第二章深度测量.ppt

主要内容 第一章绪论第二章深度测量第三章水温观测第四章盐度测量第五章透明度 水色及海发光观测第六章海冰观测第七章海流观测 水深测量的目的和意义水深测量的要求水深测量的方法及资料订正 一 水深测量的目的和意义 水深测量是为了解海底地形 地貌的分布状况 海底地形地貌分布状况对海面航行的船只避免搁浅 触礁 对海中潜艇的隐蔽 防御 对建造海上建筑物 以及渔业养殖业的经营都是必要的资料 水深 固定地点从海平面至海底的垂直距离 水深又分为现场水深或瞬时水深以及海图水深 现场水深或瞬时水深 现场测得的自海面至海底的垂直距离 海图水深 是从海图深度基准面向下算到海底的水深 理论深度基准面 海图水深的起算面 定在最低低潮面 在第九章还要详细介绍 平均海平面 海平面 sealevel 是海的平均高度 指在某一时刻假设没有潮汐 波浪 海涌或其他扰动因素引起的海面波动 海洋所能保持的水平面 海洋平均高潮面和平均低潮面之间位置处的海面 大地测量学将多年的平均海平面作为 海平面基面 sealeveldatum 也就是陆地高程的基面 水位高度等于观测结果平均值的平静的理想海面 海平面测量其高度系利用人工水尺和验潮仪长期观测而得 它是通过与标准平面的高度比较来确定的 然而由于牵涉到一些复杂且困难的测量 使得精确确定海平面成为一个困难的工作 测量海平面的仪器叫做验潮仪 一般微风所导致的海面的波浪可以通过平均的方法消除掉 潮汐所导致的海平面的升高和跌落也可以通过长时间的观测后取平均值的方法消除掉 海平面的测量总是相对于陆地的测量 因此海平面的变化可以是真正地由于海面的变化导致的 也可以是由于陆地的变化导致的 2009年12月1日 总部设在英国剑桥的南极研究科学委员会发布研究报告称 气候变化可能导致本世纪末海平面最高上升1 4米 这一最新预测是原先估计值的两倍多 海平面高度在相当长的时间内是相对稳定的 可取为高程测量系统的基准面 全球高程基准面尚未统一 中国于1956年规定以青岛验潮站多年平均海平面为全国统一的高程起算面 称为青岛平均海平面或黄海基准面 中国地图上所用的海拔高度 就是从这个海平面向上起算的 海平面按观测时间长短不同 可分为日平均海平面 月平均海平面 年平均海平面和多年平均海平面等等 海平面是一个变化的量 日平均海平面不但随天气状况而变 而且具有季节 半年 一年和多年周期的变化 月平均海平面在一年中的最大变幅 即最高值和最低值之差 称为年较差 渤海月平均海平面的年较差为60 70厘米 黄海为35 50厘米 东海为30 35厘米 南海为20 40厘米 孟加拉湾恒河口的月平均海平面年较差可达170厘米 夏威夷则仅为8厘米 年平均海平面的差异 可达10厘米左右 影响平均海平面的因子主要为气候和天体运动的长周期变化以及区域海洋水文和气候条件的作用 海洋调查中的水深测量是配合其它海洋要素观测的 又作为这些要素测量的基础 观测得到的水深是瞬时水深 观测船到站后 首先确定测站水深 由它来确定海洋要素的观测层次 然后再进行海洋要素观测 要有动态观念 空间位置 空间坐标 此外平均海平面的确定也需要通过水深测量获得 即水深测量本身也是海洋要素测量中的一项重要项目 二 水深测量的要求 时间 连续站每小时测一次 大面或断面调查在船到站后就测量 准确度 测量准确度为 浅于100m 记录取一位小数 深于100m 记录取整数 测量仪器 回声探测仪 钢丝绳探测仪 回声探测 方便 快捷 准确度高 误差增大 三 水深测量的方法 1钢丝绳测深 用水文绞车上系有重锤的钢丝绳测量水深 其基本组成为 绞车 用于放收钢丝重锤 用于维持钢丝的垂直下沉绳索计数器 用于计量放出或收回的钢丝绳长度倾角器 用于测量钢丝绳倾角钢丝绳 用于测水深 1钢丝绳测深 1 测出水面以上绳长 2 测出重锤到海底时的总绳长 3 两长度相减 得海水深度 重锤选择 根据海流大小 钢丝绳倾角大于30度应加大重锤 具体步骤 用计数器记录水面以上绳长 重锤触海底并拉直钢丝绳 记录此时绳长 收回钢丝绳 校正和订正 钢丝绳倾角大于10度时 应实行倾斜订正计数器有机械误差和磨损误差 应在使用前作标定 计数器器差校正 calibration 比较计数器读数和实际绳长校正方法 将钢丝绳通过计数器 自绞车上放出来 当钢丝绳的起端通过计数器时 将指针拨到 0 处 到放出一定数量 取100米至200米长度 后 用卷尺量取经过计数器的钢丝绳实际长度 校正系数a 放出的钢丝绳的实际长度 计数器的示数 计数器的校正值 的正负符号由 决定 实际钢丝绳长度 计数器所示长度 校正值 钢丝绳倾斜校正 钢丝绳受海流影响 发生倾斜时 钢丝绳的长度比实际的深度大 因此要进行倾角订正 校正公式 经计算器差校正后的钢丝绳放的实际长度 计数器滑轮到海面的高度 用倾角器测出绳的倾角 则重锤所达深度为 倾角 前提条件 钢丝绳以直线形式斜放入海中 上下流速流向一致 水摩擦阻力可忽略 钢丝绳倾斜校正 对实际倾斜较大的情况 然后用公式 水上钢丝绳实际长度 水上钢丝绳长度 校正值 水上部分校正 根据 算得实际深度 和 查26页表2 1 得出校正值m 水下部分校正 根据z和 查27页表2 2或表2 3 得出校正值k 做简单查表练习 钢丝绳倾斜校正 不稳定性大 修正值就大 注意事项 2回声测深仪测深 发展 回声测深仪 echo sounder 利用声波反射原理测量水深的仪器 使用20千赫以上超声波频率的仪器称为超声波测深仪 1917年法国物理学家发明了回声测深仪 1918年已可接收水下1500米处的回波信号 以后 回声测深技术不断发展 为提高发射功率 改善方向性 回声测深仪的发射器从单个发展到多个 为扩大探测面积 从单波束发展为多波束 并应用了计算机和数字显示技术 提高了精确度 扩大了使用范围 因为回声测深仪可以在船只航行时快速而准确地获得水深的连续数据 已成为水深测量的主要仪器 原理 声波在海水中以一定的速度 平均声速1500m s 直线传播 并能由海底反射回来 根据声波往返时间 t 及其所在测区水域中的传播速度 v 求得发射器至反射目标的直线距离 即测得水深 h 声波测深示意图 已知速度 记录时间 就可算出距离 应用方法 发射器发射以v 1500米 秒传播的超声波 并接受从海底反射到船底的回波 记下所用的时间 t 再根据公式计算 h 船的吃水深度 h 真实水深 速度快 考虑声波是直线返回 所以传播路径除2 可测整个航线上的深度 地形分布轮廓和固定站位的潮汐 典型海洋声速剖面图 深部等温层 永久性温跃层 季节性温跃层 表面层 影响声速的三个关键因素 1 盐度变1ppt 声速约变1 3m s2 温度变1 c 声速约变3m s3 压力 165米深度变化的影响相当于温度变1 c 水中声速表 声波在水中的传播 水体及其边界形成了极其复杂的声音传播媒介 信号的衰减 干扰和来自边界及水体中的一些成分的相互作用会造成声源的延迟 畸变 减弱和丢失 声波在水体中传播时 其强度随传播距离的增加而减弱的现象称为衰减 按其原因可将衰减分为三类 扩散衰减 吸收衰减和散射衰减 1 扩散衰减扩散衰减指声波传播中因波阵面得面积扩大导致的声强减弱的现象 由于测深仪的声源辐射为球面波 故其声强是随传播距离的平方而减少的 一般情况下传播的距离每增加一倍 则声强损失6db 测深仪接收到声波其传播距离实际上是水深的两倍 衰减很大 通常测深仪都设有时变增益 timevariedgain简称tvg 电路来补偿信号的扩散衰减 tvg放大器对回波信号的增益随传播时间的增加而增加 2 吸收衰减声波的吸收衰减来自两方面 水体和海底 水体的吸收衰减主要原因是水分子粘滞性和热传导性 分子方面 吸收主要与频率有关 例如 在高频500khz时 水体的吸收衰减为0 14db m 而频率降低到50hz时 衰减只有0 014db m 当选择换能器时 主要应满足指定深度标准 3 散射衰减声波在水体中传播时 因碰到另外一种媒介组成的障碍 如泥沙 气泡 微生物 以及温变曾等 而向不同方向产生散射 或称乱反射 从而导致声波减弱的现象 统称为散射衰减 散射衰减也很复杂 它既与水体的性质 状况有关 又与障碍物的性质 形状 尺寸及数目有关 一般来说 泥沙的散射系数 在半径一定时与频率的4次方成正比 而在频率一定时 与半径的6次方成正比 所以一般测深仪都设有门限电路 gate 通过调整门限 将非水底造成的回波拒之门外 在设计和选择测深仪时 除采取电路措施外 也选择合适的频率 一般对于深水 浑水 软底水域测深 应选用低频 低于50khz 大功率换能器 但频率越低 精度越低 其换能器体积也越大 波束角开角也越大 更笨重 造价也越高 同样 较浅的清水硬底水域测深 可选用高频 200khz 换能器 测深仪的种类 型号很多 常见的有记录式 数字式的测深仪 除此之外 还有双频测深仪 大面积扫描测深仪 多波束测深仪 由于微电子技术的飞跃发展 以微机处理为中心的控制技术 数据处理技术 也已应用到测深仪技术之中 测深仪的分类 测深仪的分类 1 按显示方式分类 1 记录式 单笔记录式 多笔记录式 2 闪光显示式 早期产品巳淘汰 3 数字显示式 发光两极管显示 液晶显示 数码管显示 4 显示器显示式 黑自显示 彩色显示 5 数据打印式及组合式2 按测深范围分类 1 浅水测深仪 水深在100米以内 2 中水深测深仪 水深在100米 400米内 3 深水测深仪 水深大于400米3 按用途分类 1 航道测量测深仪 2 助航测深仪 3 工程测深仪 4 军用测深仪 回声测深仪组成 激发器在终端显示装置的控制下 周期性地产生超声频脉冲 通过换能器转换成有指向性的超声波脉冲向水底射 声脉冲经水介质传播到水底 一部分能量从水底反射回到换能器 经换能器转换成电信号送至接收机 再经放大器将信号加以放大 变换 供终端显示 终端显示装置的功能是一方面控制发射机周期性地产生振荡脉冲 另一方面将接收回波信号相对于发射脉冲的延时时间 自动转换成深度数据 声波在水中的传播速度随水的温度 盐度和压力而变化 常温时 淡水中的声速为1450米 秒 海水中声速的典型值为1500米 秒 如测得声波在水中往返的时间为三秒 则在海水中的深度为2250米 在淡水中的深度为2175米 在实测前要对仪器进行标定 计算时作必要的修正 应用方法 测深仪的安装 换能器的安装要求1换能器应安装在船底振动最小 在航行时不形成涡流和空气泡之处 并应尽量远离船体产生干扰的机械设备和产生电干扰的电器设备 安装位置的周围 不应有突出物并要远离排水或进水口 2换能器应安装在船体线型倾斜最小之处 使换能器的工作面与船体外壳在同一平面上 如果安装在船体曲度较大之处 应加装导流板 以保证航行时换能器周围的水流均匀 3发射换能器与接收换能器应安装在同一水平面 两换能器的工作面的船舶不倾斜时 应平行于水平面 对水平面的倾斜角不得大于 3 4 换能器的安装不应影响船体的结构强度和水密性能 必要时应采用加强板或水密隔层 并应进行水密试验 5 在油船上安装换能器时 应有专门的气密舱室或围井 其他船舶也应尽可能设置专门的舱室或围井 这些舱室或围井应设有人孔和留有足够的位置 以便进行安装与维修 6 换能器的水密舱如设在燃油或货油舱附近 舱室入口的紧固装置的结构 应不产生火花 换能器与收发器的连接电缆应敷设在连续的气密钢管内 7 换能器的工作面不得涂油漆或沾油污 不允许存在遭受机械冲击或机械摩擦的损伤 船侧安装图 船底安装图解 多通道测深仪安装图解 多通道换能器安装图解 操作注意事项 1 严禁用手抓电缆提起换能器 一旦电缆损坏 整个换能器将报废 2 触摸屏的操作要使用不带指甲的手指进行触摸 谨防刮伤触摸屏造成阻值异常导致无法正常操作 3 请勿用u盘拷贝无关软件游戏入微机中 以免带入病毒造成系统崩溃 从而造成不应有的损失 4 系列产品请轻拿轻放 hd 360便携式测深仪 hd 310 hd 370 hd 380测深仪 3激光声海水深度遥感探测 激光声遥感是利用激光在水中产生声波并在空中接收被水下目标反射或散射的声波来感知水下目标的技术 它是激光技术与声学 电子学相结合发展起来的新的边缘科学 脉冲红外激光辐射与自由水表面相互作用可以在水中产生声波 这一声波在水中向四面八方传播 当遇到海底 礁石或水中其它目标时 由于反射或散射 声波的部分能量将折向水面 只要声波能量足够强 水下目标反射或散射的声波就能穿过水和空气界面 在空气中继续传播并到达到置于空中的声接收器被接收 类型 激光 声 声遥感技术 激光 声 激光遥感技术 这两类技术在水中都是利用声波 因为在远距离传输方面还没有发现别的物理场在水中比声波更好 而在空中 光比声波具有更大的优越性 因此 采用光接受方式 激光 声 激光 的激光声遥感会有更大的技术优势和应用前景 类型 激光致声原理 大能量红外脉冲激光打在水面上与水相互作用是在水中产生声的新方法 由于激光器不与水接触 可以机载 奠定了机载激光声遥感的基础 根据激光脉冲能量大小和相互作用区内能量密度及时空分布 可以把激光辐射与水相互作用产生声的机制归纳为热膨胀 汽化和介电击穿 在热膨胀过程中 由水的不均匀加热所引起的热弹性压力产生了声波脉冲 这个过程水的物理性质没有发生重大改变 如果吸收的能量超过了表面层加热到沸点温度所需要的热量 声的激发机制将加入汽化 汽化引起的水沸腾和水蒸汽的膨胀爆裂 形成水的表面喷出 水中声脉冲就是对水表面喷出的反作用 在汽化中 水改变了它的状态 激光致声原理 在更高的激光能量