时间差,典型激光测深仪的技术参数,6-2 水深测量方法,多波束换能器以一个较大的开角（如150）向水下发射几十束或上百束声波（如101束），同时接收这些声波的反射波，那么每次发射接
9、收一组声波，便可在垂直于航线上得到一组水深数据。当测船连续航行时，便可得到一个宽带的水下地形资料。,6-3 多波束水下测深系统,一、多波束水下测深系统（SeaBat8101 ）,SeaBat8101是美国RESON公司SeaBat系列的产品，波束数101个，每个波束开角1.51.5，波束总开角150，测量的覆盖宽为水深的7.4倍（水深小于70m时）。 SeaBat8101多波束测深系统可以对水下地形进行大范围全覆盖的测量，结合实时动态（RTK）GPS定位，可以迅速获得各种比例尺的水下地形图，其测量成果可以精确反映水下细微的地形变化和目标物情况，极大地提高了测量的精度和效率，也是汛期进行水下监测
10、的重要手段。,6-3 多波束水下测深系统,工作频率： 240KHZ 波束数： 101个 波束总开角： 150o 单个波束开角：1.50X1.50 最大采样速率：30次/s 工作范围设定：0.5300m 水下有效覆盖宽：水深170m，为7.4倍水深，水深150m，为2.7倍水深； 航速：最大30节（每节1.85 km/h）；,1、系统主要技术指标,6-3 多波束水下测深系统,2、 Seabat8101测深系统配置,6-3 多波束水下测深系统,1）声纳探头 包含探头主体和上下两个盖子(导流罩)。,6-3 多波束水下测深系统,2）81-P处理器： 由其发送控制指令给探头，并从探头接收采集信息，以控制
11、数据的采集、显示。对探头实行实时的可视化监控。,6-3 多波束水下测深系统,3）主控计算机： 由软件控制数据的贮存和输入/输出，对测线数据进行实时监视和记录。由其接收来自81-P处理器、导航与定位、姿态传感器与电罗经等的数据， 4）差分GPS （ DGPS）： 给出精确的天线坐标（XYZ）。 5）数字电罗经（GYRO ）： 给出精确的真北方向和测船的航艏方向的夹角。,6-3 多波束水下测深系统,6）姿态传感器： 由于测船的起浮摇摆直接影响测量精度，姿态传感器将记录测船的姿态等信息。 7）后处理系统： 包括后处理计算机、彩色绘图仪等硬件系统和后处理软件（Caris软件）组成。,6-3 多波束水下
12、测深系统,1）测量以带状方式进行，波束连续发射和接收，测量覆盖程度高，对水下地形可100%覆盖，与单波束比较，多波束的波束角窄，对细微地形的变化都能完全反映出来。 2）由于是对地形的全覆盖，其大量的水深点数据使生成的等值线真实可靠，而单波束是将断面数据进行摘录成图以插补方式生成等值线，在数据采集不够时，将导致等值线存在一定偏差。 3）多波束系统同步记录船体姿态信息，由Caris后处理软件对测量结果进行校正，使测量结果受外界不利因素影响减小到最低限度。对于单波束而言，未进行这些校正，其测量结果相比受外界因素影响较大。,3、系统的主要特点,6-3 多波束水下测深系统,4）由于测区是全覆盖，因此在后
13、处理时可对同一测区生成不同比例尺的测图，以满足不同的需要。 5）直观性强，可以在现场直观地看到水下的地形起伏、冲淤情况、以及护岸工程的效果，利用软件的回放功能，不仅在现场而且在室内也能演示。,6-3 多波束水下测深系统,6）成果丰富，可生成等值线图、三维立体图、彩色图像、剖面图等，同时还能对同一测区不同测次进行比较以及土方计算等。,6-3 多波束水下测深系统,系统具有广泛的应用前景。系统适用于： 江河、水库、湖泊及海洋等水域的大比例尺（1：2000以上）、大范围的水下地形测量 江岸堤防及险工险段水下监测 水下工程检测（如抛石护岸等） 沉船、水下物体打捞搜寻,4、系统的应用领域,6-3 多波束水
14、下测深系统,多波束海底三维图,多波束成果图水深等值线与3D叠加图,6-3 多波束水下测深系统,20世纪90年代初期，我国才开始投资研制实用型多波束测深系统。 H/HCS一017型多波束测深系统于1997年研制成功，系统的工作频率为45kHZ，具有48个波束，波束角为2030，其测深范围为10-1000m，扇区开角为1200，测深覆盖范围最大可达4倍水深。,二、我国多波束水下测深系统,6-3 多波束水下测深系统,三、多波束测深系统的发展前景,多波束测深系统的研制基本成熟,未来的研究重点将倾向于数据处理和应用研究。,在数据处理方面，由于目前各种原始多波束数据的存储格式极不统一，与各种多波束系统相配
15、套的后处理软件也自成体系，互不相干，已经给多波束数据的统一管理和综合处理造成极大的困难，因此，设计开发能够采集各种多波束原始数据的通用接口，并在此基础上开发出规范化的多波束数据后处理软件，已经成为多波束技术产业发展的必然要求。,6-3 多波束水下测深系统,三、多波束测深系统的发展前景,多波束系统既可获得高密度、高精度的测点位置信息,又可获得海底图像信息,但成像质量较差;而侧扫声纳则以成像为主,可获得高分辨率的海底影像,但仅能给出描述海底地貌、地物的概略位置。因此，多波束数字信息与侧扫声纳图像信息的融合是将来测深技术深入发展的方向。,6-3 多波束水下测深系统,一、平均海水面,某海域在一定时期内
16、海水面的平均高度位置，通常由某验潮站相应期间内每小时的潮位观测记录数据计算求得。 根据所取时间长度不同，可分为： 1、日平均海面 2、月平均海面 3、年平均海面 4、多年平均海面,6-4 平均海水面和深度基准面,1、日平均海面：是一天观测值的平均值，它可以去掉半日潮的影响。 2、月平均海面：是一个月的日平均海面的平均值，它可以削弱半月潮影响。 3、年平均海面：是一年月平均海面的平均值。年平均海面变化较小，但因为产生引潮力的日、月等主要天体运动的影响，各年的年平均海面仍有差异，这种差异可以用多年平均海面来削弱，通常用月亮升交运动周期（18.6年）的年数的多年平均海面。,一、平均海水面,6-4 平均海水面和深度基准面,4、多年平均海水面是陆地高程的起算面，各国选取的都不同。 我国以青岛验潮站多年观测水位的平均值作为基准。 日本以东京灵岸岛验潮站多年观测水位的平均值作为基准。 欧洲地区以阿姆斯特丹验潮站多年观测
