第7章-水深测量及水下地形测量

第七章水深测量及海底地形测量Sounding&UnderwaterTopographicSurvey本章内容概述回声测深原理多波束测深系统高分辨率测深侧扫声纳基于水下机器人的水下地形测量机载激光测深（LIDAR）测线布设测深精度水位改正测量数据质量与管理海底地形成图思考题海底地形测量是测量海底起伏形态和地物的工作。是陆地地形测量在海域的延伸。按照测量区域可分为海岸带、大陆架和大洋三种海底地形。特点是测量内容多，精度要求高，显示内容详细。水深测量经历了如下几个发展阶段：测绳重锤测量（点测量）单频单波束测深（点测量）双频单波束测深（点测量）多波束测深（面测量）机载激光测深（面测量）水下地形测量的发展与其测深手段的不断完善是紧密相关的。7.1概述单频单波束测深（点测量）安装在测量船下的发射机换能器，垂直向水下发射一定频率的声波脉冲，以声速C在水中传播到水底，经反射或散射返回，被接收机换能器所接收。设经历时间为t，换能器的吃水深度D，则换能器表面至水底的距离(水深)H为：7.2回声测深原理回声测深仪由发射机、接收机、发射换能器、接收换能器、显示设备和电源部分组成。回声测深仪组成示意图千米和万米测深仪为了求得实际正确的水深而对回声测深仪实测的深度数据施加的改正数称为回声测深仪总改正数。回声测深仪总改正数的求取方法主要有水文资料法和校对法。前者适用于水深大于20米的水深测量，后者适用于小于20米的水深测量。水文资料法改正包括吃水改正△Hb、转速改正△Hn及声速改正△Hc。吃水改正：由水面至换能器底面的垂直距离称为换能器吃水改正数△Hb。若H为水面至水底的深度；HS换能器底面至水底的深度，则△Hb为：转速改正△Hb是由于测深仪的实际转速ns不等于设计转速n0所造成的。转速改正数△Hn为：声速改正△Hc是因为输入到测深仪中的声速Cm不等于实际声速C0造成的测深误差。综上，测深仪总改正数△H为：其中，声速改正数△Hc对总改正数△H影响最大。校对法利用水陀、检查板、水听器等，实测从水面起算的准确深度，与测深仪的当前深度进行比较，进而求得回声测深仪在该深度上的总改正数△H。回声测深仪按照频率分为单频测深仪和双频测深仪。双频单波束测深（点测量）换能器垂直向水下发射高、低频声脉冲，由于低频声脉冲具有较强的穿透能力，因而可以打到硬质层；高频声脉冲仅能打到沉积物表层，两个脉冲所得深度之差便是淤泥厚度Δh。四波束扫海测深仪主要由四个收、发台的换能器，同步控制器和图示记录器织成。四个换能器在船上的安装方式有舷挂式和悬臂式两种。目前，我国各单位使用的四波束扫海测深仪，主要有日本产的MS—10型、PS—20R型及PS—600型。7.3四波束扫海测深仪多波束测深系统是从单波束测深系统发展起来，能一次给出与航线相垂直的平面内的几十个甚至上百个深度。它能够精确地、快速地测定沿航线一定宽度内水下目标的大小、形状、最高点和最低点，从而较可靠地描绘出水下地形的精细特征，从真正意义上实现了海底地形的面测量。与单波束回声测深仪相比，多波束测深系统具有测量范围大、速度快、精度和效率高、记录数字化和实时自动绘图等优点。7.4多波束测深系统多波束系统是由多个子系统组成的综合系统。对于不同的多波束系统，虽然单元组成不同，但大体上可将系统分为多波束声学系统（MBES）、多波束数据采集系统（MCS）、数据处理系统和外围辅助传感器。其中，换能器为多波束的声学系统，负责波束的发射和接收；多波束数据采集系统完成波束的形成和将接收到的声波信号转换为数字信号，并反算其测量距离或记录其往返程时间；外围设备主要包括定位传感器（如GPS）、姿态传感器（如姿态仪）、声速剖面仪（CDT）和电罗经，主要实现测量船瞬时位置、姿态、航向的测定以及海水中声速传播特性的测定；数据处理系统以工作站为代表，综合声波测量、定位、船姿、声速剖面和潮位等信息，计算波束脚印的坐标和深度，并绘制海底平面或三维图，用于海底的勘察和调查。7．4．1多波束的系统组成7．4．2多波束系统的声学原理相长干涉和相消干涉以及换能器的指向性相长干涉和相消干涉两个相邻的发射器发射相同的等方向性的声信号，声波图将互相重叠和干涉，两个波峰或者两个波谷之间的叠加会增强波的能量，波峰与波谷的叠加正好互相抵消，能量为零。相长干涉发生在距离每个发射器相等的点或者整波长处，而相消干涉发生在相距发射器半波长或者整波长加半波长处。将水听器放置在相长干涉处。相长和相消干涉波束指向性图不同的角度有不同的能量，这就是波束的指向性（directivity）。如果一个发射阵的能量分布在狭窄的角度中，就称该系统指向性高。发射器越多，基阵越长，则波束角越小，指向性就越高。设基阵的长度为D，则波束角为：可以看出，减小波长或者增大基阵的长度都可以提高波束的指向性。但是，基阵的长度不可能无限增大，而波长越小，在水中衰减得越快，所以指向性不可能无限提高。下面以多波束中的直线阵列换能器为例，说明基线阵列的指向性以及声强特征。定义直线阵列的微分单元输出响应为A/L，A为振幅，则微分单元dx的输出响应dv和相位延迟为：直线阵列的输出响应和归一化后的指向性R()为：式中v=Lsin/，为波长，c为声速。曲线阵列的指向性R()的推导与此类似。确定了波束的指向性R()后，便可根据波束的设计宽度，来确定换能器的尺寸。若波束指向性定义为-30dB，则波束宽度bW为：若L2，波束宽度bW和波长设定后，换能器的尺寸L为：换能器基阵的束控将发射和接收信号的能量聚集在主叶瓣，对侧叶瓣和背叶瓣的信号进行抑制，这便是换能器基阵的束控。基阵束控通常采用相位加权和幅度加权两种方法，相位加权是利用基元间距的不同排列来改变基元相位响应，而幅度加权则通过控制基阵中各基元的灵敏度响应实现束控。对于幅度加权而言，只要保证基阵灵敏度分布中间大，两边逐渐减小，就能使侧叶瓣有不同程度的降低。通常采用的方法是对幅度进行三角加权、余弦加权和高斯加权，其中高斯加权是比较理想的加权函数。曲面换能器波束束控示意图波束的形成当线性阵列的方向在0=0时，由于各个方向基元接收到的声信号具有相同的相位，因而输出响应最大。但要在其它方向形成波束，则需要引入时延，确保各基元的输出仍能满足同向叠加要求，获得最大的输出响应。当阵列由N个基元组成时，平面波束从方向入射到波阵面时，声速为C时延时量为：以第N-1个基元为参数基准，则第i个基元相对于第N-1个基元的声程为时延i为：为了控制线性基阵在0方向形成波束，需要引入延时″i=ilsin0/C=i，则总延时i为：当=0时，总延时量为：线性阵列的波束输出响应为：式中i为第i个基元引入的相位延时，Vi为第i个基元的复电压。设0(k)为第k个波束的空间方位角，则第k个波束的输出响应为：则：那么，上式为基元复电压Vi的FFT变化在0(k)方向上形成的第k个波束。波束的发射、接收流程及其工作模式多波束换能器基元的物理结构是压电陶瓷，其作用在于实现声能和电能之间的相互转化。换能器也正是利用这点实现波束的发射和接收。多波束发射的不至一个波束，而是形成一个具有一定扇面开角的多个波束，发射角由发射模式参数决定。多波束的波束发射原理图多波束的波束接收原理图NoStabilisationRollStabilisationRollandPitchStabilisationCourtesyofJHC–OMG/UNBStabilizationforpitchingisobtainedbysteeringthetransmitbeamelectronicallyforwardoraftatthetimeoftransmission,baseduponinputfromthemotionsensor.PitcheffectNopitchstabilizationPitchstabilizationonCourtesyofQPSRoll,PitchandYawStabilisation7．4．3多波束测深数据处理换能器xi发射波束TrizixiRi接收波束中央波束波束脚印多波束波束的几何构成首先，将波束脚印的船体坐标转化到地理坐标系（或当地坐标系）和某一深度基准面下的平面坐标和水深。即波束脚印的归位。船体坐标系原点位于换能器中心，x轴指向航向，z轴垂直向下，y轴指向侧向，与x、z轴构成右手正交坐标系。波束在海底投射点位置的计算需要船位、潮位、船姿、声速剖面、波束到达角和往返程时间等参数。计算过程包括如下四个步骤：姿态改正。船体坐标系下波束投射点位置的计算。波束投射点地理坐标的计算。波束投射点高程的计算。为便于波束投射点船体坐标的计算，现作如下假设：换能器处于一个平均深度，静、动吃水仅对深度有影响，而对平面坐标没有影响。波束的往、返程声线重合。对于高频发射系统，换能器航向变化影响可以忽略。波束脚印船体坐标的计算需要用到三个参量，即垂直参考面下的波束到达角、传播时间和声速剖面。为了得到波束脚印的真实位置，就必须沿着波束的实际传播路线跟踪波束，该过程即为声线跟踪。通过声线跟踪得到波束投射点在船体坐标下坐标的计算过程称为声线弯曲改正。Snell法则：式中，Ci和i分别为层i内声速和入射角。设多波束换能器在船体坐标系下的坐标为(x0,y0,z0)，波束脚印的船体坐标(x，y，z)为：式中，i为波束在层i表层处的入射角，Ci和ti为波束在层i内的声速和传播时间。上式的一级近似式为：式中Tp为波束往返程时间，0为波束初始入射角，C0为表层声速。转化为地理坐标的转化关系为：式中，下脚LLS、G、VFS分别代表波束脚印的地理坐标(或地方坐标)、GPS确定的船体坐标系原点坐标（也为地理坐标系下坐标，是船体坐标系和地理坐标系间的平移参量）和波束脚印在船体坐标系下的坐标；R(h,r,p)为船体坐标系与地理坐标系的旋转关系，航向h、横摇r和纵摇p是三个欧拉角。延迟A延迟B加法器∑A’B’A’AOBB’BBρ+βθO/P入射角为θ的平面波波束的实际指向角或物理指向角是换能器表面的实际声速或真实声速和测量声速的函数。波速生成器根据测量的声速值确定换能器阵列中每个波束的相位延迟，以控制对应的波束指向。显然，表面受风、日等因素使温度和盐度有较大的变化，对波束指向的影响较为严重。tan00aacc声速对多波束声纳系统的影响——表层声速误差引起的指向角误差表层声速误差影响不同声速不同指向角下的指向角误差曲线曲面换能器波束束控示意图直线阵与曲线阵的波束传播区别对于直线换能器基阵，存在波束束控。如果表层声速有误差，则初始的波束出射角存在误差，但仍然满足Snell法则。pccincorincorcorcorsinsin如果底层声速测量正确的话（这是比较容易做到的），则在最后一层的波束角与正确的波束角一致，即计算的声线与正确的声线平行，故波束点的水平位置和水深误差保持为常量，与水深变化无关。当水深增加时，深度误差百分比越来越小，能容易满足IHO的规范要求。而对于曲面换能器基阵，虽然波束未进行电子束控，最初波束角没有误差，但Snell常量发生了变化，使得声线传播时与正确的声线不再平行，故在深水中深度误差百分比随深度的增加而增大，所以说，波束最初出射角没有误差，并不一定是好事。折射误差的表现根据Snell法则，入射角为0，即换能器最底点的声线没有折射，波束归位误差仅表现在水深上，而且水深误差也很小，离最底点越远，入射角越大，声线受折射的影响越大，使得波束归位误差越大，此时误差包括平面位置和水深的综合影响。对于平坦海底，假设换能器为平面阵列，水平安置，则折射的假象与垂直轴对称分布，并相上或向下弯曲，就像微笑和皱眉。高分辨率测深侧扫声纳简称为HRBSSS声纳(HighResolutionBathymetricSidescanSonar)。HRBSSS声纳分辨率高、体积小、重量轻、功耗低以及声纳阵沿载体的长轴安装，特别适用于AUV、HUV、R