第7章-水深测量及水下地形测量PPT课件

1、现代海洋测绘、条件号、2、7章水深测量和海底地形测量soundingunderwatertopologhicsurvey、条件号、本章内容、回声测深原理多束测深系统高分辨率测深侧扫描声纳基于水下机器人的水下地形测量机载激光测深(，4，海底地形测量是测量海底起伏形态和图片的工作。海洋陆地地形测量。测量区域可分为沿海、大陆架和海洋三种海底地形。其特点是测量内容多，精度高，显示内容详细。水深测量经历了以下发展阶段。绳锤测量(点测量)单频单梁测深(点测量)双频单梁测深(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和测深手段的持续完成密切相关。7.1概述，5，设置在单频率单光束测深(点测量)测量线下的发射器转换器，将特定频率的声波脉冲垂直发射到水中，通过水下传播、反射或散射返回到声速c，由接收器转换器接收。如果将经过时间设定为t，转换器草稿深度d，则转换器曲面到底部的距离(水深)h为：7.2回显测深原理，6、回声测深器由发射机、接收机、发射转换器、接收转换器、显示设备和电源部分组成。回声测深器配置图，公里和1000米测深器，7，为了获得实际的准确水深，应用于回声测深仪测量深度数据的校正数称为回声测深仪的总校正数。回声测深仪的总校正方法主要是水文数据方法和校正方法。前者适用于水深20米以上的水深测量，后者适用于低于20米的水深测量。水文资料修正包括草稿修正Hb、速度修正Hn和声速修正Hc。草稿修正：从水面到转换器底部的垂直距离称为转换器草稿修正数Hb。如果h是从水面到地面的深度；对于HS转换器底部到底部的深度，Hb表示，8，发生速度修正Hb，因为测深器的实际速度ns与设计速度n0不相等。速度修正数Hn为：声速修正Hc是由于声速Cm与实际声速C0不相等而产生的测深错误。总之，测深器的总修正数H对：其中声速修正数Hc对总修正数H的影响最大。9，校正方法采用水tuo、检查板、水听器等从水面测量的准确深度与测音系统的当前深度进行比较，求出该深度的回声测音系统的校正总数H。回声测深器根据频率分为单频测深器和双频测深器。双频单梁测深(点测量)转换器垂直向水中发射低频声脉冲，低频声脉冲由于低频声脉冲强渗透性，可以通过坚硬的层；高频声脉冲只能撞击沉淀物的表面，两个脉冲获得的深度的差异是淤泥厚度 h。10，4束测深仪主要由4个接收、发射器、同步控制器和图形记录器编织而成。四个转换器以舷舱和悬臂的方式安装在船上。目前我国各单位使用的4梁扫频测深仪的主要类型是日本产ms-10、PS-20r和PS-600。7.3 4梁测深机，11、多波束测深系统是由单梁测深系统开发的，一次可以在垂直于航道的平面上提供数十或数百个深度。它通过沿航道在一定宽度内精确快速测量水下目标的大小、形状、最高点和最低点，更可靠地描述了水下地形的细微特征，实现了实际意义上海底地形的面测量。多波束测深系统与单光束回波测深器相比具有测量范围、速度、精度和效率、记录数字化和实时自动绘制等优点。7.4多波束测深系统，12，多波束系统是由多个子系统组成的集成系统。对于不同的多波束系统，单元不同，但大体上可以将系统分为多波束声学系统(MBES)、多波束数据采集系统(MCS)、数据处理系统和周围的辅助传感器。其中，转换器是负责发送和接收光束的多光束声系统。多波束数据采集系统完成波束形成，将接收的声音信号转换为数字信号，以测量距离或记录往返时间。外围设备主要包括位置传感器(如GPS)、姿态传感器(如姿态测量仪)、声速剖面仪(CDT)和电气指南针，主要包括船的瞬时位置、姿态、航向测量和在海水中的声速传播特性测量。数据处理系统由工作站代表，综合声波测量、定位、船舶姿态、声速剖面和潮汐位置等信息，计算梁足迹的坐标和深度，绘制用于海底调查和调查的海底平面或三维图。多波束系统配置、13，外围辅助传感器，多波束声学系统MBES，结果输出系统(外围系统)，外部监控和显示系统，数据存储和处理，14，15，光束发射、接收过程和操作模式，多波束转换器原语的物理结构是压电陶瓷，允许声和功率之间的相互转换。转换器还使用此功能发送和接收光束。多波束创建多个具有特定风扇面开口的光束，而不是一个光束，发射角度由发射模式参数确定。多波束的光束发射结构图，16，多波束的光束接收结构图，17，7.4.3多波束测深数据处理，多波束的几何构成，首先将光束足迹的船体坐标转换为地理坐标系(或局部坐标系)和特定深度基准下的平面坐标和水深。梁足迹的返回。船体坐标系原点位于转换器中心，x轴指向路线，z轴指向垂直向下，y轴指向侧面，构成x、z轴和右侧正交坐标系。18，海底光束投影点位置的计算需要船舶位置、潮汐位置、船位、声速剖面、光束到达角度和往返时间等参数。计算过程包括修改姿势的四个步骤。船体坐标系中梁投影点位置的计算。梁投影点的地理坐标计算。梁投影点高程计算。为了便于计算光束投影点船体坐标，假设转换器位于平均深度，静态和手动草稿仅影响深度，而不影响平面坐标。光束的方向，回音线匹配。对于高频发射系统，可以忽略转换器航向变化的影响。19，计算梁足迹船体坐标需要三个参数：垂直参考平面下的梁到达角度、传播时间和声速轮廓。为了获得梁足迹的实际位置，必须沿着梁的实际传播路径跟踪梁。此过程是声音跟踪。从船体坐标中得到光束投影点的坐标的计算过程称为阴极射线追踪。Snell定律：在表达式中，Ci和I分别是第I层的声速和入射角。在船体坐标系中，多梁转换器的坐标为(x0，y0，z0)，梁足迹的船体坐标(x，y，z)为：style，I是梁在层I曲面上的入射角，Ci和ti是梁在层I内的声速和传播时间。20，自下而上的一次近似：在表达式中，Tp是梁往返时间，0是梁初始入射角，C0是曲面声速。转换为地理坐标的转换关系包括：在中，底部LLS、g和VFS分别表示梁足迹的地理坐标(或局部坐标)、GPS确定的船体坐标系原点坐标(也是地理坐标系下的坐标，是船体坐标系和地理坐标系之间的变换参数)和梁足迹的船体坐标系下的坐标。R(h，r，p)是船体坐标系和地理坐标系之间的旋转关系，标题h、滚动r和俯仰p是三个Euler角度。21，高分辨率测深侧扫描声纳简称HRBSSS声纳。HRBSSS声纳分辨率、小型、轻量、低功耗和声纳阵列特别适合于从AUV、HUV、ROV、拖动主体和船在更接近海底的高度航行，以获得高分辨率地形图。声纳阵列包括左舷和右舷两个声纳阵列，自行开发的声纳软件包括水上数字信号处理软件、水上服务器软件、声纳驱动软件和水下控制软件、用于调试测试的终端调试测试软件、终端调试测试软件和声纳模拟软件。7.5高分辨率测深侧扫描声纳，22，介绍软件功能：水上数字信号处理软件的主要功能是完成声纳A/D采样数据处理。声纳驱动软件的主要功能是提供与水上服务器软件、水上终端调试和测试软件的接口，提供与水下主程序的接口，发送控制命令，接收水下控制计算机上传的数据，提供与水上数字信号处理程序的接口，控制数字信号处理软件的运行。水上服务器软件的主要功能是提供声纳驱动软件和图形用户界面软件的界面，将用户请求的工作转换成声纳工作命令和工作参数，发送到声纳驱动软件，接收数字信号处理的结果数据，然后发送到图形用户界面软件。23，用户图形界面软件的主要功能是数字信号处理结果数据的实时修改和图形化。提供与获奖服务器的接口，发送声纳操作命令，接收获奖数字信号处理软件处理的结果数据，以及与输入/输出设备、传感器设备和存储设备连接的接口。后处理软件的主要功能是对一次调查的数据进行精密的后处理，制作拼图，获得最终的等极线和地形图。水下承载软件的主要功能是控制水下电子分机的运行。水上终端调试和测试软件的主要功能是完成声纳的调试和测试。声纳仿真软件的主要功能是在不连接声纳硬件设备的情况下完成声纳外部接口的仿真。24、高分辨率测深侧扫描声纳可用于水下目标检测，分辨率高，测深精度高。使用HRBSSS测量数据计算梁在海底投影点的地理坐标的过程与多波束的数据处理过程近似。通过这个处理，可以得到密集海底点的三维坐标。您可以使用这些点的坐标绘制海底等深线或构造海底DEM。HRBSSS测量的三维等深度折线图，25，现在的水下DGPS技术，水下地形测量的水下自主机器人(AUV)或远程控制水下机器人(ROV)，集成多水下机器人可以接近目标，利用其负载的测量设备，获得高质量的水下图形和图像数据。目前使用的潜水器是配备水声定位系统的自动检测器，最先进。7.6基于水下机器人的水下地形调查。26、早期载人潜艇和法国Nautile载人潜艇，水下地形测量工作一般与使用水面舰船的测量方法基本相同。但是在水中测量时，要测量潜水器本身的沉没深度。因此，一般应使用液体静态深度测量仪和向上方向的反向测深仪。27，一些技术进步的国家在潜水器上安装了水下三维相机。与潜水器一起移动的这种水下立体摄影技术在一定程度上与航空摄影地形测量工作。机器人进行深度潜水，接近水底时，通过水下照片获取水下目标的图像。根据水的透明度和照明情况，海底高度等设定了仪器的极限，水下立体摄影法效率低，难度大。水下摄影测量，28，进行海底地形测量最有希望的方法还是使用高分辨率的音响系统。音响系统由超声波发射器、水声接收器、电视显示器组成。在潜艇探测器上安装多波束、高精度测深侧扫描声纳等声纳系统，也可以使用6000米水下自主机器人AUV系统中安装的测深侧扫描声纳、浅地层剖面等设备进行海底地形调查。水下电视相机系统、水下数码相机系统是获取当前水下环境清晰图像的主要方法，在小海测量中放置水下数码相机系统，帮助判断障碍物特性，提高扫描能力。29，机载LIDAR是将当今三种先进技术相结合的空间测量系统，分为用于获取地面数字高程模型(DEM)的地形LIDAR系统和用于获取水下DEM的经验证的水道测量LIDAR系统，这两种系统的共同特点是使用激光进行检测和测量，即LightDetectionAndRangingLIDAR是结合了全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术的激光系统，用于获取数据和生成准确的DEM。机载lidar是一种经济高效地获取空间数据的方法。其优点是快速访问大面积、海岸礁海域、无法访问的地区、植被下、地面和非地面数据。缺点是对水质的要求很高。7.7机载激光测深，30，激光测深的原理类似于双频回波测深的原理。从飞机到海上的两个波段的激光发射为红色，波长为1064nm，波长为523nm。红光被海水反射，蓝光被海水透射，到达海底后反射。这样，两束光接收的时间差是激光从海面扩散到海底的时间的两倍，因此可以知道从海面到海底的深度。激光测深的公式为：格式：g是光速；n是海水折射率。接收的红外线和绿光的时间差。LIADR测量原理，31，不同机载激光测深系统发射的红外激光和绿光的波长略有不同。机载激光测深系统的最大检测深度理论上可以表示为：p 是定义为p=pl AE/ H2的系统参数。PB表示背景噪声功率(w)；海水的有效衰减系数。机载激光测深系统目前的测深能力一般约为50米，测深精度约为0.3米。激光测深系统一般由测深系统(DSSS)、导航系统(NSS)、数据处理分析系统(dps)、控制-监视系统(CNSS)、地面处理系统(GPSS)、飞机和维护设备六部分组成。32，应用：机载激光测深具有速度快、复盖范围高、灵活性强等优点，可用于现有航道测量。机载激光测深具有快速进行大规模测量的优点，被海洋大国广泛用于海岸大陆架海底地形测量。除了现有的海底地形测量外，机载激光测深应用范围更高，可以提高探测航海障碍物的探测率。与此同时，机载激光测深还可以提高发现潜艇等水下移动目标的概率。对于没有深度的信息的着陆地，机载激光测深能迅速安全地获取信息，提高了快速反应部队的作战能力。机载激光还用于测量海域的混浊度，测量温度，盐分。在海洋工程中，机载激光测深可以测量港口的沉积等。33、为了反映海底地形的波动，为了能够在海域内收集足够的海底地形测量数据，必须考虑到发现海底特殊目标的能力和测量设备载体的移动性、测量效率、成本、安全等因素，在测量海底地形之前，设计和部署测量线。测量线是测量仪器及其载体的检测路径，分为计划测量线和实际测量线。海底地形测量线通常放置为直线。海上侧线也称为测深线。测深分为两大类：主测深定线和检测线。决定线放置的主要考量是线间距和线方向。，7.8侧线布局，34、测深线间距、测深线间距主要取决于对测深海域的需求、海域水深、沉积物、地形的波动条件、