CN105547261A - 一种边远岛礁水下地形地貌勘测系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种边远岛礁水下地形地貌勘测系统与方法。系统包括勘测母船、测量小艇。勘测母船上设有磁力仪测量拖体、组合声呐、前视避碰声呐、母船基站、通讯天线、GPS天线；所述的组合声呐包括深水多波束测深系统、浅地层剖面仪、声学多普勒流速剖面仪。测量小艇上设有浅水多波束测深系统、前视避碰声呐、测量小艇作业优化与中控终端、通讯天线、GPS天线。勘测母船可携带多艘测量小艇同步在边远岛礁复杂海域开展海底勘测，母船基站、测量小艇作业优化与中控终端之间通过通讯天线进行指令传输、测量结果反馈，将测量结果反馈给母船基站。该勘测系统和方法可在岛礁和浅水区海洋调查、海洋测绘与海洋工程中广泛应用。

Description

一种边远岛礁水下地形地貌勘测系统与方法

技术领域

本发明涉及海洋调查与海洋测绘技术领域，具体是指一种边远岛礁水下地形地貌勘测系统与方法。

背景技术

海底地形调查是一项基础性的海洋地理信息调查工作，为了揭示海底表面的起伏形态，多波束测深系统是必不可少的调查手段之一。

多波束测深系统是当前最先进的海底地形测量设备，该设备主要安装于科考船之上，进行海底地形地貌调查。现有的远海地形调查主要采用大型科考船进行，但是在边远岛礁区存在诸多缺陷：（1）大型科考船吃水较深，灵活机动性不够，容易在岛礁区搁浅；（2）若放弃岛礁区的测量，会导致测区出现空洞，导致勘测任务无法全面完成。

在边远岛礁地区，例如我国某些沙岛礁区，水深较浅，岛礁密集，大型科考船因为吃水较深，机动性不足，无法进入岛礁周边浅水区进行测量。而这些区域的岛礁吹填等海洋工程建设项目又迫切地需要精细的海底地形数据。

发明内容

本发明针对现有技术方法的不足和现实需求，目的在于提供一种边远岛礁水下地形地貌勘测系统与方法。

一种边远岛礁水下地形地貌勘测系统，包括勘测母船、测量小艇，其中勘测母船分布在深水区，测量小艇分布在勘测母船没法测量的浅水区，并将测量结果反馈给勘测母船；

所述的勘测母船包括磁力仪测量拖体、组合声纳、勘测母船前视避碰声纳、勘测母船通讯天线、勘测母船GPS天线、母船基站；所述的组合声纳进一步包含声学多普勒流速剖面仪、浅地层剖面仪、深水多波束测深系统；勘测母船通过磁力仪测量拖体进行磁场强度勘测，利用声学多普勒流速剖面仪获得所在区域海水流速信息，利用浅地层剖面仪获得所在区域地层信息，利用深水多波束测深系统获得所在位置海底地形信息，利用前视声纳获取航线障碍物信息，利用通讯天线与测量小艇进行相互通信，通过GPS天线获得勘测母船的实时位置信号，使用母船基站对测量小艇信号进行处理及发送指令。

所述的测量小艇包括测量小艇前视避碰声呐、测量小艇浅水多波束测深系统、测量小艇作业优化与中控终端、测量小艇GPS天线、测量小艇通讯天线、测量小艇航行系统；测量小艇利用测量小艇前视避碰声呐获取航线上障碍物信息，利用浅水多波束测深系统获取所在位置水深信息，通过测量小艇GPS天线获取实时位置信号，使用测量小艇通讯天线与母船基站进行信息通讯，利用测量小艇作业优化与中控终端收集处理各类艇载设备及母船基站返回的信息，并做出相应指令，控制测量小艇航行系统，从而控制测量小艇的航行速度和方向。

所述的测量小艇作业优化与中控终端控制测量小艇航行系统，由测量小艇前视避碰声呐探测测量小艇前行方向障碍物情况，若测量小艇前视避碰声呐探测到障碍物，则由测量小艇作业优化与中控终端控制测量小艇航行系统向邻近已测的测线方向进行避让，避让完成后重新返回测线进行勘测。

一种边远岛礁水下地形地貌勘测方法，步骤如下：

步骤1：设备检查和作业分区

1.1）检查测量母船和测量小艇所有设备是否功能正常；

1.2）在所述的母船基站上对岛礁、浅水测区进行分区，指定每一艘测量小艇负责一个岛礁区域的测量；

步骤2：测线规划

2.1）按照具体作业分区情况，在母船基站上对所有测量小艇负责的测区进行测线规划，按照3倍水深间距标准进行测线布设；

步骤3：测量小艇投放和指令下达

3.1）勘测母船将测量小艇分别投放在指定的测区；

3.2）母船基站对测量小艇下达作业指令，测量小艇通过自带的通讯天线接收来自母船基站布设的计划测线和作业指令，并由测量小艇作业优化与中控终端进行处理；

步骤4：测量小艇分区勘测

4.1）测量小艇GPS天线获取测量小艇实时位置信号，测量小艇作业优化与中控终端与母船基站通过各自通讯天线进行信息交换，由浅水多波束测深系统进行水深测量，由测量小艇作业优化与中控终端处理各设备返回的信息和母船基站的指令，并控制测量小艇航行系统进行勘测；

4.2）由测量小艇作业优化与中控终端控制测量小艇航行系统，由测量小艇前视避碰声呐探测测量小艇前行方向障碍物，若测量小艇前视避碰声呐探测到障碍物，则由测量小艇作业优化与中控终端控制测量小艇航行系统向邻近已测的测线方向进行避让，避让完成后重新返回测线进行勘测；

4.3）由测量小艇浅水多波束测深系统探测测量小艇所在区域水深，若测量小艇浅水多波束测深系统中央波束所测水深小于0.5m的安全门限，则由测量小艇作业优化与中控终端判断为遭遇浅水障碍，并向小艇航行系统发送避让信号，从而使测量小艇向邻近已测测线方向进行避让，避让完成后测量小艇重新返回测线进行勘测；若所述的测量小艇浅水多波束测深系统连续100呯（ping）的边缘波束所测平均水深小于0.5m的安全门限，则由测量小艇作业优化与中控终端将测量结果信息传回勘测母船基站；

步骤5：测量小艇回收

5.1）经确认测量小艇作业完成后，由母船基站向测量小艇作业优化与中控终端发送返回指令，测量小艇作业优化与中控终端控制航行系统返回勘测母船所在海域；

5.2）测量小艇返回勘测母船周围后，由勘测母船的对测量小艇进行回收，并做各项检查，完成测量小艇设备回收和测量数据下载。

本发明的有益效果：

（1）安全性，避免了科考母船进入浅水区进行勘测进而搁浅的风险；

（2）高效性，多艘测量小艇可同步作业，大大提升了测量效率；

（3）可反复使用，测量小艇可重复使用，降低了勘测设备成本；

（4）高质量，使用测量小艇勘测岛礁、浅水区，保证了测区的高质量勘测结果，尽最大可能实现了边远岛礁区的无空白测量和连续拼接，实现复杂浅水区的高质量勘测。

本发明适用于岛礁、浅水区海底地形地貌勘测、海洋测绘、海洋工程和海洋科学研究。

附图说明

图1是本发明工作流程示意图；

图2是本发明勘测母船的侧视结构示意图；

图3是图2俯视结构示意图；

图4是本发明测量小艇的侧视结构示意图；

图5是本发明图4俯视结构示意图；

图6是本发明系统勘测方法示意图；

图7是测量小艇作业优化与中控终端指令流程框图。

图中：勘测母船1、测量小艇2、岛礁3；磁力仪测量拖体1.1、组合声纳1.2、勘测母船前视避碰声纳1.3、勘测母船通讯天线1.4、勘测母船GPS天线1.5、母船基站1.6；测量小艇前视避碰声呐2.1、测量小艇浅水多波束测深系统2.2、测量小艇作业优化与中控终端2.3、测量小艇GPS天线2.4、测量小艇通讯天线2.5、测量小艇航行系统2.6；浅水区暗礁3.1、浅水区计划测线3.2、测量小艇多波束脚印3.3、测量小艇所测测线3.4；声学多普勒流速剖面仪1.2.1、浅地层剖面仪1.2.2、深水多波束测深系统1.2.3。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的技术内容、特点及功效，现利用实例，并配合附图进行说明。

实施例1

一种边远岛礁水下地形地貌勘测系统，附图1为其具体工作流程；参照附图2、3，它包括勘测母船1、测量小艇2；参照附图2，勘测母船1由磁力仪测量拖体1.1、组合声纳1.2、勘测母船前视避碰声纳1.3、勘测母船通讯天线1.4、勘测母船GPS天线1.5、母船基站1.6组成；参照附图3，组合声纳1.2进一步包含声学多普勒流速剖面仪1.2.1、浅地层剖面仪1.2.2、深水多波束测深系统1.2.3；勘测母船1利用前视声纳1.3获取航线障碍物信息；通过磁力仪测量拖体1.1进行磁场强度勘测；通过GPS天线1.5获得勘测母船1的实时位置信号；利用通讯天线1.4与测量小艇2进行相互通信；使用母船基站1.6对测量小艇信号进行处理及发送指令；勘测母船1利用声学多普勒流速剖面仪1.2.1获得所在区域海水流速信息，利用浅地层剖面仪1.2.2获得所在区域地层信息，使用深水多波束测深系统1.2.3获得其所在位置海底地形信息。

参照附图4，测量小艇2包括测量小艇前视避碰声呐2.1、测量小艇浅水多波束测深系统2.2、测量小艇作业优化与中控终端2.3、测量小艇GPS天线2.4、测量小艇通讯天线2.5、测量小艇航行系统2.6；利用测量小艇前视避碰声呐2.1获取航线上障碍物信息；参照附图5，测量小艇2利用浅水多波束测深系统2.2获取所在位置水深信息；通过测量小艇GPS天线2.4获取实时位置信号；使用测量小艇通讯天线2.5与母船基站1.6进行信息通讯；利用测量小艇作业优化与中控终端2.3收集处理各类由艇载设备及母船基站1.6返回的信息，并做出相应指令，控制测量小艇航行系统2.6，从而控制测量小艇的航行速度和方向。

参照附图5、6、7，测量小艇2上安装测量小艇浅水多波束测深系统2.2时向岛礁一侧调整换能器安装角度20°到40°，参照图6，使较多的波束照射在岛礁一侧的浅水区，测量小艇作业优化与中控终端2.3根据已有的测量条带边缘水深自动调整测线间距和航行线路，保障测量小艇2作业安全。

参照附图6、7，测量小艇2由外向内进行绕圈式计划测线勘测，测量小艇作业优化与中控终端2.3控制测量小艇航行系统2.6，由测量小艇前视避碰声呐2.1探测测量小艇2前行方向障碍物，若测量小艇前视避碰声呐2.1探测到障碍物，则由测量小艇作业优化与中控终端2.3控制测量小艇航行系统2.6向邻近已测的测线方向进行避让，避让完成后重新返回测线进行勘测。

参照附图6、7，由测量小艇浅水多波束测深系统2.2探测测量小艇2所在区域水深，若测量小艇浅水多波束测深系统2.2中央波束所测水深小于0.5m的安全门限，则由测量小艇作业优化与中控终端2.3判断为遭遇浅水障碍，并向小艇航行系统2.6发送避让信号，从而使测量小艇2向邻近已测测线方向进行避让，避让完成后测量小艇2重新返回测线进行勘测；若所述的测量小艇浅水多波束测深系统2.2连续100呯（ping）的边缘波束所测平均水深小于0.5m的安全门限，则由测量小艇作业优化与中控终端2.3将测量结束信息传回勘测母船基站1.6，由人工确认测量结束后，母船基站1.6发送返回指令，测量小艇2自动返回母船。

实施例2

一种边远岛礁水下地形地貌勘测的方法，包括下列步骤：

步骤1：设备检查和作业分区

1.1）检查测量母船1、测量小艇2所有设备是否功能正常；

1.2）在所述的母船基站1.6上对岛礁、浅水测区进行分区。

步骤2：测线规划

2.1）按照具体作业分区情况，在母船基站1.6上对所放测量小艇2进行测线规划，按照3倍水深间距的标准进行测线布设。

步骤3：测量小艇投放和指令下达

3.1）勘测母船将测量小艇分别投放到指定的测区；

3.2）母船基站1.6对测量小艇2下达作业指令，测量小艇通过自带的通讯天线2.5接收来自母船基站1.6布设的计划测线和作业指令，并由测量小艇作业优化与中控终端2.3进行处理。

步骤4：测量小艇分区勘测

4.1）测量小艇GPS天线2.4获取测量小艇实时位置信号，测量小艇作业优化与中控终端2.3与母船基站1.6通过各自通讯天线进行信息交换，由浅水多波束测深系统2.2进行水深测量，由测量小艇作业优化与中控终端2.3处理各设备返回的信息和母船基站1.6的指令，并控制测量小艇航行系统2.6进行勘测；

4.2）由测量小艇作业优化与中控终端2.3控制测量小艇航行系统2.6，由测量小艇前视避碰声呐2.1探测测量小艇2前行方向障碍物，若测量小艇前视避碰声呐2.1探测到障碍物，则由测量小艇作业优化与中控终端2.3控制测量小艇航行系统2.6向邻近已测的测线方向进行避让，避让完成后重新返回测线进行勘测；

4.3）由测量小艇浅水多波束测深系统2.2探测测量小艇所在区域水深；若测量小艇浅水多波束测深系统2.2中央波束所测水深小于0.5m的安全门限，则由测量小艇作业优化与中控终端2.3判断为遭遇浅水障碍，并向小艇航行系统2.6发送避让信号，从而使测量小艇2向邻近已测测线方向进行避让，避让完成后测量小艇2重新返回测线进行勘测；若所述的测量小艇浅水多波束测深系统2.2连续100呯（ping）的边缘波束所测平均水深小于0.5m的安全门限，则由测量小艇作业优化与中控终端2.3将测量结束信息传回勘测母船基站1.6。

步骤5：测量小艇回收

5.1）经人工确认测量小艇2作业完成后，由母船基站1.6向测量小艇作业优化与中控终端2.3发送返回指令，测量小艇作业优化与中控终端2.3控制航行系统2.6返回勘测母船1所在海域；

5.2）测量小艇2返回勘测母船1周围后，由勘测母船1的对测量小艇2进行回收，并做各项检查，完成测量小艇设备检查和测量数据下载。

Claims (4)

1.一种边远岛礁水下地形地貌勘测系统，其特征在于，它包括勘测母船（1）、测量小艇（2），其中勘测母船（1）分布在深水区，测量小艇（2）分布在勘测母船（1）没法测量的浅水区，并将测量结果反馈给勘测母船（1）；

所述的勘测母船（1）包括磁力仪测量拖体（1.1）、组合声纳（1.2）、勘测母船前视避碰声纳（1.3）、勘测母船通讯天线（1.4）、勘测母船GPS天线（1.5）、母船基站（1.6）；所述的组合声纳（1.2）进一步包含声学多普勒流速剖面仪（1.2.1）、浅地层剖面仪（1.2.2）、深水多波束测深系统（1.2.3）；勘测母船（1）通过磁力仪测量拖体（1.1）进行磁场强度勘测，利用声学多普勒流速剖面仪（1.2.1）获得所在区域海水流速信息，利用浅地层剖面仪（1.2.2）获得所在区域地层信息，利用深水多波束测深系统（1.2.3）获得所在位置海底地形信息，利用前视声纳（1.3）获取航线障碍物信息，利用通讯天线（1.4）与测量小艇（2）进行相互通信，通过GPS天线（1.5）获得勘测母船（1）的实时位置信号，使用母船基站（1.6）对测量小艇信号进行处理及发送指令。

2.如权利要求1所述的边远岛礁水下地形地貌勘测系统，其特征在于，所述的测量小艇（2）包括测量小艇前视避碰声呐（2.1）、测量小艇浅水多波束测深系统（2.2）、测量小艇作业优化与中控终端（2.3）、测量小艇GPS天线（2.4）、测量小艇通讯天线（2.5）、测量小艇航行系统（2.6）；测量小艇（2）利用测量小艇前视避碰声呐（2.1）获取航线上障碍物信息，利用浅水多波束测深系统（2.2）获取所在位置水深信息，通过测量小艇GPS天线（2.4）获取实时位置信号，使用测量小艇通讯天线（2.5）与母船基站（1.6）进行信息通讯，利用测量小艇作业优化与中控终端（2.3）收集处理各类艇载设备及母船基站（1.6）返回的信息，并做出相应指令，控制测量小艇航行系统（2.6），从而控制测量小艇的航行速度和方向。

3.如权利要求2所述的边远岛礁水下地形地貌勘测系统，其特征在于，所述的测量小艇作业优化与中控终端（2.3）控制测量小艇航行系统（2.6），由测量小艇前视避碰声呐（2.1）探测测量小艇（2）前行方向障碍物情况，若测量小艇前视避碰声呐（2.1）探测到障碍物，则由测量小艇作业优化与中控终端（2.3）控制测量小艇航行系统（2.6）向邻近已测的测线方向进行避让，避让完成后重新返回测线进行勘测。

4.一种边远岛礁水下地形地貌勘测方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1：设备检查和作业分区

1.1）检查测量母船（1）和测量小艇（2）所有设备是否功能正常；

1.2）在所述的母船基站（1.6）上对岛礁、浅水测区进行分区，指定每一艘测量小艇负责一个岛礁区域的测量；

步骤2：测线规划

2.1）按照具体作业分区情况，在母船基站（1.6）上对所有测量小艇（2）负责的测区进行测线规划，按照3倍水深间距标准进行测线布设；

步骤3：测量小艇投放和指令下达

3.1）勘测母船（1）将测量小艇（2）分别投放在指定的测区；

3.2）母船基站（1.6）对测量小艇（2）下达作业指令，测量小艇通过自带的通讯天线（2.5）接收来自母船基站（1.6）布设的计划测线和作业指令，并由测量小艇作业优化与中控终端（2.3）进行处理；

步骤4：测量小艇分区勘测

4.1）测量小艇GPS天线（2.4）获取测量小艇（2）实时位置信号，测量小艇作业优化与中控终端（2.3）与母船基站（1.6）通过各自通讯天线进行信息交换，由浅水多波束测深系统（2.2）进行水深测量，由测量小艇作业优化与中控终端（2.3）处理各设备返回的信息和母船基站（1.6）的指令，并控制测量小艇航行系统（2.6）进行勘测；

4.2）由测量小艇作业优化与中控终端（2.3）控制测量小艇航行系统（2.6），由测量小艇前视避碰声呐（2.1）探测测量小艇（2）前行方向障碍物，若测量小艇前视避碰声呐（2.1）探测到障碍物，则由测量小艇作业优化与中控终端（2.3）控制测量小艇航行系统（2.6）向邻近已测的测线方向进行避让，避让完成后重新返回测线进行勘测；

4.3）由测量小艇浅水多波束测深系统（2.2）探测测量小艇（2）所在区域水深，若测量小艇浅水多波束测深系统（2.2）中央波束所测水深小于0.5m的安全门限，则由测量小艇作业优化与中控终端（2.3）判断为遭遇浅水障碍，并向小艇航行系统（2.6）发送避让信号，从而使测量小艇（2）向邻近已测测线方向进行避让，避让完成后测量小艇（2）重新返回测线进行勘测；若所述的测量小艇浅水多波束测深系统（2.2）连续100呯（ping）的边缘波束所测平均水深小于0.5m的安全门限，则由测量小艇作业优化与中控终端（2.3）将测量结果信息传回勘测母船（1.6）基站；

步骤5：测量小艇回收

5.1）经确认测量小艇（2）作业完成后，由母船基站（1.6）向测量小艇作业优化与中控终端（2.3）发送返回指令，测量小艇作业优化与中控终端（2.3）控制航行系统（2.6）返回勘测母船（1）所在海域；

5.2）测量小艇（2）返回勘测母船（1）周围后，由勘测母船（1）的对测量小艇（2）进行回收，并做各项检查，完成测量小艇（2）设备回收和测量数据下载。