当前位置:文档下载 > 所有分类 > 自然科学 > 天文/地理 > 水深测量的误差来源及分析
侵权投诉

水深测量的误差来源及分析

科学论坛

l■

C h i n a s c i e n c e a n d T e c h n o l o g y R e v i e w

水深测量的误差来源及分析 邢继雪 (黑龙江省航道局)

[摘要]文章对对水下地形测量的误差来源进行了分析 [关键词]测量;误差等

中图分类号: P 2 2 8 . 4

文献标识码: A

文章编号: 1 0 0 9— 9 1 4 X( 2 0 1 3 ) 0 9 - 0 1 4 2— 0 1

近些年以来,水下地形测量作为我国测绘领域中一个年轻而又重要的分支得到了很好的发展,也获得了不小的成绩。但是,不管测量手段、成图技术和数据传输,还是测量仪器的研制,对比起国际先进水平,我们还有一定的差距,尚有一段艰难的路程要走。随着技术的成熟,必将得到很好地应用。 水下地形测量的测深手段有许多,本文仅就回声测声仪的测深误差进行分析。 ①水深测量误差根据回声测声仪的工作原理,水面至水底的深度是通过声波传播的时间计算得出。其数学公式为: H=C m+△t/ 2 式中, C m为平均声速, A t= T R - TT 为发射与接收声纳信号的时间差在实际测量中,影响测深精度的因素主要有声速、波束角等以下情形。 ( 1 )声速改正误差声波在水中传播速度受水温及含盐度影响而不同,—般按下列经验公式计算: C m= 1 4 5 0+ 4 . 2 0 6 T一 0 . 0 3 6 6 T 2+1 . 1 3 7 ( S一3 5 ) 式中:C m为平均声速, T为水温,单位。, T为水温,单位。,C, s为含盐度, 以千分率计由于T、 S的测定误差会给 C m实际确定带来影响△C m, A c m对深度的影响为: △H= Cm*AT/2

面或平均海面的高程,即进行水位的改正误差。 ③船舶姿态变化引起测深误差 D G P S ̄绘系统工作的载体是测量船舶,在测量过程中,由于船舶姿态的变

化,必然会引起船上的GP s天线和换能器产生相应的变化,引起平面定位和测深误差。下面先分析对测深误差的影响。 ( 1 )船舶横向摇摆带来的测深误差船舶横向摇摆造成换能器姿态的变化,使发射波束相对船舶向左或向右方向发射(如图 1 ),偏离垂直方向从而引起误差。设c【

为测船横摇角, 0为换能器的半波束角, s为实测深度, d为真实深度,假定船舶仅发生横向摇摆,海底是平坦的地形,则: d= S * c o s ( —e) 绝对误差 Ad=S[ c o s ( o L—O) - 1],相对误差 A= c 0 s (Ⅸ一O) -1 船体纵轴

( 2 )时间测定误差测深仪的发射由振荡、功放、发声等电路组成,回声信号放大器由功放、检波、限幅、射极输出等电路组成,时间的测定是在这两者间对信号放大比较测定,由于受分辨率的限值和信号在线路及电路上的延迟,必然存在时间的测定误差 6 t,则对深度值的影响为: 6 H= C}6 t/ 2

式中, 6t为时间测定误差随着电子技术的发展,对于测深仪的时间测定问题目前已得到很好的解决,时间测定误差已不是水深测的主要误差来源。 ( 3 )测深仪波束角对测深影响测深仪波束角是决定回声测深仪分辨率重要因素之一。波束角是换能器向 水底发出的超声波锥体的锥角。测深时,除声锥轴心所对的换能器正下方有反射波回到接收换能器外,在声锥底所及范围的水底,都可能由于漫反射而有反射波回到接收换能器,此时,记录纸会有间距很近的两道或多道回声线当水底地形急剧倾斜变化时,在斜坡的顶端、底端两处也和斜坡一样有回声返回至换能器,这样,测深仪记录纸上就出现两重回声线,此倾斜的测深记录便由两曲线延伸交叉这样,水深最深处并不是两回声线的交点而是该点下方的回声线记录。对于水下地形平坦的地区,波束角对水深则没有影响。在常规测量中,通常采用降低仪器放大器的增益,使漫射的回声显示较淡而换能器正下方的回声显示较强,然后通过人工判断得出较为正确结果。 ②水面高程传递误差海洋测量海底的高程获得是依靠水面进行传递。在高程传递的过程中,需进行深度基准面的确定、潮位站水尺零点的测定、潮位观测、潮位改正过程。以下逐一展开讨论: ( 1 )深度基准面的确定误差

( 2 )船舶纵向摇摆带来的测深误差船舶纵向摇摆造成换能器姿态的变化,使发射波束相对船舶向前方或向后方斜射 (如图2 ),偏离垂直方向从而引起误差。设B为测船纵摇角

,仍假定船舶仅发生纵向摇摆,海底是平坦的地形,则: d= S, c o s ( B一0) 绝对误差△d:S[ c o s ( D一0) -] 1,相对误差 A= c o D一0) - - 1 事实上,船舶横向与纵向一般同时发生,两者综合对测深有下列关系: d= S m, c o s} c o S D式中S m为实测水深值。 ( 3 )船舶动吃水产生的测深误差由于船舶是依靠螺旋桨转动排水推动船体运动,在运动过程中,螺旋桨转动速度变化使船体速度也发生变化。由于螺旋浆装在船体尾部,推进力的传动有个过程,造成船体吃水变化。由于船体的推进动力受多种因素影响而变化,动吃水也表现为一种系统误差和随机误差。影响船体吃水的因素很多,过程也很复杂,在本文将不作讨论。 水深数据改正测量数据随测量的水深变化,传播时间的增加,发射更新率随水深的增大而减少。精度分析: 由测深系统的水深值的最终结果可以用下式表示: HD=Hd -Hn+Hd r—Hw e

式中: H D为归算后的水深值 Hd为(多波束 )测量的水深值 Hn为换能器总的起伏 Hd r为动态吃水

Hwe为从深度基准面起算的水位高减弱误差措施 ( 1 )选择有利的气象条件,在风力小、无浪的天气下进行水深测量。 ( 2 )选择高精度的水深测量仪器和具有较高能力的测量员进行水深测量。 ( 3 )差: fG P S技术在 3 0 K m内,基本可以消除各种卫星误差,但随着距离的增加,有些误差显著增大,所以差分G P S应在相应的作用范围内进行作业。 在水深测量中,误差的控制、改正和精度评定是水深测量的重要环节。通过以上分析,水深测量的误差来源与改正主要存在于以下几个方面。 1 )常规水下地形测量中,声速对其精度的影响较大,尤其是在温度与盐度变化较大的区域,如出入海口等。这种区域要加强声速测量,将声速影响加以改 正。

深度基准面是一种相对基准面,是为方便船舶航行、便于航图的水深换算以及满足海洋航道科研、设计方面的需要设计的基准面,有时也称为设计水位。 深度基准面理论上与平均海平面平行但在内河,此相对基准面是倾斜的,大致与河床平行,称为航行基准

面。在长江,航行基准面呈西高东低形态,在长江下 游感潮河段,则采用理论深度基准面。 ( 2 )水位站水尺零点的测定误差水位站水尺零点的精度直接关系水位观测的准确度,其测定是通过水准测量的方法测定在水准测量过程中基准点、仪器、水准尺、观测过程、标石下沉因素会带来误差,从而给水尺零点高程式带来误差。 ( 3 )水位改正误差在江河测量过程中,必须将实际测量的水深值换算为相对于理论深度基准

2 )水下地形测量需要把陆上高程导到水上,加上所测水深值从而得到水下地形点的三维坐标,这就需要我们有所测区域的详细潮汐资料。 3 )测船作为水下地形测量的载体,对测量精度的影响最大。由于水下地形 测量的特殊性,使得其作业平台是动态的,那么动态的测量平台一测船,必然给测量精度带来很大的影响。 在水深测量的船只姿态改正、浪涌改正、吃水改正、导航定位软件记录数据

与测深仪测深时刻的同步性以及精度评定等方面还有很多需要研究和探讨的地方。尤其是误差改正及减弱措施,有待我们进一步的探讨和研究。 展望水下地形测量的发展,我们不难发现,随着陆上资源的日益枯竭,人们逐渐把关注的目光投向了海洋、江河湖泊等水下。测绘作为一切工程的基础,水下开发工程也不例外,离不开水下地形测量为其提供资料与服务。

1 4 2 l科技博览

水深测量的误差来源及分析

第1页

猜你喜欢

返回顶部