CN104569988B - 利用回声测深进行大水深测量的校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用回声测深进行大水深测量的校正方法，所述利用回声测深进行大水深测量的校正方法通过对水体中的因温度跃层产生的声速进行校正和对全球导航卫星系统的接收机与回声测深仪采集数据之间的延时进行校正来校正回声测深的水深测量值。本发明的利用回声测深进行大水深测量的校正方法能够精确检测到回声测深仪水深测量的误差及差值、系统延时问题等，通过量取水体温度、实测水体声速剖面对水深测量值进行改正，并与各级校正标的真值比较修正模型，达到近似真值或误差容许范围的目的。
Description
【技术领域】
本发明涉及水深测量领域，尤其涉及一种利用回声测深进行大水深测量的校正方法。
【背景技术】
目前，在水深测量中，一般采用停泊精度比测和校正的方式。天然河道对回声测深仪进行校正的比测装置有测杆比测和测深锤比测两种，然而这两种方式都或多或少存在不足之处。采用测杆来比测的不足之处是：受测杆的长度的限制，只能对3～5m以下的浅滩水域作比测，深于5m就很难进行比测，甚至无法进行比测。采用测深锤进行比测的不足之处是：水底情况复杂，又有流速的影响，看不到测深锤放进水中后的状况，无法准确判断测深锤是否刚好处在水底的表面或者淤泥之中。
【发明内容】
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种利用回声测深进行大水深测量的校正方法，解决现有回声测深仪在测量水深尤其是大水深时无法让施测人员知晓实测值和真值的差值是否满足规范要求，以及无法检测到水深值通过声速剖面仪所测的声速和温差改正后的测量值是否正确的问题。
一种利用回声测深进行大水深测量的校正方法，所述利用回声测深进行大水深测量的校正方法通过对水体中的因温度跃层产生的声速进行校正和对全球导航卫星系统的接收机与回声测深仪采集数据之间的延时进行校正来校正回声测深的水深测量值；在所述声速校正中，采用声速剖面仪实测水体温度及声速剖面线进行校正考虑声速差的因素后，所述声速校正的深度改正值ΔHC按下式计算：其中，H为水深改正数，C为实测水中声速，C0为水中标准声速，C0＝1500m/s；在所述延时校正中，在测区内选定校正标A，布设一条通过校正标A的测线，以较低的航速V1沿测线测量得到校正标A的偏移位置P1，再以较高的航速V2沿同一方向测量得到校正标A的偏移位置P2，不同速度V1、V2测出的校正标A位置与实际位置相差距离ΔS，则时间延迟Δt可按以下公式其中之一进行计算：△t＝△S/(V2-V1)、 其中，XA、YA为校正标A的X、Y方向的坐标，XP1、YP1为偏移位置P1的X、Y方向的坐标，XP2、YP2为偏移位置P2的X、Y方向的坐标；
所述在利用回声测深进行大水深测量的校正方法中，利用设置水深测量检测校正标进行声速校正，所述水深测量检测校正标的设置方法为，利用水库蓄水前、湖泊枯水期时从最低处的河底或岩壁等处开始在不同高度埋设多个校正标石，最底下的一组所述校正标石上埋设有若干根间隔均匀的带小孔两端封闭的钢管，所述钢管的净高与所述校正标石相等，对每组所述校正标和所述钢管的平面坐标及高程进行测量。
在上述技术方案的基础上，所述校正标石为矩形或不规则多边形，面积为4m2及以上。
在上述技术方案的基础上，所述校正标石的材质为混凝土和碎石，或者是石台、基岩、水泥路面、沥青路面、石板、钢板，所述校正标石的表面平整。
在上述技术方案的基础上，所述校正标石采用2m*2m*0.2m的水泥标石、天然石台、水泥地、沥青路面。
在上述技术方案的基础上，在所述声速校正中，实测水中声速应按C＝1449.2+4.6T-0.05572+0.0002973+(1.34-0.01T)*(S-35)+0.017D计算，其中，T为水温，单位℃；S为水体含盐度；D为深度，单位m。
在上述技术方案的基础上，在所述声速校正中，用声速剖面仪测得不同深度的声速后，根据回声测深仪按声速V1所测得的每个点的水深H1，采用声速剖面仪测得声速再算出该点水深以上的平均声速V2，再根据公式t＝H1/V1得到该点声速传播的时间，根据公式H2＝V2*t，来得到该点改正后的水深H2。
在上述技术方案的基础上，在所述延时校正中，检测校正水深测量延时的具体步骤如下：选择一条具有一定斜坡的航线或断面线，上面有1-2个校正标石，将这条航线或断面线及校正标石在全球导航卫星系统上标定出来；将测船开至预置的航线或计划线附近，同向2次，第1次速度为ν，第2次速度为ν/2，沿该航线以一定间距进行测量采集记录数据；将2次采集的数据进行水深测量改正后编辑成断面数据进行叠加重合，计算出2个断面之间的位移差ΔS1以及实测校正标位置和校正标已知的位置之间的位移ΔS2，延时Δt1＝2*ΔS1/ν，Δt2＝2*ΔS2/ν；如果Δt1和Δt2差值较小，取平均值作为延时改正参数。
本发明的利用回声测深进行大水深测量的校正方法能够精确检测到回声测深仪水深测量的误差及差值、系统延时问题等，通过量取水体温度、实测水体声速剖面对水深测量值进行改正，并与各级校正标的真值比较修正模型，达到近似真值或误差容许范围的目的。
【附图说明】
图1为本发明的较佳实施例的利用回声测深进行大水深测量的校正方法所采用的测量原理示意图。
图2为本发明的较佳实施例的利用回声测深进行大水深测量的校正方法所采用延时校正原理示意图。
【具体实施方式】
为更好地理解本发明，以下将结合附图和具体实例对发明进行详细的说明。
在回声测深测深精度方面，主要有测程、声速两项影响。在水库成库前，常规测深仪器有效测程80m。水库蓄水后，水深加大至100m以上到250米，已无法满足大水深观测要求，需要配置大功率、大量程、性能更好的测深仪，但声速是影响大水深测量的一个重要因素。在水库蓄水前，水深较浅，水库无温跃层，水体沿水深方向声速大体一致，可通过一般测深比对方式将回声测深的声速调整至与水环境一致获得解决。但水库蓄水后，因水深较大，水体将出现温跃层，使声速沿水深呈现较大变化，无法通过常规测深手段校对进行回声测深的声速调整获得解决，而必须配置专用的声速剖面仪测定水下声速并通过获取水深测量校正标的真值来进行改正。
在测深环境效应影响方面，主要有测量载体姿态与河道形状的耦合影响，表现为姿态对测深足印垂直度偏离的影响，当水深较大时，将显得异常突出。水库、湖泊为山区性河道时，断面形态窄深，水深增加后，足印垂直度偏离对测深的准确度影响非常大，成为影响测深的关键因素，这样需要配置相应的姿态传感器及专用修正软件并在一个有斜坡的横断面上间隔布置多个水深测量校正标同向测量2次(第1次船速为V，第2次船速为V/2)，将两次测定断面通过平移重合就可得出位移算出延时，再利用校正标实测值和已知值算出的延时进行校正，得到有效运用。
现有回声测深仪在测量水深尤其是大水深时无法让施测人员知晓实测值和真值的差值是否满足规范要求，以及无法检测到水深值通过声速剖面仪所测的声速和温差改正后的测量值是否正确，这样可能会造成现场收集资料的错误，影响成果质量的技术问题。为了解决上述问题，本发明提供一种大水深测量检测校正方法，其采用超声波回声测深仪水深测量检测校正标进行校正。超声波回声测深仪是利用声波在水中的传播特性测量水体深度的技术，声波在均匀介质中作匀速直线传播，在不同介面上产生反射，利用这一原理，选择对水的穿透能力最佳的超声波，在水面垂直向水底校正标反射声信号，并记录从声波发射到信号由水底校正标返回的时间间隔，通过模拟或直接计算，测定水面到水底校正标的深度H回声测深。而校正标的海拔高程H校正标已事先通过水准测定，平面位置通过GPS测定。水面高程H水面可以通过水位接测或水位遥测系统得到，这样已知深度H已知＝H水面-H校正标。H已知和H回声测深之间的差值就是超声波回声测深仪测量差值，通过声速和延时的改正来校正回声测深仪测量水深值，从而达到检测校正的目的。
本发明的技术方案中，水深测量检测校正标的设置方法为，利用水库蓄水前、湖泊枯水期时从其最低处的河底或岩壁等处开始在不同高度埋设多个校正标石。校正标石为矩形或不规则多边形，面积为4m2及以上。校正标石的材质可是混凝土和碎石，也可是天然坚固的石台、基岩、水泥路面、沥青路面、石板、钢板等，但其表面必须较为平整。例如，可采用2m*2m*0.2m的水泥标石或采用天然的石台、平整的水泥地、沥青路面等做成的校正标。考虑到蓄水或汛期容易产生淤积，通常在最底下的一组校正标石上埋设几根间隔均匀净高0.3m封闭带小孔与校正标等长的钢管，然后对每组校正标和钢管的平面坐标及高程进行测量，不规则的校正标可施测大比例尺地形图导入导航数据采集软件中作为背景地图来导航定位。待蓄水后或汛期，这些标石就可用来进行水深测量的检测校正了。
如图1中所示，安装在测量船体下的回声测深仪换能器，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，被换能器所接收。假设自发射脉冲声波的瞬时起至接收换能器收到水底回波时间为t，换能器的吃水深度为D，L为换能器反射声波和接收回波位置差(声波在实际水体中为非直线传播)，H为真实水深值，H回声测深为实际测得水深值如下式：
在设置完成校正标后，作业现场进行检测校正水深的详细步骤如下：
(1)先在测船上按水下测量要求安装好回声测深仪、换能器、GNSS(全球导航卫星系统)和辅助设备，在导航软件(如：HydroPRO或Hypack)中将校正标的位置设置标定出来，并按回声测深仪测深要求开机预热校正零线，然后通过GNSS定位将测船开至相应高程水深测量校正标正附近，用声速剖面仪测量水体该垂线的声速剖面，将测定的表层水温的声速值、换能器吃水等键入到回声测深主机对应的参数中并保存。
(2)通过GNSS导航定位将测船开至校正标石的正上方，让换能器垂直精确对准正下方的标石，开始测量采集水面到校正标石的水深数据，一次要记录100个以上的水深值。
(3)将采集到的水面到水底校正标的深度H回声测深去除粗值取其均值，而校正标的海拔高程H校正标已事先通过水准测定，平面位置通过GPS测定。水面高程H水面通过水位接测或水位遥测系统已得到，这样已知深度H已知＝H水面-H校正标。H已知和H回声测深(均值)之间的差值就是回声测深仪测量差值，如果差值大于规范的限差，应先检查零线无误后，再通过声速校正和延时校正后来校正回声测深仪的水深测量值，从而真正达到检测校正的目的。
(一)声速校正
一般情况下，浅水测量时使用温度计入水观测5分钟量取水体水温二次，取平均水温直接依据GB12327-1998《海道测量规范》中的公式改正校正声速或采用比测板校对直接改正声速。然而，在深水测量时会存在温跃层，对于有温跃层的水体必须采用声速剖面仪实测水体温度、声速剖面线进行校正。
(a)公式法改正法：
当水体存在的水温跃层时，应分层进行声速改正。水中声速应按下式计算：
C＝1449.2+4.6T-0.05572+0.0002973+(1.34-0.01T)*(S-35)+0.017D
式中：C——水中声速(m/s)；
T——水温(℃)；
S——含盐度(％)；
D——深度(m)。
(b)采用实测水体声速剖面线和模型改正法：
①算术平均值法：用声速剖面仪测得不同深度的声速后(一般每0.5米为一层)。根据测深仪按声速V1所测得的每个点的水深H1。采用声速剖面仪测得声速，算出该点水深以上的平均声速V2。根据公式t＝H1/V1得到该点声速传播的时间。根据公式H2＝V2*t，得到该点改正后的水深H2。
②距离加权平均值法：用声速剖面仪测得不同深度的声速后(一般每0.5米为一层)。设某点水深H1，据声速剖面仪测得数据，设有0～H1被分为n层。根据加权公式则可得到分层加权后的平均声速，据1同理可得到改正后的水深值。
考虑声速差的因素后，深度改正值按下式计算：
式中：△HC——深度改正值(m)；
H——水深改正数；
C0——水中标准声速＝1500m/s。
数据表明，当温跃层在6～7°时，上述两种方法算出的声速差值在0～0.3m/s之间，在水深0～100米时，其水深差值在0～0.005m之间，两种方法得到结果差别不大，但后者较优。
(二)延时校正
水深测量系统延时是因为GNSS接收机与回声测深仪采集数据有时间的延迟，导致所测地形在航向上有个整体的偏移，对测量精度影响较大。请参阅图2，在测区内选定一校正标A，布设一条通过校正标A的测线，以较低的航速V1沿测线测量，得到校正标A的偏移位置P1；再以较高的航速V2沿同一方向测量，得到校正标A的偏移位置P2。由于存在系统延时，导致不同速度V1、V2测出的校正标A位置与实际位置(已知)相差距离△S，则时间延迟△t可按以下公式其中之一进行计算：
△t＝△S/(V2-V1) (1)
校正时沿航向选择有一至二个校正标的斜坡特征地形，分粗算、精算、极精算三步进行，一步步缩小计算范围，最后得出最优值。可以利用断面查看器判读校正效果，如果特征地形及校正标位置吻合或者吻合趋势较好，则校正值△t可以采用。
上述方法与回声测深仪及其换能器配合在作业现场进行检测校正水深测量延时的具体步骤如下：
(1)选择一条具有一定斜坡的航线或断面线，上面有1-2个校正标石，将这条航线或断面线及校正标石在导航软件上标定设置出来。
(2)在测船上按水下测量要求安装好回声测深仪、换能器、GNSS和辅助设备，打开所有设备预热键入相应参数，通过导航定位将测船开至预置的航线或计划线附近，同向2次，第1次速度为ν，第2次速度为ν/2，沿该航线以一定间距进行测量采集记录数据，遇校正标位置时手工加测数据。
(3)将2次采集的数据进行水深测量改正后，编辑成断面数据(点号、起点距、水深或高程)进行叠加重合，可以计算出2个断面之间的位移差△S1，以及实测校正标位置和校正标已知的位置之间的位移△S2，那么延时△t1＝2*△S1/ν，△t2＝2*△S2/ν。如果△t1和△t2差值较小，取平均值作为延时改正参数。否则需检测后重新测量、校正和计算。
本发明的利用回声测深进行大水深测量的校正方法能够精确检测到回声测深仪水深测量的误差及差值、系统延时问题等，通过量取水体温度、实测水体声速剖面对水深测量值进行改正，并与各级校正标的真值比较修正模型，达到近似真值或误差容许范围的目的。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (4)
1.一种利用回声测深进行大水深测量的校正方法，其特征在于：所述利用回声测深进行大水深测量的校正方法通过对水体中的因温度跃层产生的声速进行校正和对全球导航卫星系统的接收机与回声测深仪采集数据之间的延时进行校正来校正回声测深的水深测量值；
在所述声速校正中，采用声速剖面仪实测水体温度及声速剖面线进行校正考虑声速差的因素后，所述声速校正的深度改正值△HC按下式计算：
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其中，H为水深改正数，C为实测水中声速，C0为水中标准声速，C0＝1500m/s；
在所述延时校正中，在测区内选定校正标A，布设一条通过校正标A的测线，以航速V1沿测线测量得到校正标A的偏移位置P1，再以航速V2沿同一方向测量得到校正标A的偏移位置P2，其中，V1＜V2，以不同速度V1、V2测出的校正标A位置与实际位置相差距离△S，则时间延迟△t可按以下公式其中之一进行计算：
△t＝△S/(V2-V1)、
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其中，XA、YA为校正标A的X、Y方向的坐标，XP1、YP1为偏移位置P1的X、Y方向的坐标，XP2、YP2为偏移位置P2的X、Y方向的坐标；
所述在利用回声测深进行大水深测量的校正方法中，利用设置水深测量检测校正标进行声速校正，所述水深测量检测校正标的设置方法为，利用水库蓄水前、湖泊枯水期时从最低处的河底或岩壁等处开始在不同高度埋设多个校正标石，最底下的一组所述校正标石上埋设有若干根间隔均匀的带小孔两端封闭的钢管，所述钢管的净高与所述校正标石相等，对每组所述校正标和所述钢管的平面坐标及高程进行测量；
在所述声速校正中，实测水中声速应按C＝1449.2+4.6T-0.05572+0.0002973+(1.34-0.01T)*(S-35)+0.017D计算，其中，T为水温，单位℃；S为水体含盐度；D为深度，单位m；
在所述声速校正中，用声速剖面仪测得不同深度的声速后，根据回声测深仪按声速V声1所测得的每个点的水深H1，采用声速剖面仪测得声速再算出该点水深以上的平均声速V声2，再根据公式t＝H1/V声1得到该点声速传播的时间，根据公式H2＝V声2*t，来得到该点改正后的水深H2；
在所述延时校正中，检测校正水深测量延时的具体步骤如下：
选择一条具有一定斜坡的航线或断面线，上面有1-2个校正标石，将这条航线或断面线及校正标石在全球导航卫星系统上标定出来；
将测船开至预置的航线或计划线附近，同向2次，第1次速度为ν，第2次速度为ν/2，沿该航线以一定间距进行测量采集记录数据；
将2次采集的数据进行水深测量改正后编辑成断面数据进行叠加重合，计算出2个断面之间的位移差△S1以及实测校正标位置和校正标已知的位置之间的位移△S2，延时△t1＝2*△S1/ν，△t2＝2*△S2/ν；
如果△t1和△t2差值较小，取平均值作为延时改正参数。
2.根据权利要求1所述的利用回声测深进行大水深测量的校正方法，其特征在于：所述校正标石为矩形或不规则多边形，面积为4m2及以上。
3.根据权利要求2所述的利用回声测深进行大水深测量的校正方法，其特征在于：所述校正标石的材质为混凝土和碎石，或者是石台或基岩或水泥路面或沥青路面或石板或钢板，所述校正标石的表面平整。
4.根据权利要求2所述的利用回声测深进行大水深测量的校正方法，其特征在于：所述校正标石采用2m*2m*0.2m的水泥标石或天然石台或水泥地或沥青路面。
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