第六章-海洋测绘2

,第六章海洋测绘,海洋科学学院海洋信息工程系,沈蔚博士shen,空间测量与制图4209903,（4）测扫声纳,侧扫声纳测量是现阶段扫海测量、应急测量、扫测障碍物的重要手段。它具有分辨率高反映海底地形彻底等单波束、多波束设备所不具备的优点，是目前寻找水下障碍物最有效的方法之一。,测扫声纳原理,侧扫声呐又称“旁视声呐”和“海底地貌仪”，20世纪50年代问世以来，经历了几十年的研究和开发，已从单波束的模拟信号探测，发展成为高效率的数字信号探测。侧扫声呐发射脉冲产生的回波按返回的时间先后顺序逐点纪录，一个发射脉冲获得海底一行图像像点，当测量船匀速向前运动，换能器按与其相匹配的重复频率不间断地发射超声波脉冲，则可获得一行行相互衔接的海底地貌条带状声呐图像（图1）。通过对声呐图像的判读和测量，可以确定海底目标的概略位置和高度。,测扫声纳原理,声呐图像的物理特性主要取决于回波的强弱，回波信号愈强，影像色调愈浅，回波信号愈弱，影像色调愈深。当声波脉冲碰上突起侧扫声呐阴影的生成目标时，因声波无法到达目标的后方而出现阴影(图2)。在图1所示的换能器正下面附近，因声波脉冲从正上方附近射来，反射回波信号强，难以生产阴影而形成被称“watercolumn”的空白。,测扫声纳原理,回波信号的强弱除与声呐本身的功率、波长、侧视角等参数有关外，还与海底目标性质、底质类型和海底地貌起伏有关，如平滑的泥底对声波接近镜面反射，回波信号很弱，影像色调偏强色；粗糙的沙质、砾石或岩石海底，回波信号强，影像色调偏深色。侧扫声呐的几何特征不同于垂直投影和中心投影，其影像为海底地貌的斜距投影，几何变形除受换能器姿态不稳定和船速、脉冲重复频率与影像记录速度相互不匹配所引起的拉伸或压缩变形外，还存在透视收缩、起伏目标顶点位移或叠掩，因此，侧扫声呐难以测定海底目标物的精确位置和高度，但声呐图像上突出目标的阴影影像和沙波起伏，给人眼视觉有明显的立体感。,波束的指向性,侧扫声呐通过控制线性振动阵列各单元的相位，合成其输出产生扇形波束。扇形波束的指向性示意于图3。它有一个主波瓣和多个副波瓣，主波瓣用于测量。侧扫声呐水平波束很窄，一般为0.5-2度；垂直波束较宽，一般为25-55度。,图3侧扫声呐的指向性的概念图,测扫声纳的分辨力,侧扫声呐的距离分辨力一般指与前进方向相垂直的、横向可能区分的两物标的最小距离。如图4所示，距离分辨力可由脉冲宽度所照射的海底面上的距离来判定。若两物标间隔小于脉冲宽度乘以声速，那么就无法区分而被视为同一物标。当然，脉冲宽度越窄距离分辨力越高。纵向（前进方向）分辨力与船速、脉冲发射间隔和水平波束宽度有关。如图5所示，物标离换能器越近，波束宽度越小越可识别。物标离换能器越远，波束照射面积变大，分辨力越低。,测扫声纳的画像分析,初期侧扫声呐的画像，靠打印在记录纸记录。随着电子技术和计算技术的发展，现在侧扫声呐的画像，都采用数字式记录。这使脱机的各种画像处理成为可能。画像分析主要由前处理、几何补正和底质分类组成。将补正后的画像进行拼接在一起可得来到广域画像。从画像中提取特征，可进行底质分类。,图6是散射强度补正例，上方是补正前画像，下方是补正后画像。显而易见，补正后画像比较补正前画像失真小，特别在拖鱼垂直下方附近。前处理除了补正散射强度外，还对海面反射、二次反射以及操作人员设定的增益进行补正。几何补正对拖鱼的横摇、纵摇和偏航等所引起的画像的重叠、回转、位移进行修正，取得良好的几何位置精度，实现画像拼接。,测扫声纳主要用途,20世纪50年代最初发明的侧扫声呐主要用于军事方面，如探测潜艇、海底地形等。20世纪80年代，随着海洋开发事业迅速发展，侧扫声呐用于民事方面才广泛展开。侧扫声呐系统的应用主要有以下几个方面：1.探测海底地形、地貌和沉积物分布；2.搜寻海底沉船和飞机；3.探查海底石油和金属矿产；4.探测鱼群及其相应的栖息地；5.对水下工程设施，输油、输气、输水管道，海底电缆、光缆等进行监视和定位；6.海洋环境监测和保护（如海岸侵蚀监测）。,干涉合成孔径声呐系统,干涉声呐系统又称相干声呐系统，其基本原理为利用多个换能器测量回波的振幅、时间和相位差来对海底各点准确定位。如图12所示，H1,H2为相距b的两个水听器，其倾斜角为，若b小于波长/2，当测量目标的距离远大于水听器间距b时，通过测量两个水听器接收,图6.1.12INSAS目标测量基本原理,信号的相位差就可计算出目标离两个水听器的距离差d，从而求出回波到来的方向。从回波接受时间和回波到来的方向就可计算出目标的位置。,干涉合成孔径声呐系统,干涉声呐系统，快速采集和处理大量的数据，集水深探测技术和成像技术于一体，不仅可以测量水深，而且可以同时给出海底三维立体图、等深线图和声图像。干涉声呐从左右两个换能器轮流发射声波，声波遇海底后反射，连续的发声及反射信号又被换能器接收，由于回波信号经过底换能器与顶换能器的时间不同，回波信号的相位差被记录下来，这种利用相位差测量声波的回波角，以确定海底的点位和深度。干涉声呐具有测量效率高、成图质量优、适合各类船只作业等突出特点：,干涉声纳的精密地形探测实例,干涉法声纳的设置位置,测量原理,ContourchartofKuroshimaknollsurveyedwithSeabBeam2100byJapanMarinScienceTechnologyCenter.Thecontourintervalis5mandthegridssizeis10m.,探测实例,2003年12月，AUV“r2D4”对上图所示的冲绳近海的黑岛海丘进行了调查,AUV探测地形,侧面扫描声纳的探测结果,多波束SeaBeam2100测得的地形,色间隔1m,干涉法声纳的探测结果,测位标准偏差约为20cm,干涉法声纳的探测3D地形,传统的侧扫声纳有两个缺点：首先，它正下方附近的测深精度很差；其次，当有两个或两个以上由不同方向同时到达的回波入射到声纳阵列上时，它不能正常工作。因此只能得到二维的回波声纳图，测深侧扫声纳的作用距离、测量精度不高。随着声学、干涉技术及计算机技术的发展，现在出现了新型测深侧扫声纳，它能够测量出海底的高分辨三维成像，能够测量海底地形地貌的细微构造，可以同时获得等深线图和地貌图的两大类内容，可应用于海洋工程、海洋开发、海上油田区域和海底油管敷设路径的海底地形测量，航道和港湾水下地形测量。配置足够的先进的侧扫声纳测量系统，并整合其它测量手段，是提高应急扫测能力的关键。,侧扫声纳与测深合成的三维成像系统(C3D),侧扫声呐C3D成像系统,美国TeledyneBenthos公司最近购买了加拿大SimonFraser大学研发的多元水听器阵列接受回波信号处理专利技术CAATI(ComputedAngle-of-ArrivalTransientImaging)，成功地制作了一种融合高清晰度侧扫声呐图像和高精度测深数据而生成精确的海床地形、地貌的声呐系统(简称侧扫声呐C3D成像系统)。该系统集侧扫声呐和多波束测深系统优点于一体，既可得到高清晰的图像数据、又可取得高精度的测深数据，而且测量幅度宽探测效率高。,侧扫声纳与多波束测深器比较,侧扫声纳图像效果好测深效果差测量幅宽大,多波束图像效果差测深精度高测量幅宽小,C3D与多波束比较,复盖幅宽取决斜距,复盖幅宽取决水深,原理标准波束形成,Planewaveechoes,Seafloorwithaverticalfeature,Acousticpulse,Transducer,干涉声呐不能求出同时来自多个目标的回波方向，如图所示的海底和垂直壁面的回波方向,原理-CAATI,Seafloorwithaverticalfeature,Acousticpulse,Sonararray,ComputedAngle-of-ArrivalTransientImaging(CAATI),从个接受信号的相位和振幅计算出多个（最多5个）同时到来的回波方向。这使测量图6.1.22、23示同时到来的自海底和直壁的回波方向成为可能,水槽实测,1.25m,1.35m,2.2m,PlanViewofTestTank(1.5mdeep),CornerReflector,C3D,33,4m,4m,s1,s6,Z,Y,X,-3.0,-2.5,-2.0,-1.5,-1.0,-0.5,0.0,0.5,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,0.0,Multibeam,-3.0,-2.5,-2.0,-1.5,-1.0,-0.5,0.0,0.5,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,0.0,C3DCAATI,-3.0,-2.5,-2.0,-1.5,-1.0,-0.5,0.0,0.5,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,0.0,Interferometry,实测结果,SystemSpecifications,频率：200kHz（标准），100kHz300kHz(选项)可测水深：3000m（曳体、标准），6000m(选项)可测距离：400m(标准，200kHz)，200m(300kHz)600m(100kHz)可测范围：海底至传感器距离的10倍分辨率：5cm(標準/200kHz)3.5cm(300kHz)7.5cm(100kHz)波束宽度：1(標準/200kHz)1.5(100kHz)1(300kHz)最小探深：10cm,C3D系统的优势,1.用户可根据需要进行选择舷侧固定、拖鱼及AUV等多种安装方式，通过ADSL高速通信连接器和光缆通讯，可对30006000m海底地形进行探测。(图6.1.27图6.1.28)2.船体航行操作可在110节航速中进行探测，正常操作范围为35节。3.探测视场角大(单侧800可测10倍水深的距离宽度，探测水深点密度高(100m水深处可测2000个水深点)，空间分辨率可达5cm。4.设计的柔性通讯系统和永久连接器可以很方便将水下信息快速传输至水上进行数据快速处理。5.探测系统轻便易携带，拖鱼重量100kg(不锈钢框架和玻璃钢外壳)。6.系统设计一个扩展界面，可以加载光学、压力、磁力和CTD等多种探测器。,声速补正,姿势补正,位置修正,高度补正,网格数据初步生成,声纳输出原始数据,平面插值,曲面插值,曲面平滑,异常数据除去,地形