海洋地球物理及海底構(gòu)造學(xué) (21)

1、第二章 海底構(gòu)造的地球物理研究方法 2.1 多波束水深調(diào)查 1.概述一、海洋探測技術(shù)一、海洋探測技術(shù) 海底地形地貌海洋地球物理測量的基本框架。許多海底地形地貌海洋地球物理測量的基本框架。許多海洋地球物理調(diào)查研究關(guān)注的主要是海底地形形態(tài)、地貌結(jié)構(gòu)、海洋地球物理調(diào)查研究關(guān)注的主要是海底地形形態(tài)、地貌結(jié)構(gòu)、起源和演化。起源和演化。 利用回聲測深儀、多波束回聲測深儀、旁測聲納測量利用回聲測深儀、多波束回聲測深儀、旁測聲納測量水深探測海底地形地貌，和用地震、重力、磁力及地?zé)岬忍綔y海水深探測海底地形地貌，和用地震、重力、磁力及地?zé)岬忍綔y海底各種地球物理場特征、地質(zhì)構(gòu)造和礦產(chǎn)資源，是目前可以利用底各種地球物

2、理場特征、地質(zhì)構(gòu)造和礦產(chǎn)資源，是目前可以利用的主要海洋地球物理調(diào)查技術(shù)手段。的主要海洋地球物理調(diào)查技術(shù)手段。最早對海底地形進行測量是在最早對海底地形進行測量是在1818世紀的水文測量和世紀的水文測量和1919世紀世紀的海洋探險中采用的重錘單點水深測量。的海洋探險中采用的重錘單點水深測量。18551855年年M.F.MauryM.F.Maury測量測量得到的北大西洋水深圖。雖然當(dāng)時測得的深度點很少但已能清得到的北大西洋水深圖。雖然當(dāng)時測得的深度點很少但已能清楚地揭示出毗鄰大陸的淺臺地、通往深海的陡坡、中大西洋的楚地揭示出毗鄰大陸的淺臺地、通往深海的陡坡、中大西洋的較淺區(qū)域。較淺區(qū)域。Advanc

3、es in BathymetryEcho sounding is a method of measuring seafloor depthusing powerful sound pulses. There are many conditionsthat can cause echo sounders to produce inaccurate data.水深測量是一項基本的海洋地球物理學(xué)測量。水深測量是一項基本的海洋地球物理學(xué)測量。對于海洋地對于海洋地球物理調(diào)查，高精度的海底地形圖非常重要，尤其是如果勘探球物理調(diào)查，高精度的海底地形圖非常重要，尤其是如果勘探重點針對局部地區(qū)的精細研究，詳細水

4、深圖對特殊地形要素的重點針對局部地區(qū)的精細研究，詳細水深圖對特殊地形要素的顯示，其重要性變得尤為突出。顯示，其重要性變得尤為突出。聲學(xué)方法是海底地形測量的基本方法。聲學(xué)方法是海底地形測量的基本方法。早在早在1919世紀早期人世紀早期人們就已認識到通過測定海底反射聲波的傳播時間便可得到水深們就已認識到通過測定海底反射聲波的傳播時間便可得到水深值，但直到值，但直到2020世紀世紀2020年代聲學(xué)測量才取代了傳統(tǒng)的鉛錘測深法，年代聲學(xué)測量才取代了傳統(tǒng)的鉛錘測深法，成為常規(guī)測深手段。成為常規(guī)測深手段。目前，聲學(xué)測深方法發(fā)展迅速，揭示出許多新的海底形態(tài)，目前，聲學(xué)測深方法發(fā)展迅速，揭示出許多新的海底形態(tài)

5、，小到幾米大到幾公里的微觀形態(tài)都能清晰反映。小到幾米大到幾公里的微觀形態(tài)都能清晰反映。聲學(xué)測深方法聲學(xué)測深方法也由最簡單的波束回聲測深法、旁側(cè)聲吶法，發(fā)展到多波束測也由最簡單的波束回聲測深法、旁側(cè)聲吶法，發(fā)展到多波束測深系統(tǒng)。深系統(tǒng)。Multibeam systems can provide more accurate measurements than echosounders do. Multibeam systems collect data from as many as 121 beams to measure the contour of ocean floor.At the pr

6、esent rate, charting the entire seafloor in this way would require more than 125 years. 20 20世紀世紀3030年代，年代，回聲測深儀回聲測深儀問世，替代了傳統(tǒng)的測深繩，使問世，替代了傳統(tǒng)的測深繩，使海洋測深技術(shù)發(fā)生了根本的變革。海洋測深技術(shù)發(fā)生了根本的變革。 6060年代由于年代由于單波束測深儀單波束測深儀測測深精度和分辨率進一步提高，改深精度和分辨率進一步提高，改善了海底地形測量技術(shù)。善了海底地形測量技術(shù)。 7070年代開始，出現(xiàn)了年代開始，出現(xiàn)了多波束多波束測深系統(tǒng)測深系統(tǒng)，開始廣泛應(yīng)用于海洋探，開

7、始廣泛應(yīng)用于海洋探測中。測中。二、多波束測深系統(tǒng)二、多波束測深系統(tǒng) 2020世紀世紀7070年代，在回聲測深技術(shù)的基礎(chǔ)上，發(fā)展了多波束年代，在回聲測深技術(shù)的基礎(chǔ)上，發(fā)展了多波束測深技術(shù)。測深技術(shù)。808090 90 年代，研制出淺、中、深水多波束系統(tǒng)。多年代，研制出淺、中、深水多波束系統(tǒng)。多波束測深系統(tǒng)采用條帶式測量方式波束測深系統(tǒng)采用條帶式測量方式 , ,可對海底進行全覆蓋掃描可對海底進行全覆蓋掃描測量，精確測得海底地形地測量，精確測得海底地形地貌。貌。優(yōu)點：與單波束回聲測深儀相比，優(yōu)點：與單波束回聲測深儀相比，多波束測深系統(tǒng)具有測量范圍大、多波束測深系統(tǒng)具有測量范圍大、速度快、精度和效率高

8、、記錄數(shù)速度快、精度和效率高、記錄數(shù)字化和實時自動繪圖等優(yōu)點。字化和實時自動繪圖等優(yōu)點。2.1 多波束水深調(diào)查 1.概述多波束測深系統(tǒng)的發(fā)展歷史雛形階段（雛形階段（1956-19641956-1964年）：年）：NBESNBES窄窄波束回聲測深儀波束回聲測深儀成型階段（成型階段（1975-19791975-1979年）：年）：SeaBeamSeaBeam系統(tǒng)系統(tǒng)多系列發(fā)展階段（多系列發(fā)展階段（19851985年以來）：年以來）：淺水多波束系統(tǒng)大發(fā)展：淺水多波束系統(tǒng)大發(fā)展：AtlasAtlas、SimradSimrad、ElacElac、ResonReson等等公司公司深水多波束系統(tǒng)進一步完善：

9、深水多波束系統(tǒng)進一步完善：AtlasAtlas、SimradSimrad、SeaBeam SeaBeam 、ResonReson等等公司公司 傳統(tǒng)的單波束回聲測深儀，沿測量船所經(jīng)過的航線連續(xù)傳統(tǒng)的單波束回聲測深儀，沿測量船所經(jīng)過的航線連續(xù)測量水底信號。這種方法只能測得測量船測量水底信號。這種方法只能測得測量船正下方的水深正下方的水深，獲，獲取的數(shù)據(jù)量少，同時在分辨率方面無法滿足高精度海洋地形取的數(shù)據(jù)量少，同時在分辨率方面無法滿足高精度海洋地形測量的要求。測量的要求。 多波束系統(tǒng)采用條帶式測量方式全覆蓋、高精度地對海多波束系統(tǒng)采用條帶式測量方式全覆蓋、高精度地對海底地形進行測量。通過向測量船航向

10、的垂直方向發(fā)射多個俯底地形進行測量。通過向測量船航向的垂直方向發(fā)射多個俯仰角不同的聲波束。波束個數(shù)在仰角不同的聲波束。波束個數(shù)在16-15016-150個不等，然后數(shù)據(jù)采個不等，然后數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄各個波束的回波信號，計算集系統(tǒng)記錄各個波束的回波信號，計算各條線的水深各條線的水深?？删?。可精確地反映海底微地形。確地反映海底微地形。 多波束測深系統(tǒng)具有測量范圍大、精度效率高、數(shù)字化成圖的優(yōu)點，把多波束測深系統(tǒng)具有測量范圍大、精度效率高、數(shù)字化成圖的優(yōu)點，把測深技術(shù)從點、線擴展到面，并進一步發(fā)展到立體測深和自動成圖。測深技術(shù)從點、線擴展到面，并進一步發(fā)展到立體測深和自動成圖。三、我國海洋多波束測深

11、三、我國海洋多波束測深 我國海域遼闊，是發(fā)展中的海洋大國。我國海我國海域遼闊，是發(fā)展中的海洋大國。我國海域面積約域面積約300300萬平方公里，有著豐富的海洋資源，為萬平方公里，有著豐富的海洋資源，為實現(xiàn)從海洋大國跨入海洋強國的目標(biāo)，實現(xiàn)從海洋大國跨入海洋強國的目標(biāo)，“863863”計劃計劃在海洋技術(shù)領(lǐng)域分別設(shè)置了海洋監(jiān)測技術(shù)、海洋生在海洋技術(shù)領(lǐng)域分別設(shè)置了海洋監(jiān)測技術(shù)、海洋生物技術(shù)和物技術(shù)和海洋探查與資源開發(fā)技術(shù)海洋探查與資源開發(fā)技術(shù)3 3個主題，為我國個主題，為我國的海洋開發(fā)、海洋利用和海洋保護提供先進的技術(shù)的海洋開發(fā)、海洋利用和海洋保護提供先進的技術(shù)和手段。和手段。2.1 多波束水深調(diào)查

12、 1.概述 以具有以具有9090年代海洋勘測國際先進水平的年代海洋勘測國際先進水平的“海洋海洋地形地貌與地質(zhì)構(gòu)造探測系統(tǒng)地形地貌與地質(zhì)構(gòu)造探測系統(tǒng)”，對海底地形地貌，對海底地形地貌的全覆蓋高精度探測，高精度地再現(xiàn)了我國的全覆蓋高精度探測，高精度地再現(xiàn)了我國300300萬平萬平方公里海域的地形地貌與海底地質(zhì)構(gòu)造。方公里海域的地形地貌與海底地質(zhì)構(gòu)造。 “海洋地形地貌與地質(zhì)構(gòu)造探測技術(shù)海洋地形地貌與地質(zhì)構(gòu)造探測技術(shù)”以以多波多波束系統(tǒng)束系統(tǒng)全覆蓋高精度探測技術(shù)等為重點，形成海底全覆蓋高精度探測技術(shù)等為重點，形成海底地形地貌控測技術(shù)、側(cè)掃視像技術(shù)、高精度導(dǎo)航定地形地貌控測技術(shù)、側(cè)掃視像技術(shù)、高精度導(dǎo)航

13、定位技術(shù)等的集成系列，帶動海洋地學(xué)研究水平整體位技術(shù)等的集成系列，帶動海洋地學(xué)研究水平整體上達到國際先進水平。上達到國際先進水平。 通過典型海域的技術(shù)試驗，形成一整套最優(yōu)化的探測、通過典型海域的技術(shù)試驗，形成一整套最優(yōu)化的探測、成圖和智能解釋技術(shù)集成，為區(qū)域海洋地質(zhì)調(diào)查提供技術(shù)支成圖和智能解釋技術(shù)集成，為區(qū)域海洋地質(zhì)調(diào)查提供技術(shù)支撐。先后研制開發(fā)了撐。先后研制開發(fā)了海域地形地貌全覆蓋高精度探測技術(shù)系海域地形地貌全覆蓋高精度探測技術(shù)系統(tǒng)統(tǒng)，結(jié)束了我國無中、大比例尺海底地質(zhì)調(diào)查能力的歷史。，結(jié)束了我國無中、大比例尺海底地質(zhì)調(diào)查能力的歷史。開發(fā)完成了開發(fā)完成了多波束測深系統(tǒng)多波束測深系統(tǒng)、深拖側(cè)掃視

14、像系統(tǒng)和差分、深拖側(cè)掃視像系統(tǒng)和差分GPSGPS導(dǎo)導(dǎo)航定位系統(tǒng)，并配套完善了航定位系統(tǒng)，并配套完善了多波束測深系統(tǒng)多波束測深系統(tǒng)的后處理系統(tǒng)，的后處理系統(tǒng)，已具備作用距離已具備作用距離800800公里，實時動態(tài)定位精度優(yōu)于公里，實時動態(tài)定位精度優(yōu)于1010米，可完米，可完成成1:101:10萬萬1:1001:100萬任意比例尺的高精度萬任意比例尺的高精度海底地形地貌圖海底地形地貌圖和三和三維立體圖的技術(shù)能力。維立體圖的技術(shù)能力。第二章 海底構(gòu)造的地球物理研究方法 2.1 多波束水深調(diào)查 2.多波束水深探測原理一、用聲音確定海底地貌一、用聲音確定海底地貌水深測量水深測量(Sounding Mea

15、surement)(Sounding Measurement) 6060年代水深測量的主要方式是水陀。年代水深測量的主要方式是水陀。7070年代后期主要年代后期主要是以測深儀為主，是以測深儀為主，8080年代中期引進多波束測深儀。年代中期引進多波束測深儀。進入進入9090年年代以來實現(xiàn)水深測量自動化。代以來實現(xiàn)水深測量自動化。多波束掃測儀是在多波束掃測儀是在回聲測深儀回聲測深儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來，將傳統(tǒng)的測深技術(shù)從原來的點、線擴展的基礎(chǔ)上發(fā)展起來，將傳統(tǒng)的測深技術(shù)從原來的點、線擴展到面，并進一步發(fā)展到立體測深和自動成圖。到面，并進一步發(fā)展到立體測深和自動成圖。聲學(xué)發(fā)展概況：聲學(xué)發(fā)展概況： 早在早

16、在14901490年達芬奇就嘗試利用插入水中的長管測年達芬奇就嘗試利用插入水中的長管測聽遠處的航船。聽遠處的航船。18271827年，瑞士物理學(xué)家年，瑞士物理學(xué)家D. Colladon D. Colladon 和法國數(shù)學(xué)家和法國數(shù)學(xué)家C. SturmC. Sturm合作，在日內(nèi)瓦湖測量了水中合作，在日內(nèi)瓦湖測量了水中的聲速，這是水聲的第一次定量測量。的聲速，這是水聲的第一次定量測量。第二次世界大第二次世界大戰(zhàn)開始普遍使用利用聲學(xué)原理制造的聲納探測水下目戰(zhàn)開始普遍使用利用聲學(xué)原理制造的聲納探測水下目標(biāo)。標(biāo)。2020世紀八十年代，科學(xué)家應(yīng)用海洋聲學(xué)技術(shù)發(fā)明世紀八十年代，科學(xué)家應(yīng)用海洋聲學(xué)技術(shù)發(fā)明了

17、多波束海底探測等技術(shù)。了多波束海底探測等技術(shù)。聲波在水下傳播聲波在水下傳播 我們生活在不同物理性質(zhì)的場中，聽到的是聲波，看到我們生活在不同物理性質(zhì)的場中，聽到的是聲波，看到的是光波，收音機和電視接收的是電磁波。聲波是在彈性介質(zhì)的是光波，收音機和電視接收的是電磁波。聲波是在彈性介質(zhì)中傳播的彈性波，水、空氣和固體都是彈性介質(zhì)，都可以傳遞中傳播的彈性波，水、空氣和固體都是彈性介質(zhì)，都可以傳遞聲波。聲波在水中的傳播速度約為聲波。聲波在水中的傳播速度約為1500m/s1500m/s，在空氣中約為，在空氣中約為340m/s340m/s。二者相差約。二者相差約4 4倍。倍。 聲波是唯一能夠在海洋中遠距離傳播

18、的物理場。電磁波與聲波是唯一能夠在海洋中遠距離傳播的物理場。電磁波與強激光穿透海水不超過強激光穿透海水不超過1 1公里，而公里，而聲波在淺海中可傳播聲波在淺海中可傳播數(shù)十公數(shù)十公里里，在大洋中可傳播上，在大洋中可傳播上萬公里。萬公里。聲波在水下傳播聲波在水下傳播海海水中傳播的脈沖電磁輻水中傳播的脈沖電磁輻射也可以測量水深，但射也可以測量水深，但由于其本身衰減較大，由于其本身衰減較大，只能用于淺水測量，在只能用于淺水測量，在幾厘米內(nèi)信號就被背景幾厘米內(nèi)信號就被背景噪音掩蓋了。噪音掩蓋了。而從水下發(fā)射器發(fā)射的而從水下發(fā)射器發(fā)射的聲波盡管其功率小于聲波盡管其功率小于1kW，但即使傳播幾千，但即使傳播

19、幾千米后信號仍可檢測。圖米后信號仍可檢測。圖中給出了電磁波和聲波中給出了電磁波和聲波在水中的衰減情況在水中的衰減情況 聲波在海水中的傳播速度與海水溫度、壓力有關(guān)。在海洋聲波在海水中的傳播速度與海水溫度、壓力有關(guān)。在海洋的不同深度，溫度、壓力變化，聲速在垂向上表現(xiàn)出一定的變的不同深度，溫度、壓力變化，聲速在垂向上表現(xiàn)出一定的變化規(guī)律。在垂直方向上大致可劃分出化規(guī)律。在垂直方向上大致可劃分出4 4個聲速變化層。個聲速變化層。 層層1 1：為表面層，一般水體厚度不大，表現(xiàn)為等溫的混合層，聲速基本保持不變。：為表面層，一般水體厚度不大，表現(xiàn)為等溫的混合層，聲速基本保持不變。該層對聲波具有通道作用。該層

20、對聲波具有通道作用。 層層2 2：為季節(jié)躍變層：為季節(jié)躍變層( (又稱溫躍層又稱溫躍層) )，該層厚度較層，該層厚度較層1 1加大，溫度隨深度急劇變化，加大，溫度隨深度急劇變化，表現(xiàn)為負的溫度梯度和聲速梯度，此梯度隨季節(jié)而異。表現(xiàn)為負的溫度梯度和聲速梯度，此梯度隨季節(jié)而異。 層層3 3：為主躍變層：為主躍變層( (又稱漸變層又稱漸變層) )，該層厚度進一步加大，聲速梯度仍為負值，但，該層厚度進一步加大，聲速梯度仍為負值，但變化較小，它受季節(jié)變化的影響很微弱。變化較小，它受季節(jié)變化的影響很微弱。 層層4 4：為深海等溫層：為深海等溫層( (又稱均勻?qū)佑址Q均勻?qū)? )，該層一直延伸至海底，聲速梯度

21、在該層變?yōu)?，該層一直延伸至海底，聲速梯度在該層變?yōu)檎?，溫度幾乎不變，聲速主要受壓力影響，隨深度增加，聲速也逐漸增大。正值，溫度幾乎不變，聲速主要受壓力影響，隨深度增加，聲速也逐漸增大。 層層1 1與層與層2 2之間界線比較明顯，層之間界線比較明顯，層2 2與層與層3 3和層和層3 3與層與層4 4之間并無截然的分界之間并無截然的分界線，通常為漸變過程。線，通常為漸變過程。 聲波在海水中的傳聲波在海水中的傳播速度與海水溫度、壓力播速度與海水溫度、壓力有關(guān)。淺部受溫度控制，有關(guān)。淺部受溫度控制，深部受壓力控制。圖中大深部受壓力控制。圖中大西洋某處海水速度剖面，西洋某處海水速度剖面，其最低值在其最

22、低值在800m/s800m/s左右。左右。聲學(xué)探測聲學(xué)探測 利用利用聲學(xué)換能器聲學(xué)換能器產(chǎn)生并向海底發(fā)射聲波，通過記錄并分析產(chǎn)生并向海底發(fā)射聲波，通過記錄并分析“回聲回聲”信號，作出對目標(biāo)的判斷，指示出目標(biāo)的距離、方位、信號，作出對目標(biāo)的判斷，指示出目標(biāo)的距離、方位、運動速度以及某些物理性質(zhì)。運動速度以及某些物理性質(zhì)。 由于其功率、頻率和波束角等特性比較容易控制，因此可由于其功率、頻率和波束角等特性比較容易控制，因此可以滿足不同的探測要求。又由于聲波容易產(chǎn)生，可以連續(xù)、高以滿足不同的探測要求。又由于聲波容易產(chǎn)生，可以連續(xù)、高效地進行海底探測。對于海底地貌，通過觀測記錄并分析海底效地進行海底探測

23、。對于海底地貌，通過觀測記錄并分析海底沉積物對聲波的不同反應(yīng)了解沉積物的地質(zhì)屬性。沉積物對聲波的不同反應(yīng)了解沉積物的地質(zhì)屬性。 聲學(xué)方法在海底探測方面有著諸多的優(yōu)點，從而得以快速聲學(xué)方法在海底探測方面有著諸多的優(yōu)點，從而得以快速發(fā)展。發(fā)展?；芈暅y深技術(shù)回聲測深技術(shù)回聲測深中，從船上發(fā)出的信號或回聲測深中，從船上發(fā)出的信號或者脈沖穿過海水而到達海底，者脈沖穿過海水而到達海底，由海底反射又傳播回來，到達由海底反射又傳播回來，到達發(fā)射船發(fā)射船( (圖圖) )。精確測量信號來回所花的時間，作精確測量信號來回所花的時間，作必要的修正，考慮水中聲速的必要的修正，考慮水中聲速的變化，可以計算出深度。變化，可

24、以計算出深度。換句話說，水深等于傳播時間的一換句話說，水深等于傳播時間的一半半( (因為整個傳播時間實際上因為整個傳播時間實際上是來回的是來回的) )乘上水中聲速。乘上水中聲速。傳統(tǒng)的單波束回聲測深儀記錄的是聲脈沖，從固定在船體上或拖曳的傳統(tǒng)的單波束回聲測深儀記錄的是聲脈沖，從固定在船體上或拖曳的傳感器到海底的雙程旅行時間。對傳感器進行深度校正后，測點水深便是雙傳感器到海底的雙程旅行時間。對傳感器進行深度校正后，測點水深便是雙程旅行時程旅行時t t和垂直聲波速度平均值和垂直聲波速度平均值V V乘積的一半。乘積的一半。這種測量需要一個前沿陡峭的發(fā)射脈沖，精確的海底反射計時和精密這種測量需要一個前

25、沿陡峭的發(fā)射脈沖，精確的海底反射計時和精密的速度值。的速度值。聲脈沖在海水柱中平均垂直傳播速度約為聲脈沖在海水柱中平均垂直傳播速度約為1500m1500ms s，但這個速度，但這個速度值是因地而異的，它會隨著水溫值是因地而異的，它會隨著水溫(Tw)(Tw)、壓力、壓力(Pw)(Pw)、鹽度、鹽度(Sw)(Sw)的變化而變化。的變化而變化。當(dāng)聲脈沖近垂線傳播時可忽略折射的影響。當(dāng)聲脈沖近垂線傳播時可忽略折射的影響。任何一點的任何一點的VwVw均可投放聲波速度計，通過記錄高頻脈沖在相隔幾厘米均可投放聲波速度計，通過記錄高頻脈沖在相隔幾厘米的換能器之間的傳播旅行時獲得。由于海水淺層的季節(jié)性變化、表層

26、以下等的換能器之間的傳播旅行時獲得。由于海水淺層的季節(jié)性變化、表層以下等溫層的長期移動，以及補給水的影響，聲速就有所變化，這就會導(dǎo)致聲速估溫層的長期移動，以及補給水的影響，聲速就有所變化，這就會導(dǎo)致聲速估算發(fā)生偏差。算發(fā)生偏差。單波束回聲測深儀回聲測深儀是通過觸發(fā)信號回聲測深儀是通過觸發(fā)信號利用壓電換能器和磁致伸縮換能器利用壓電換能器和磁致伸縮換能器輸山脈沖信號的（輸山脈沖信號的（a a圖）。圖）。由于輸出信號頻率要求大于由于輸出信號頻率要求大于10kHz10kHz，所以通常使用鋯鈦酸鉛鋇及，所以通常使用鋯鈦酸鉛鋇及其它相似材料來制造壓電換能器。其它相似材料來制造壓電換能器。換能器直接安裝在船

27、上或者拖曳于換能器直接安裝在船上或者拖曳于船尾。船尾。換能器信號的主瓣一般呈錐換能器信號的主瓣一般呈錐狀（狀（b b圖）其半開角范圍達圖）其半開角范圍達1 10 040400 0，它是控制回聲系統(tǒng)分辨率的重要因它是控制回聲系統(tǒng)分辨率的重要因素。素。 現(xiàn)代回聲測深儀能夠得出永久的回聲圖象記錄，這現(xiàn)代回聲測深儀能夠得出永久的回聲圖象記錄，這種記錄給海洋學(xué)家以海底特征的很好的直觀形象。種記錄給海洋學(xué)家以海底特征的很好的直觀形象。 海底回聲測深記錄告訴我們：海底的輪廓跟陸地一樣是不規(guī)則的。海底回聲測深記錄告訴我們：海底的輪廓跟陸地一樣是不規(guī)則的?；芈暅y深記錄解釋需注意的幾個問題回聲測深記錄解釋需注意的

28、幾個問題1. 向外傳播聲束的形狀：向外傳播聲束的形狀：它是粗的圓錐體，當(dāng)聲束射達它是粗的圓錐體，當(dāng)聲束射達海底時，在海底涉及相當(dāng)大的圓面積。海底時，在海底涉及相當(dāng)大的圓面積。最先反射回來的回聲是從離船最近的一點反射回來的，當(dāng)有水最先反射回來的回聲是從離船最近的一點反射回來的，當(dāng)有水下海溝或山峰時，回聲可能不是來自艙正下方，而可能被、下海溝或山峰時，回聲可能不是來自艙正下方，而可能被、海溝或山峰干擾。因此不容易精確地發(fā)觀海底小地形的變化，海溝或山峰干擾。因此不容易精確地發(fā)觀海底小地形的變化，也不能確定這個變化是否就在船的正下方。也不能確定這個變化是否就在船的正下方。比例尺的放大：比例尺的放大：海

29、面船舶以海面船舶以10或或12節(jié)速度航行，這就是記錄的水平比例尺；表節(jié)速度航行，這就是記錄的水平比例尺；表示深度記錄的垂直比例尺通常以百英尺為單位，一般比水平示深度記錄的垂直比例尺通常以百英尺為單位，一般比水平比例尺小，常常加以放大。即，水平比例以千英尺計算，垂比例尺小，常常加以放大。即，水平比例以千英尺計算，垂直比例以百英尺計算，若以相同比例作圖，就很難識別海底直比例以百英尺計算，若以相同比例作圖，就很難識別海底地形的細節(jié)。地形的細節(jié)。聲音在水中的實際速度：聲音在水中的實際速度： 聲速隨著溫度、鹽度和深度的增加而變化。因此，要作非聲速隨著溫度、鹽度和深度的增加而變化。因此，要作非常精確的水深

30、測量時，必須了解這些參量，進行修正。常精確的水深測量時，必須了解這些參量，進行修正。4. 4. 海洋學(xué)調(diào)查船海洋學(xué)調(diào)查船通常在海上用船上的回聲設(shè)備在一個海通常在海上用船上的回聲設(shè)備在一個海區(qū)航行多次，才可以得到海底的模型和深度圖。區(qū)航行多次，才可以得到海底的模型和深度圖。深處的反射深處的反射在一定的條件下，可由回聲測深得到海底以下在一定的條件下，可由回聲測深得到海底以下沉積層的資料。這時，聲信號也從海底以下的沉積層的資料。這時，聲信號也從海底以下的層處反射，得到的回聲測深記錄能給出海底下層處反射，得到的回聲測深記錄能給出海底下最上層幾十米的剖面。最上層幾十米的剖面。1.1. 應(yīng)用更大聲能量，用

31、類似的海洋地球物理儀器應(yīng)用更大聲能量，用類似的海洋地球物理儀器可以得到海底以下可以得到海底以下2 2公里甚至更深處的反射。公里甚至更深處的反射。我們對海底地形的了解主要依賴于普通的回聲測深儀。但是，自它問我們對海底地形的了解主要依賴于普通的回聲測深儀。但是，自它問世以來，許多大洋海域仍然只覆蓋有極稀疏的測深線，而且測線間距往往從世以來，許多大洋海域仍然只覆蓋有極稀疏的測深線，而且測線間距往往從幾十公里到上百公里不等。所以我們對海底地形知之甚少，甚至遠不如對火幾十公里到上百公里不等。所以我們對海底地形知之甚少，甚至遠不如對火星地形的了解。星地形的了解。如果要在局部海域獲取三維海底地形信息，利用回

32、聲測深儀密集測線如果要在局部海域獲取三維海底地形信息，利用回聲測深儀密集測線就可以實現(xiàn)，但是，密集測線的詳查需要相當(dāng)昂貴的船時，即使測線網(wǎng)格布就可以實現(xiàn)，但是，密集測線的詳查需要相當(dāng)昂貴的船時，即使測線網(wǎng)格布沒得很好，也會因為導(dǎo)航定位的不確定性和測線間崎嶇起伏地形的不確定性，沒得很好，也會因為導(dǎo)航定位的不確定性和測線間崎嶇起伏地形的不確定性，導(dǎo)致實測資料繪制地形圖時出現(xiàn)問題。為了獲得更詳細的海底地形資料，目導(dǎo)致實測資料繪制地形圖時出現(xiàn)問題。為了獲得更詳細的海底地形資料，目前已開發(fā)出幾種既能描繪船正下方的海底形態(tài)，還能獲得船兩側(cè)海底形態(tài)的前已開發(fā)出幾種既能描繪船正下方的海底形態(tài)，還能獲得船兩側(cè)海

33、底形態(tài)的聲學(xué)系統(tǒng)，聲學(xué)系統(tǒng)， 即：即：1 1）旁側(cè)聲吶（能給出船側(cè)目標(biāo)體反射回的聲波圖像）；）旁側(cè)聲吶（能給出船側(cè)目標(biāo)體反射回的聲波圖像）；2 2）多波束條幅回聲測深儀（能給出船航跡外側(cè)區(qū)域的水深等值線圖）；多波束條幅回聲測深儀（能給出船航跡外側(cè)區(qū)域的水深等值線圖）；3 3）組）組合式條調(diào)幅成圖系統(tǒng)（組合旁側(cè)聲吶和條幅測深系統(tǒng)）。合式條調(diào)幅成圖系統(tǒng)（組合旁側(cè)聲吶和條幅測深系統(tǒng)）。條幅式測深旁側(cè)聲吶是在二戰(zhàn)期間為探測潛艇而設(shè)計的旁側(cè)聲吶是在二戰(zhàn)期間為探測潛艇而設(shè)計的ASDICASDIC系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它是一種主動式聲吶，從旁側(cè)換能器中發(fā)出聲波，再根據(jù)回聲信號探測的。它是一

34、種主動式聲吶，從旁側(cè)換能器中發(fā)出聲波，再根據(jù)回聲信號探測水下目標(biāo)體。水下目標(biāo)體。2020世紀世紀5050年代，英國國家海洋研究所使旁側(cè)聲吶在海洋地球物年代，英國國家海洋研究所使旁側(cè)聲吶在海洋地球物理和地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域取得了長足的進展。理和地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域取得了長足的進展。旁側(cè)聲吶的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)回聲測深儀的錐形發(fā)射形狀不同，旁側(cè)聲吶艏旁側(cè)聲吶的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)回聲測深儀的錐形發(fā)射形狀不同，旁側(cè)聲吶艏艉向的主聲吶束是窄的艉向的主聲吶束是窄的( (約約1 10 0220 0) )，橫向是寬的，橫向是寬的( (約約20200 040400 0) )，這樣可以通，這樣可以通過側(cè)瓣記錄船附近區(qū)域的反射能量。過側(cè)瓣記錄船附近區(qū)

35、域的反射能量。換能器包括一組壓電元件的線陣組成，其工作頻率在換能器包括一組壓電元件的線陣組成，其工作頻率在9500kHz9500kHz之間之間u u磁致伸縮換能器通常只發(fā)射低頻率信號。先發(fā)射一短脈沖，繼而接收來自船磁致伸縮換能器通常只發(fā)射低頻率信號。先發(fā)射一短脈沖，繼而接收來自船正下方的海底回波和從海底到船側(cè)的反向散射波及鏡面反射信號。脈沖長度正下方的海底回波和從海底到船側(cè)的反向散射波及鏡面反射信號。脈沖長度根據(jù)所需的聲學(xué)分辨力和測程可在幾十毫秒到幾百毫秒之間變化。根據(jù)所需的聲學(xué)分辨力和測程可在幾十毫秒到幾百毫秒之間變化。旁側(cè)聲吶2.1 多波束水深調(diào)查 2.多波束水深探測原理二、多波束探測原理

36、二、多波束探測原理 海水聲速是多波束測深系統(tǒng)進行水深測量的基本參數(shù)。海水聲速是多波束測深系統(tǒng)進行水深測量的基本參數(shù)。單波束測深儀一般采用較寬的發(fā)射波束垂直向船底發(fā)射，聲波單波束測深儀一般采用較寬的發(fā)射波束垂直向船底發(fā)射，聲波傳播路徑不會發(fā)生彎曲，來回路徑最短，能量衰減很小，通過傳播路徑不會發(fā)生彎曲，來回路徑最短，能量衰減很小，通過對回聲信號的幅度檢測確定信號往返傳播的時間，再根據(jù)聲波對回聲信號的幅度檢測確定信號往返傳播的時間，再根據(jù)聲波在水介質(zhì)中的平均傳播速度計算測量水深。在水介質(zhì)中的平均傳播速度計算測量水深。 在多波束系統(tǒng)中，換能器配置有一個或者多個換能器單在多波束系統(tǒng)中，換能器配置有一個或

37、者多個換能器單元的陣列，通過控制不同單元的相位，形成多個具有不同指向元的陣列，通過控制不同單元的相位，形成多個具有不同指向角的波束，通常只發(fā)射一個波束而在接收時形成多個波束。角的波束，通常只發(fā)射一個波束而在接收時形成多個波束。多波束全覆蓋測深的構(gòu)思多波束形成的原理多波束測深多波束測深 除換能器底波束外，外緣波束隨著入射角的增加，波束傾除換能器底波束外，外緣波束隨著入射角的增加，波束傾斜穿過水層會發(fā)生折射，因此必須精確測量區(qū)域水柱的聲速剖斜穿過水層會發(fā)生折射，因此必須精確測量區(qū)域水柱的聲速剖面和波束在發(fā)射與接收時船的姿態(tài)和船航向。面和波束在發(fā)射與接收時船的姿態(tài)和船航向。 多波束系統(tǒng)以一定的頻率發(fā)

38、射沿航跡方向窄而垂直航跡方多波束系統(tǒng)以一定的頻率發(fā)射沿航跡方向窄而垂直航跡方向?qū)挼牟ㄊ?。多個接收波束橫跨與船龍骨垂直的發(fā)射扇區(qū)，接收向?qū)挼牟ㄊ?。多個接收波束橫跨與船龍骨垂直的發(fā)射扇區(qū)，接收波束垂直航跡方向窄，而沿航跡方向的波束寬度取決于使用的縱波束垂直航跡方向窄，而沿航跡方向的波束寬度取決于使用的縱搖穩(wěn)定方法。搖穩(wěn)定方法。 單個發(fā)射波束與接收波束的交叉區(qū)單個發(fā)射波束與接收波束的交叉區(qū)域稱為足印域稱為足印(Footprint)(Footprint)。 一個發(fā)射和接收循環(huán)通常稱為一個一個發(fā)射和接收循環(huán)通常稱為一個聲脈沖聲脈沖(Ping)(Ping)。 一個一個PingPing獲得的所有足印的覆蓋寬

39、獲得的所有足印的覆蓋寬度稱為一個測幅度稱為一個測幅(Swath)(Swath)。 測幅在給定水深下對海底的覆蓋寬測幅在給定水深下對海底的覆蓋寬度是噪聲水平和海底反向散射強度度是噪聲水平和海底反向散射強度的函數(shù)。的函數(shù)?；拘g(shù)語（基本術(shù)語（1） 波束入射角波束入射角(Beam inciedent angle)(Beam inciedent angle)：波束立體角對稱軸與垂線波束立體角對稱軸與垂線之間的夾角。之間的夾角。 波束掠射角波束掠射角(Beam grazing angle):(Beam grazing angle): 波束立體角對稱軸與其在投波束立體角對稱軸與其在投射界面上的正投影之間的

40、夾角。射界面上的正投影之間的夾角。 波束角或波束寬度波束角或波束寬度(Beamwidth)(Beamwidth)：一個波束在空間上的立體角。它一個波束在空間上的立體角。它由波束縱向發(fā)射開角和波束橫向接收開角組成。由波束縱向發(fā)射開角和波束橫向接收開角組成。 腳印腳印(Footprint)(Footprint)：一個波束在海底照射的面積，即波束立體角與海一個波束在海底照射的面積，即波束立體角與海底面的交切面。底面的交切面。 波束間角或波束間距波束間角或波束間距(Beamspacing)(Beamspacing)：兩相鄰波束立體角對稱軸兩相鄰波束立體角對稱軸之間的夾角。之間的夾角?；拘g(shù)語（基本術(shù)語

41、（2） 射程射程(Range)(Range)：波束從換能器至海底投射點之間的實際旅行距離。波束從換能器至海底投射點之間的實際旅行距離。 扇區(qū)開角或扇區(qū)寬度扇區(qū)開角或扇區(qū)寬度(Ping width Swath width(Ping width Swath width和和Fanwidth)Fanwidth)：一次完整掃海所形成的兩側(cè)最外緣波束所組成的扇形區(qū)夾角。一次完整掃海所形成的兩側(cè)最外緣波束所組成的扇形區(qū)夾角。 扇區(qū)掃描扇區(qū)掃描(Ping(Ping和和Fan)Fan)：完成一個完整扇區(qū)掃海的脈沖發(fā)射過程。一完成一個完整扇區(qū)掃海的脈沖發(fā)射過程。一個扇區(qū)掃描可以由幾個亞扇區(qū)掃描個扇區(qū)掃描可以由幾個

42、亞扇區(qū)掃描(Subfan)(Subfan)組成。組成。 更新率更新率(Ping rate)(Ping rate)：單位時間內(nèi)完成扇區(qū)掃描的次數(shù)。單位時間內(nèi)完成扇區(qū)掃描的次數(shù)。 測深橫斷面：測深橫斷面：一次扇區(qū)掃描所形成的換能器下方垂直航向的一系列波一次扇區(qū)掃描所形成的換能器下方垂直航向的一系列波束測點組成的海底水深剖面。束測點組成的海底水深剖面。 覆蓋率覆蓋率(Coverage)(Coverage)：多波束測深剖面的寬度與水深的比值。覆蓋率與多波束測深剖面的寬度與水深的比值。覆蓋率與扇區(qū)開角大小及航向與航跡夾角有關(guān)。扇區(qū)開角大小及航向與航跡夾角有關(guān)。 多波束測深系統(tǒng)多波束測深系統(tǒng)是一種多傳感器

43、的復(fù)雜組合系統(tǒng)，是一種多傳感器的復(fù)雜組合系統(tǒng)，形成了新的海底地形控形成了新的海底地形控測技術(shù)框架，在波束發(fā)射接收方式、海底信號探測技術(shù)、射線幾何學(xué)、勘測方測技術(shù)框架，在波束發(fā)射接收方式、海底信號探測技術(shù)、射線幾何學(xué)、勘測方法、系統(tǒng)構(gòu)成、誤差來源和數(shù)據(jù)處理成圖等方面形成了鮮明的特點。法、系統(tǒng)構(gòu)成、誤差來源和數(shù)據(jù)處理成圖等方面形成了鮮明的特點。多波束系統(tǒng)的組成多波束參考坐標(biāo)系和測點歸位波束到達角從船只參考系轉(zhuǎn)化至垂波束到達角從船只參考系轉(zhuǎn)化至垂直參考系直參考系用到達角和旅行時計算波束測點的用到達角和旅行時計算波束測點的側(cè)向中心距離側(cè)向中心距離X和換能器以下的水深和換能器以下的水深H用船位、航向?qū)?cè)向中心距離轉(zhuǎn)