第六章海洋测绘2.ppt

第六章第六章 海洋测绘海洋测绘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沈蔚沈蔚 博士博士1337193514313371935143wshen@wshen@空间测量与制图空间测量与制图 4209903 2021/3/101讲解：XX （（4 4）测扫声纳）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一2021/3/102讲解：XX测扫声纳原理测扫声纳原理•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2021/3/103讲解：XX测扫声纳原理测扫声纳原理•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“water column”的空白 2021/3/104讲解：XX测扫声纳原理测扫声纳原理•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2021/3/105讲解：XX波束的指向性波束的指向性•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度图3 侧扫声呐的指向性的概念图2021/3/106讲解：XX测扫声纳的分辨力测扫声纳的分辨力 •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2021/3/107讲解：XX测扫声纳的画像分析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2021/3/108讲解：XX测扫声纳主要用途测扫声纳主要用途 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；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）2021/3/109讲解：XX干涉合成孔径声呐系统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ψ，若b小于波长λ/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φ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θ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2021/3/1010讲解：XX干涉合成孔径声呐系统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：2021/3/1011讲解：XX干涉声纳的精密地形探测实例干涉声纳的精密地形探测实例 干涉法声纳的设置位置2021/3/1012讲解：XX测量原理测量原理2021/3/1013讲解：XX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.探测实例探测实例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 2021/3/1014讲解：XXAUV探测探测地形地形2021/3/1015讲解：XX侧面扫描声纳的探测结果 2021/3/1016讲解：XX多波束SeaBeam2100测得的地形色间隔1m 2021/3/1017讲解：XX干涉法声纳的探测结果 500mDirection of AUV640m650m660m660m650m670m670m测位标准偏差约为测位标准偏差约为20cm20cm 2021/3/1018讲解：XX干涉法声纳的探测3D地形2021/3/1019讲解：XX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 2021/3/1020讲解：XX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)2021/3/1021讲解：XX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 。

2021/3/1022讲解：XX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2021/3/1023讲解：XXC3D与多波束比较复盖幅宽取决斜距 复盖幅宽取决水深2021/3/1024讲解：XX原理 – 标准波束形成Plane waveechoesSeafloor with a vertical featureAcousticpulseZXYTransducer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2021/3/1025讲解：XX原理 - CAATISeafloor with a vertical featureAcousticpulseSonararrayZXYComputed Angle-of-Arrival Transient Imaging (CAATI)从６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2021/3/1026讲解：XX水槽实测1.25m1.35m2.2mPlan View of Test Tank (1.5m deep) )CornerReflectorC3D33~4m~4ms1s6ZYX2021/3/1027讲解：XX-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.50.00.50.51.01.52.02.53.03.50.0Multibeam-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.50.00.50.51.01.52.02.53.03.50.0C3D – CAATI-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.50.00.50.51.01.52.02.53.03.50.0Interferometry实测结果2021/3/1028讲解：XXSystem Specifications频频 率：率：200kHz200kHz（标准），（标准）， 100kHz100kHz／／300kHz(300kHz(选项选项) )可测水深：可测水深：3000m3000m（曳体、标准），（曳体、标准），6000m (6000m (选项选项) )可测距离：可测距离：400m (400m (标准，标准，200kHz) 200kHz) ，，200m (300kHz) 200m (300kHz) 600m (100 kHz) 600m (100 kHz) 可测范围：海底至传感器距离的可测范围：海底至传感器距离的1010倍倍分分 辨辨 率：率：5cm (5cm (標準標準/200kHz) 3.5cm (300kHz) /200kHz) 3.5cm (300kHz) 7.5cm (100kHz) 7.5cm (100kHz) 波束宽度：波束宽度：1°(1°(標準標準/200kHz) 1.5°(100kHz) /200kHz) 1.5°(100kHz) 1° (300kHz) 1° (300kHz) 最小探深：最小探深：10cm 10cm 2021/3/1029讲解：XX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等多种安装方式，通过ADSL高速通信连接器和光缆通讯，可对3000―6000m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1―10节航速中进行探测，正常操作范围为3―5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5cm4.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2021/3/1030讲解：XX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2021/3/1031讲解：XX2021/3/1032讲解：XX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•渔群生物量估计2021/3/1033讲解：XXC3D拖鱼与三维地形探测拖鱼与三维地形探测 2021/3/1034讲解：XX美国波士顿美国波士顿Cape Code运河运河 C3D三三维地形图维地形图2021/3/1035讲解：XX浙江省舟山群岛海底沉船浙江省舟山群岛海底沉船C3D三维细部地貌三维细部地貌 2021/3/1036讲解：XXC3D的测量例的测量例2021/3/1037讲解：XX2021/3/1038讲解：XX三维导航辅助软件系统的研究开发 船舶３Ｄ导航系统开发 2021/3/1039讲解：XX2021/3/1040讲解：XX感谢您的阅读收藏，谢谢！2021/3/1041。