海底探测技术-第5章-单波束测深系统

海底探测技术海底声学探测技术第一章绪论第二章定位导航技术第三章声波探测的基本原理第四章声学海底探测设备的组成及分类第五章单波束测深设备的组成及工作程序第一节水深的含义一、专业的深度概念1、水深应用意义水深是地球表面特征的重要因素之一，是国民经济发展和管理规划最基础的数据，是海洋研究工作最重要的基础之一。2、日常生活中的水深概念特点：时间的瞬时性；沟通对象的有限性。3、专业的水深概念全世界应用人士都明白——标准性对水面进行了标准性限定——深度基准面深度基准面：水深的起算面。有理论依据和实用价值的，由相关部门颁布，水底深度基准面水深可能的水面二、常用水深测量基准面的种类1、平均海平面一段时间里平均的海面位置，为水深0m的基面——深度基准面?海的容量不变海水的总量不变前提海面是变化的吗？海洋的潮汐

潮汐引起的海面周期性变化，这种周期性变化值，在大量级上是稳定的，但在数值上还是受天体运动的影响。风的作用海面风海的容量不变海水的总量不变前提海面受潮汐、风的作用，年、月、日均是变化的，且每年、每月、每日的平均值都有差异。二、常用水深测量基准面的种类平均海平面一段时间里平均的海面位置，为水深0m的基面——深度基准面必要性可以是一个季节，也可以是很多年，也可以不连续的时间段的，例如:海岸线的定义。平均海平面有何具体地球物理意义？大地水准面(Geoid)是与平均海水面相合的特殊重力等位面。此面可被想象成延伸至陆地且在任何地方皆与重力线方向垂直。特点：由于地壳质量分布的不均匀，引起重力方向的变化，导致处处和重力方向成正交的大地水准面成为一个不规则的、高低起伏的曲面。该曲面无法用数学公式表达。在不同地区，平均海平面存在重力值不相等的情况，需确认统一的标准——国家标准。二、常用水深测量基准面的种类平均海平面一段时间里平均的海面位置，为水深0m的基面——深度基准面对国家而言，这段时间越长越好！新中国成立后的1956年，我国根据基本验潮站应具备的条件，认为青岛验潮站位置适中，地处我国海岸线的中部，而且青岛验潮站所在港口是有代表性的规律性半日潮港，又避开了江河入海口，外海海面开阔，无密集岛屿和浅滩，海底平坦，水深在l0m以上等有利条件，因此，在1957年确定青岛验潮站为我国基本验潮站，验潮井建在地质结构稳定的花岗石基岩上，以该站1950年至1956年7年间的潮汐资料推求的平均海水面作为我国的高程基准面。以此高程基准面作为我国统一起算面的高程系统名谓——1956年黄海高程系统国家颁布的高程基准新的国家高程基准面是根据青岛验潮站1952～1979年19年间的验潮资料计算确定，根据这个高程基准面作为全国高程的统一起算面，称为“1985国家高程基准”。国家颁布的高程基准从一个点获得了多年的平均海平面作为了国家高程如何将其引导到全国呢？青岛有了国家高程，全国其他地方就以该点的重力值所在的面为大地水准面统一为高程基准面以青岛该点0米所在的重力等位面作为大地水准面为各地高程基准面（零米面）。中国国土面积大，各地区也有差异各地方往往平均海平面与国家高程基准面有较大差异，不利于实际应用——地方高程基准与国家高程基准有明确的换算关系平均海平面一段时间里平均的海面位置，为水深0m的基面——深度基准面必要性对国家而言，这段时间越长越好！要注重实用性！！！实例分析和平均海平面？具体到工程需求：需要考虑多个不同条件下的平均海平面问题海的容量不变海水的总量不变前提会怎样？2、理论深度基准面航海的需要，多用于海图的基准面。当地理论最低潮面三、深度基准面的应用1、平均海平面国家高程基准国家高程基准，主要应用于陆地高程，作为高程起算点。例如：海拔？？m其次应用于近岸水深地形测量（往往20km以内），作为深度基准面。优点是：陆地——近岸，测绘基面统一，测绘图中。地形相对高差与真实地形一致。缺点是：实际水深受潮汐、风浪等因素的影响，图示水深仅能作为航船参考使用。其他海平面平均基面靠船桩一层(平均)高水位(平均)高水位大浪高度(平均)低水位平均高潮面高度防海大坝的设计2、理论深度基准面优点：可航海使用缺点：不能真实地反映地形高差；海底的相对高差是这样的吗？无法与陆地地形衔接第二节单波束测深设备及水深获得1、定义同时只能获得1个水底水深数据的声学测量设备。2、测深数据获得记录仪振幅炮点位置时间h=（T×V）/2吃水深度——换能器入水深度（h1）测量时水深（H）=h+h1T沿航向的炮点时间直达波强振幅海底反射波炮点位置（经度、纬度）TV(×)/2=h深度（m）吃水深度h10炮点平面位置测量时水深2、测深数据获得记录仪振幅炮点位置时间h=（T×V）/2吃水深度——换能器入水深度（h1）测量时水深（H）=h+h1T3、设备的基本构成记录仪震源和接收（测深仪换能器）4、测深记录的内容及水深实测关键因素控制沿航向的炮点时间直达波强振幅海底反射波炮点位置（经度、纬度）TV(×)/2=h深度（m）吃水深度h10图谱内容实测水深获得直达波吃水深度海面（0米线）深度m海底测量船航行方向t炮点振幅V深度m位置：经纬度或平面坐标直达波吃水深度海面（0米线）深度m海底测量船航行方向t炮点振幅V深度m炮点读取海底发射处的水深得到实测时的水深值关键因素控制水体声速1971年，H.W.弗赖伊和J.D.皮尤发表了更精确而简单的声速经验公式：

c＝1449.30+ΔcT+ΔcS+Δcp+ΔcS,p,T

式中ΔcT＝4.587T-5.356×10-2T2+2.604×10-4T3

ΔcS＝1.19(S-35)+9.6×10-2(S-35)3

Δcp＝1.5848×10-1p+1.572×10-5p2-3.46×10-12p4

ΔcS,p,T＝1.354×10-5T2p-7.19×10-7Tp2-1.2×10-2(S-35)

Tc为声速（米/秒）；T为温度（°C）；S为盐度；p为静压力（公斤/厘米2）。

此公式的应用范围：-3°C<T<30°C，33.1<S<36.6，1.033公斤/厘米2<p<984.3公斤/厘米2。此范围占全世界海洋水域的99.5％。按此公式计算的结果，声速均方误差为0.1米/秒。

水体声速获得实测法比对法设备声速剖面仪CTD直接测量经验公式计算应用于浅水测试锤或测深杆改变测深仪输入声速直至测深数据与测区平均水深值吻合计算法法实测法测深仪平均声速比对法计算法测深仪吃水测深仪换能器入水深度测深设备换能器位置（1）仅仅是静吃水!船舶航向(2)动吃水动吃水才是真正对测深产生影响的吃水。其值随船相对水体运动速度的不同而变化。动吃水才是真正对测深产生影响的吃水。其值随船相对水体运动速度的不同而变化。测深设备安装使静吃水与动吃水数值基本吻合1、观察不同船速下测量船不同位置吃水变化；2、在变化最小处安装测声仪换能器。直达波吃水深度海面（0米线）深度m海底测量船航行方向t炮点振幅V深度m炮点读取海底发射处的水深得到实测时的水深值5、实测水深数据的校准波浪校准h涌浪滤波水体声速影响校正水体声速获得实测法比对法设备声速剖面仪CTD直接测量经验公式计算应用于浅水测试锤或测深杆改变测深仪输入声速直至测深数据与测区平均水深值吻合实测法测深仪平均声速比对法能测准吗？需要校准！校准方法校准曲线制作△H=1m平坦海底校准曲线制作水深（m）校准值（m）实测水深=记录图谱读数+声速校准深度校准方法校准曲线制作△H=1m平坦海底坡度校准物探上：波的偏移效应12Sin∠2=tan∠1记录图海底坡度小于真实的海底坡度需要校准6、水深数据的获得校准后的实测水深数据+潮位改正吃水校准波浪修正声速校准坡度校准潮位观测实测时潮位（相对于测深基准面）修正值得到可标注于测深图上的水深值第三节水深测量工作程序准备阶段外业阶段室内阶段水深测量工作任务获取评审验收课题运作就工作组而言就单位而言其他工作一、水深测量工作程序——准备阶段1、明确工作目的水深测量实现目的的手段之一获取某某海区水深基础资料，分析该区海底地形（地貌）特征。——一般课题的工作目的水深测量资料收集特定课题的工作目的测绘完成某某海区水深地形图测绘完成某某海区多大比例尺海图2、明确技术要求坐标系统投影方式及相关参数成图比例尺水深基准面测量主体设备技术要求的获取依据1、服务对象(甲方)明确提出；2、由甲方要求的最终成果中分析提炼而出；3、国家相关规范及行业标准。明文规定或约定俗成的标准3、水深测量工作执行的规范业主技术要求业主指定规范国家相关规范行业标准本单位作业规程质保体系文件规范或标准的获取依据1、服务对象(甲方)明确提出；2、由甲方要求的最终成果中分析而出；3、根据调查区地貌情况寻求国家相关规范及行业标准。4、调查区位置与范围仅仅是经纬度及调查面积吗？环境特征地形地貌特征水文潮汐特征气象特征控制因素测线布设原则潮汐特点水团情况水文日变化海况情况最佳作业时间基础资料情况验潮站布设原则水体声速测站布设原则水体声速量重复时间平面控制网情况高程控制网情况转换参数的求取验潮高程点引测人文地理情况码头及船舶验潮点位置安全及支持选择可靠验潮点测线：实现测深目的，测深设备所需要的航行探测路径。测线布设往往被称为计划测线进行计划测线的设计工作被称为测线布设测线布设原则按照计划测线测量，其测量结果能够最准确地揭示海底水深地形情况——测线方向是测线布设中最关键因素！如何做到？案例1测线布设的依据垂直岸线，常理上，距海岸越远水深越大；方法：垂直水深等深线板块构造形成的地质体基本平行海岸分布方法：垂直构造线走向建立在了解控制区域地形地貌的地质因素的基础上测线布设方法：垂直控制地形地貌地质体走向布设测线。案例2进行水深测量如何布设测线？按照计划测线测量，其测量结果能够最准确地揭示海底水深地形情况——测线方向是测线布设中最关键因素！测线布设方法：垂直控制地形地貌地质体走向布设测线。4、调查区位置与范围环境特征地形地貌特征水文潮汐特征气象特征控制因素测线布设原则潮汐特点水团情况水文日变化海况情况最佳作业时间基础资料情况验潮站布设原则水体声速测站布设原则水体声速量重复时间平面控制网情况高程控制网情况转换参数的求取验潮高程点引测人文地理情况码头及船舶验潮点位置安全及支持选择可靠验潮点验潮站布设原则近岸水深测量（距岸20km以内），验潮站布设的密度应能控制全测区的潮汐变化。相邻验潮站之间的距离应满足1、最大潮高差不大于1m；2、最大潮时差不大于2h；3、潮汐性质基本相同。

对于潮时差和潮高差变化较大的海区，除布设长期站或短期站外，也可在湾顶、河口外、水道口和无潮点处增设临时验潮站。距岸20km以外采用预报潮位。方法：1、分析测区是否需要现场验潮；2、了解海域潮汐性质，不同潮汐性质区分设验潮站；3、了解在同一潮汐性质的海域，其最大潮差、潮时的差异性，在超出原则要求的区域分别设定验潮站。4、调查区位置与范围环境特征地形地貌特征水文潮汐特征气象特征控制因素测线布设原则潮汐特点水团情况水文日变化海况情况最佳作业时间基础资料情况验潮站布设原则水体声速测站布设原则水体声速量重复时间平面控制网情况高程控制网情况转换参数的求取验潮高程点引测人文地理情况码头及船舶验潮点位置安全及支持选择可靠验潮点声波测量水深的前提是水体声速横向相同径流的注入，使这一前提不存在，必须增加声速测站！4、调查区位置与范围环境特征地形地貌特征水文潮汐特征气象特征控制因素测线布设原则潮汐特点水团情况水文日变化海况情况最佳作业时间基础资料情况验潮站布设原则水体声速测站布设原则水体声速测量重复时间平面控制网情况高程控制网情况转换参数的求取验潮高程点引测人文地理情况码头及船舶验潮点位置安全及支持选择可靠验潮点日照对海水温度的影响，进而影响水体声速的有效性4、调查区位置与范围环境特征地形地貌特征水文潮汐特征气象特征控制因素测线布设原则潮汐特点水团情况水文日变化海况情况最佳作业时间基础资料情况验潮站布设原则水体声速测站布设原则水体声速量重复时间平面控制网情况高程控制网情况转换参数的求取验潮高程点引测人文地理情况码头及船舶验潮点位置安全及支持选择可靠验潮点掌握区内天气情况，保证在海况最好的季节里工作。但也要避免在水文日变化剧烈，径流影响较大的季节里工作。4、调查区位置与范围环境特征地形地貌特征水文潮汐特征气象特征控制因素测线布设原则潮汐特点水团情况水文日变化海况情况最佳作业时间基础资料情况验潮站布设原则水体声速测站布设原则水体声速量重复时间平面控制网情况高程控制网情况转换参数的求取验潮高程点引测人文地理情况码头及船舶验潮点位置安全及支持选择可靠验潮点国家高程基准校正值时间每个验潮站都需引测高程基点4、调查区位置与范围环境特征地形地貌特征水文潮汐特征气象特征控制因素测线布设原则潮汐特点水团情况水文日变化海况情况最佳作业时间基础资料情况验潮站布设原则水体声速测站布设原则水体声速量重复时间平面控制网情况高程控制网情况转换参数的求取验潮高程点引测人文地理情况码头及船舶验潮点位置安全及支持选择可靠验潮点4、调查区位置与范围环境特征地形地貌特征水文潮汐特征气象特征控制因素测线布设原则潮汐特点水团情况水文日变化海况情况最佳作业时间基础资料情况验潮站布设原则水体声速测站布设原则水体声速量重复时间平面控制网情况高程控制网情况转换参数的求取验潮高程点引测人文地理情况码头及船舶验潮点位置安全及支持选择可靠验潮点最大高潮最大低潮潮原则：1、观测方便2、安装方便3、无论潮差怎样，都能获得水位观测数据。直立陡壁验潮水尺验潮水尺零点高程站在台上使用垂绳量取海面高度验潮仪（直读或自容）进行潮位观测，准确测量验潮仪传感器高程最大高潮最大低潮潮原则：1、观测方便2、安装方便3、无论潮差怎样，都能获得水位观测数据。坡度相对平缓，潮差大！建立梯级水尺观测站，以保证观测精度保证水尺不能下沉、不被海浪打倒、白天和夜间都能准确读数！准确测量每个测尺零点高程。5、工作内容导航定位高程引测（可能有）水深测量潮位观测数据处理与成图6、使用设备及工作方法外业调查+是否24小时连续作业7、人员组成人员数量及分工8、工作部署1）、测线布设测线往往不是一条而是多条相互平行等距离间隔的一组测线。2、明确技术要求坐标系统投影方式及相关参数成图比例尺水深基准面测量主体设备技术要求的获取依据1、服务对象(甲方)明确提出；2、由甲方要求的最终成果中分析提炼而出；3、国家相关规范及行业标准。明文规定或约定俗成的标准8、工作部署1）、测线布设测线往往不是一条而是多条相互平行等距离间隔的一组测线。图上1cm的实际距离一个测区可有多组测线每条测线都有名字，根据其测线名应可识别出，测线所在的测线组，及其组内名字，有的测线名还可包括任务代号、测区、航次数等。8、工作部署1)、测线布设为揭示测区水深地形情况所布设的测线为主测线为检查测深精度的测线为检查线，其垂直主测线方向布设，可以为多组。检查线总长度应为主测线总长度的5~10%30m以浅测深误差小于0.3m；30m以深测深误差小于水深的1%主测线、检查线两者的测深之差统计所有的交叉点水深差值，超限的点数小于15%，测绘合格是指在一套工作系统下主测线、检查线之差。如果在另一套工作系统下（不同人员、设备）测量，其误差许可值为其两倍。有何感想？2)、测线工作量主测线总长度+检查线总长度=测线总工作量3)、航次安排设备动迁时间设备校准、安装、验潮站建立海上纯作业时间（=测线工作量/平均船速/在线日工作时间）坏天气等待时间（每个月都有大概的统计规律）设备拆卸与复员时间航次时间段4)、室内数据处理坏点修正水深数据读取实测数据校准潮位校正测深精度评估成图海底地形地貌调查与研究报告5)、工作进度前期准备外业调查室内处理测绘组工作进度9、质量保障单位内质量保障体系运行程序10、安全保障应急处理预案11、验收标准12、提交成果1、明确工作目的2、明确技术要求3、水深测量工作执行的规范4、调查区位置与范围5、工作内容6、使用设备及工作方法7、人员组成8、工作部署9、质量保障10、安全保障11、验收标准12、提交成果地形地貌特征水文潮汐特征气象特征基础资料情况人文地理情况调查区工作基础与环境概述编制成课题实施方案编制成课题实施方案根据实施方案进行设备、人员组织等外业前准备工作。二、水深测量工作程序

——外业调查阶段三、水深测量工作程序

——室内阶段课题组完成水深测量工作准备阶段外业阶段室内阶段水深测量工作任务获取评审验收课题运作其他工作单位课题运行程序任务的获取接收招标函编写标书商务标部分技术标部分商务标部分愿意多少多少钱干这项工作我有国家认可的资质干这项工作我有多厉害！！我干过很多很多同类型工作——工作业绩技术标部分以课题实施方案为基础+预算预算是根据课题实施方案中的人员成本、工作天数、设备情况、交通、耗材、保险等等构成测线布设：完成计划测线过程计划测线：实现探测目的（一般为测区全覆盖探测），规划的探测设备应航行的探测路径。需说明的问题实际测线与航迹线√√×××实际测线：探测时，探测设备所获得探测数据的设计测线。航迹线：实现探测时，探测设备实际航行的探测轨迹。偏航要求计划测线偏航距离最大偏航距离不能大于图上的2mm。偏航距？1:500比例尺？1:1000000比例尺？由于GPS定位系统的广泛应用，当比例尺允许的偏航距大于20m时，规定为20m以内！第四节影响单波束水深测量精度的因素

（一）、水体声速（二）、声波的偏移效应（三）、海浪的影响（四)、潮位的影响一、自然因素(一)、水体声速海面海底水深HH=t/2×V1971年，H.W.弗赖伊和J.D.皮尤发表了更精确而简单的声速经验公式：

c＝1449.30+ΔcT+ΔcS