水深测量及水下地形测量学习教案.pptx
《水深测量及水下地形测量学习教案.pptx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《水深测量及水下地形测量学习教案.pptx(51页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、会计学1水深测量及水下水深测量及水下(shu xi)地形测量地形测量第一页,共51页。本本本本章章章章内内内内容容容容n n概述概述n n回声回声(hushng)(hushng)测深原理测深原理n n多波束测深系统多波束测深系统n n高分辨率测深侧扫声纳高分辨率测深侧扫声纳n n基于水下机器人的水下地形测量基于水下机器人的水下地形测量n n机载激光测深(机载激光测深(LIDARLIDAR)n n测线布设测线布设n n测深精度测深精度n n水位改正水位改正n n测量数据质量与管理测量数据质量与管理n n海底地形成图海底地形成图n n思考题思考题第2页/共51页第二页,共51页。海底地形测量是测量
2、海底起伏(qf)形态和地物的工作。是陆地地形测量在海域的延伸。按照测量区域可分为海岸带、大陆架和大洋三种海底地形。特点是测量内容多,精度要求高,显示内容详细。水深测量经历了如下几个(j)发展阶段:测绳重锤测量(点测量)单频单波束测深(点测量)双频单波束测深(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与其(yq)测深手段的不断完善是紧密相关的。7 71 1 概概 述述第3页/共51页第三页,共51页。单频单波束测深(点测量(cling))安装在测量(cling)船下的发射机换能器,垂直向水下发射一定频率的声波脉冲,以声速C在水中传播到水底,经反射或散射返回,被接收机换能
3、器所接收。设经历时间为t,换能器的吃水深度D,则换能器表面至水底的距离(水深)H为:7 72 2 回声回声(hushng)(hushng)测深原理测深原理第4页/共51页第四页,共51页。回声测深仪由发射机、接收机、发射换能器、接收换能器、显示(xinsh)设备和电源部分组成。回声(hushng)测深仪组成示意图 千米(qin m)和万米测深仪 第5页/共51页第五页,共51页。为了求得实际正确的水深而对回声测深仪实测的深度数据施加的改正数称为回声测深仪总改正数。回声测深仪总改正数的求取方法(fngf)主要有水文资料法和校对法。前者适用于水深大于20米的水深测量,后者适用于小于20米的水深测量
4、。水文资料法改正包括吃水改正Hb、转速改正Hn及声速改正Hc。吃水改正:由水面至换能器底面的垂直距离称为换能器吃水改正数Hb。若H为水面至水底的深度;HS换能器底面至水底的深度,则Hb为:第6页/共51页第六页,共51页。转速(zhun s)改正Hb是由于测深仪的实际转速(zhun s)ns不等于设计转速(zhun s)n0所造成的。转速(zhun s)改正数Hn为:声速改正Hc是因为输入到测深仪中的声速Cm不等于实际声速C0造成(zo chn)的测深误差。综上,测深仪总改正(gizhng)数H为:其中,声速改正数Hc对总改正数H影响最大。第7页/共51页第七页,共51页。校对法利用水陀、检查
5、板、水听器等,实测从水面起算的准确深度,与测深仪的当前深度进行比较(bjio),进而求得回声测深仪在该深度上的总改正数H。回声测深仪按照频率分为单频测深仪和双频测深仪。双频单波束测深(点测量)换能器垂直向水下发射(fsh)高、低频声脉冲,由于低频声脉冲具有较强的穿透能力,因而可以打到硬质层;高频声脉冲仅能打到沉积物表层,两个脉冲所得深度之差便是淤泥厚度h。第8页/共51页第八页,共51页。四波束扫海测深仪主要由四个收、发台的换能器,同步控制器和图示记录器织成。四个换能器在船上的安装方式(fngsh)有舷挂式和悬臂式两种。目前,我国各单位使用的四波束(bsh)扫海测深仪,主要有日本产的MS10型
6、、PS20R型及PS600型。7 73 3 四波束四波束(bsh)(bsh)扫海测深扫海测深仪仪第9页/共51页第九页,共51页。多波束测深系统是从单波束测深系统发展起来,能一次给出与航线相垂直的平面内的几十个甚至上百个深度。它能够精确地、快速地测定沿航线一定宽度内水下目标的大小、形状、最高点和最低点,从而较可靠地描绘出水下地形的精细特征,从真正意义上实现了海底地形的面测量。与单波束回声测深仪相比,多波束测深系统具有测量范围大、速度快、精度和效率高、记录数字化和实时(sh sh)自动绘图等优点。7 74 4 多波束多波束(bsh)(bsh)测深系统测深系统第10页/共51页第十页,共51页。多
7、波束系统是由多个子系统组成的综合系统。对于不同的多波束系统,虽然单元组成不同,但大体上可将系统分为多波束声学系统(MBES)、多波束数据采集系统(MCS)、数据处理系统和外围辅助传感器。其中,换能器为多波束的声学系统,负责(fz)波束的发射和接收;多波束数据采集系统完成波束的形成和将接收到的声波信号转换为数字信号,并反算其测量距离或记录其往返程时间;外围设备主要包括定位传感器(如GPS)、姿态传感器(如姿态仪)、声速剖面仪(CDT)和电罗经,主要实现测量船瞬时位置、姿态、航向的测定以及海水中声速传播特性的测定;数据处理系统以工作站为代表,综合声波测量、定位、船姿、声速剖面和潮位等信息,计算波束
8、脚印的坐标和深度,并绘制海底平面或三维图,用于海底的勘察和调查。多波束多波束(bsh)的系统组成的系统组成第11页/共51页第十一页,共51页。GPS声速断面声速断面罗经罗经姿态传感器姿态传感器换能器换能器Transceiver操作和检操作和检测单元测单元监控器监控器导航监控器导航监控器后处理后处理实时数据处理工作站实时数据处理工作站数据存储数据存储绘图仪绘图仪打印机打印机声纳影像记录声纳影像记录数据存储数据存储图图图图2.1SimradEM950/10002.1SimradEM950/10002.1SimradEM950/10002.1SimradEM950/1000多波束声纳系统组成单元多
9、波束声纳系统组成单元多波束声纳系统组成单元多波束声纳系统组成单元外围外围(wiwi)辅辅助助传感器传感器多多波波束束(b b s sh h)声声学学系系统统M MB BE ES S成果成果(chnggu)(chnggu)输出系统输出系统(外设系统外设系统)外部监测外部监测和显示系和显示系统统数据存储数据存储和处理和处理第12页/共51页第十二页,共51页。第13页/共51页第十三页,共51页。波束的发射、接收(jishu)流程及其工作模式 多波束(bsh)换能器基元的物理结构是压电陶瓷,其作用在于实现声能和电能之间的相互转化。换能器也正是利用这点实现波束(bsh)的发射和接收。多波束(bsh)
10、发射的不至一个波束(bsh),而是形成一个具有一定扇面开角的多个波束(bsh),发射角由发射模式参数决定。多波束(bsh)的波束(bsh)发射原理图第14页/共51页第十四页,共51页。多波束(bsh)的波束(bsh)接收原理图 第15页/共51页第十五页,共51页。743 多波束多波束(bsh)测深数据处测深数据处理理换能器xi发射波束TrizixiRi接收波束中央波束 波束脚印多波束波束的几何(j h)构成 首先,将波束脚印(jioyn)的船体坐标转化到地理坐标系(或当地坐标系)和某一深度基准面下的平面坐标和水深。即波束脚印(jioyn)的归位。船体坐标系原点位于换能器中心,x 轴指向航向
11、,z 轴垂直向下,y 轴指向侧向,与x、z 轴构成右手正交坐标系。第16页/共51页第十六页,共51页。波束在海底投射点位置的计算需要船位、潮位、船姿、声速剖面、波束到达角和往返程时间等参数。计算过程包括如下(rxi)四个步骤:姿态改正。船体坐标系下波束投射点位置(wi zhi)的计算。波束投射点地理坐标的计算。波束投射点高程的计算。为便于波束(bsh)投射点船体坐标的计算,现作如下假设:换能器处于一个平均深度,静、动吃水仅对深度有影响,而对平面坐标没有影响。波束(bsh)的往、返程声线重合。对于高频发射系统,换能器航向变化影响可以忽略。第17页/共51页第十七页,共51页。波束脚印船体坐标的
12、计算需要用到三个参量,即垂直参考面下的波束到达角、传播时间和声速剖面。为了得到波束脚印的真实位置,就必须(bx)沿着波束的实际传播路线跟踪波束,该过程即为声线跟踪。通过声线跟踪得到波束投射点在船体坐标下坐标的计算过程称为声线弯曲改正。Snell法则(fz):式中,Ci和i分别为层i内声速和入射角。设多波束换能器在船体坐标(zubio)系下的坐标(zubio)为(x0,y0,z0),波束脚印的船体坐标(zubio)(x,y,z)为:式中,i为波束在层i表层处的入射角,Ci和ti为波束在层i内的声速和传播时间。第18页/共51页第十八页,共51页。上式的一级近似(jn s)式为:式中Tp为波束(b
13、sh)往返程时间,0为波束(bsh)初始入射角,C0为表层声速。转化为地理坐标的转化关系为:式中,下脚LLS、G、VFS分别(fnbi)代表波束脚印的地理坐标(或地方坐标)、GPS确定的船体坐标系原点坐标(也为地理坐标系下坐标,是船体坐标系和地理坐标系间的平移参量)和波束脚印在船体坐标系下的坐标;R(h,r,p)为船体坐标系与地理坐标系的旋转关系,航向h、横摇r和纵摇p是三个欧拉角。第19页/共51页第十九页,共51页。高分辨率测深侧扫声纳简称为HRBSSS声纳(High Resolution Bathymetric Sidescan Sonar)。HRBSSS声纳分辨率高、体积小、重量轻、功
14、耗低以及声纳阵沿载体的长轴安装,特别适用于AUV、HUV、ROV、拖体和船上,在离海底比较近的高度上航行,获得高分辨率的地形地貌图。声纳阵包括左舷和右舷两个声纳阵,自主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(shu xi)主控软件,以及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仿真软件。7 75 5 高分辨率测深侧扫声纳高分辨率测深侧扫声纳(shngn)(shngn)第20页/共51页第二十页,共51页。软件(run jin)功能介绍:水上数字信号处理软件的主要功能是完成对声纳A/D采样数据的处理。声纳驱动软件的主要功能是提供与水上服务器软件、水
15、上终端调试和测试软件的接口,提供与水下主控程序的接口,发送控制命令(mng lng)并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工作。水上服务器软件的主要功能是提供声纳驱动软件与图形用户接口软件的接口,将用户请求操作转换为声纳工作命令(mng lng)与工作参数,并向声纳驱动软件发送,接收数字信号处理的结果数据并向图形用户接口软件发送。第21页/共51页第二十一页,共51页。用户图形接口软件的主要功能是对数字信号处理(chl)结果数据进行实时修正并成图;提供与水上服务器的接口,发送声纳操作指令,接收水上数字信号处理(chl)软件处理(chl)的结果数
16、据,提供与输入输出设备、传感器设备、存储设备连接的接口。后处理(chl)软件的主要功能是对一次调查的数据进行精细的后处理(chl),进行拼图,得到最终的等深线图和地貌图。水下主控软件的主要功能是控制水下电子分机的工作。水上终端调试与测试软件的主要功能是完成对声纳的调试与测试。声纳仿真软件的主要功能是在不连接声纳硬件设备的条件下,完成声纳对外接口的仿真。第22页/共51页第二十二页,共51页。高分辨率测深侧扫声纳因具有较高的分辨率和测深精度,可以用于水下目标(mbio)的探测。利用HRBSSS测量数据计算波束在海底投射点地理坐标的过程与多波束的数据处理过程近似。通过该处理,可以获得密集的海底点的
17、三维坐标。利用这些点的坐标,可以绘制海底等深线图或构造海底DEM。HRBSSS实测(sh c)得到的三维等深线图 第23页/共51页第二十三页,共51页。目前有利用水下载人潜水器、水下自治机器人(AUV:Autonomous Underwater Vehicle)或遥控水下机器人(ROV:Remotely Operated Vehicle),集成多波束系统、侧扫声纳系统等船载测深设备,结合水下DGPS技术、水下声学定位技术实现水下地形测量的思想和方法。水下机器人因可以接近目标,利用其荷载的测量设备,可以获得高质量的水下图形(txng)和图像数据。目前使用的潜水器以自动式探测器最先进,探测器内装
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 水深 测量 水下 地形 学习 教案
限制150内