第六章-海洋测绘(2)

1、2021/3/10讲解：XX1 海洋科学学院海洋信息工程系海洋科学学院海洋信息工程系 1337193514313371935143 空间测量与制图空间测量与制图 4209903 2021/3/10讲解：XX2 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。 2021/3/10讲解：XX3 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

2、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。 2021/3/10讲解：XX4 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“w

3、ater column”的空白。 2021/3/10讲解：XX5 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

4、和沙波起伏， 给人眼视觉有明显的立体感。 2021/3/10讲解：XX6 侧扫声呐通过控制线性振动阵列各单元的相位，合成其输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出产生扇形波束。扇形波束的指向性示意于图3。它有一。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，一般为波束很窄，一般为0.5-2度；垂直波束较宽，一般为度；垂直波束较宽，一般为25-55 度。度。 图3 侧扫声呐的指向性的概念图 2021/3/10讲解：XX7 侧扫声呐的距离分辨力一般指与前进方向相垂直 的

5、、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。 2021/3/10讲解：XX8 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

6、 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。 l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。 l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。 2021/3/10讲解：XX9 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

7、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；探测海底地形、地貌和沉积物分布； 2.搜寻海底沉船和飞机；搜寻海底沉船和飞机； 3.探查海底石油和金属矿产；探查海底石油和金属矿产； 4.探测鱼群及其相应的栖息地；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，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；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）。海洋环境监测和保护（如海岸侵蚀监测）。 2021/3/10讲解：XX10 干涉声呐系统又称相干声 呐系统，其基

8、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6.1.12 INSAS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。 2021/3/10讲解：XX11 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

9、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： 2021/3/10讲解：XX12 干涉法声纳的设置位置 2021/3/10讲解：XX13 Side Scan Sonar System2000 L-array IFSs three hydrophones Side Scan Sonar System2000 L-array IFSs three hydrophon

10、es 2021/3/10讲解：XX14 Contour chart of Kuroshima knoll surveyed with SeabBeam2100 by Japan Marin Science Technology Center. The contour interval is 5m and the grids size is 10m. 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 2021/3/10讲解：XX15 2021/3/10讲解：XX16 侧面扫描声纳的探测结果 2021/3/10讲解：XX17 多波束SeaBeam2100测得的地形

11、 2021/3/10讲解：XX18 干涉法声纳的探测结果 500m Directio n of AUV 640 m 650 m 660m 660m 650 m 670 m 670 m 测位标准偏差约为测位标准偏差约为20cm20cm 2021/3/10讲解：XX19 干涉法声纳的探测3D地形 2021/3/10讲解：XX20 传统的侧扫声纳有两个缺点： l首先，它正下方附近的测深精度很差； l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

12、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。 2021/3/10讲解：XX21 侧扫声纳与测深合成的三维成像侧扫声纳与测深合成的三维成像 系统系统(C3D) 2021/3/10讲解：XX22 侧扫声呐侧扫声呐C3D成像系统成像系统 美国Teledyne Benthos公司最近购买了加拿大 Simon Fraser大学研发

13、的多元水听器阵列接受回 波信号处理专利技术CAATI(Computed Angle-of- Arrival Transient Imaging)，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)。该系统集侧扫声呐侧扫声呐和多波束测多波束测 深深系统优点于一体，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 。 2021/3/10讲解：XX23 侧扫声纳与多波束测深器比较 侧扫侧扫声声纳纳 n图像效果好图像效果好 n测深效果差测深效果差 n测量幅宽大测量幅宽大 多波束多波束 n图像效

14、果差图像效果差 n测深精度高测深精度高 n测量幅宽小测量幅宽小 2021/3/10讲解：XX24 C3D与多波束比较 复盖幅宽取决斜距复盖幅宽取决水深 2021/3/10讲解：XX25 原理 标准波束形成 Plane wave echoes Seafloor with a vertical feature Acoustic pulse Z X Y 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 2021/3/10讲解：XX26 原理 - CAATI Seafloor with a vertical feature Acoustic pul

15、se Sonar array Z X Y Computed Angle-of-Arrival Transient Imaging (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 2021/3/10讲解：XX27 水槽实测 1.25m 1.35m 2.2m Plan View of Test Tank (1.5m deep Corner Reflector C3D 33 4m 4m s1 s6 Z Y X 2021/3/10讲解：XX28 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0

16、-0.5 0.0 0.5 0.51.01.52.02.53.03.50.0 Multibeam -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 0.5 1.01.52.02.53.03.50.0 C3D CAATI -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 0.51.01.52.02.5 3.03.50.0 Interferometry 实测结果 2021/3/10讲解：XX29 System Specifications 2021/3/10讲解：XX30 C3D系统的优势系统的优势 1.用户可根据需要进行选择舷侧固定、拖鱼及AUV

17、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。 2021/3/10

18、讲解：XX31 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 数 据 生 成 补助线作成 水 温 盐 分 水 压 姿 势 传 感 器 潮 高 吃 水 补 正 网格数据（网格数据（DEM）生成处理）生成处理 编辑功能 改变网格间隔 剪辑 填值、改值 合并 传 感 器 偏 移 量 2021/3/10讲解：XX32 2021/3/10讲解：XX33 C3D的应用领域的应用领域 水道通航研究 水道测量与海底地貌制图 工程与科学研究 水下目标物探测 电缆、光缆及海底管线探查 过江及跨海大桥水下建筑物安全探测 海底矿产分布状况探测 渔群生物