浅谈测深仪在水工上的应用.docx
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浅谈测深仪在水工上的应用
浅谈回声测深仪在水工上的应用
摘要测深仪在水工测量中已得到广泛的应用,本文以实例为依据,文章论述了测深仪在水工上应用的一些浅见及注意事项。
关键词测量,测深仪,GPS
一、测深仪概述
海洋声学仪器发展迄今为止,出现突飞猛进的技术飞跃,国际上推出许多先进的海洋声学设备,如:
多波束海底成像系统、侧扫声纳、浅层剖面仪、水下声标应答器等等,而测深仪只是声学仪器家族中最常用的一种设备。
目前国际上大多型号的测深仪还是采用机械记录针式或热敏记录方式。
丹麦的E-seasound率先采用了数字成像测深仪,但价格昂贵(每台售价双频机在30万人民币以上),而且只能存储30分钟的图像数据。
国内目前使用最多的测深仪还是机械记录针式的,体积大,功耗大,故障率高。
而近几年率先推出型数字成像式测深仪,把打在记录纸上的模拟信号,用数字化图像的方法显示出来,并可以存贮,事后可随时回放和打印,用先进数字处理的方法捕捉水底回波信号,既精度高,又稳定可靠,用电子闪存,可存储50-100小时的记录图像数据,还配有USB存储盘,随时可将数据导出。
同时还有型轻巧工程测深仪,应该是目前最轻巧的测量型测深仪。
虽然它只显示和输出水深无图像记录,但所得到的水深也是经过复杂的数字处理的,精度高而又可靠。
回声测深仪是目前国内商品化测深仪中最先进的测深仪。
二、回声测深原理
如图2-1,假设声波在水中的传播水面速度为V,当在换能器探头加窄脉冲声波信号,声波经探头发射到水底,并由水底反射回到探头被接收,测得声波信号往返行程所经历的时间为t,则:
Z=Vt/2
图2-1 回声测深原理
Z就是从探头到水底的深度,再加上探头吃水就是水深了。
2.1水底信号识别技术
虽然回深测深的原理很简单,但水中的情况却是很复杂的,有干扰回波、有鱼群出没或杂物的回波,水底的反射条件各不相同,在浅水区还有可能出现二次、三次回波,如何从众多的杂波中跟踪得到真正的水底回波信号,需要采用相关的技术。
2.1.1水底门跟踪技术(也叫时间门跟踪技术)
如图1-2,由于水底的变化是比较平缓的,两次测深之间(约0.1秒),水深变化不会太大,我们假定二次深度的变化量为±10%,则我们就在上次正确回波时刻前10%×Z到后10%×Z开一道时间门,只有在时间门内的回波我们才认为是正确的回波,这±10%就叫时间门宽度,一旦时间门内没有回波,就逐渐扩大时间门直至全程搜索回波,直到重新捕获正确的回波。
图2-2水底门跟踪技术
2.1.2脉宽选择
对于大多数情况来说,水底面的回波脉冲宽度是最大的,而干扰信号和二次回波的脉冲宽度相对要小,脉宽选择就是识别最大脉冲宽度的脉冲作为正确回波信号,当然还要配合时间门一起来识别。
2.1.3信号门槛
如果你的测区或环境有较多的干扰,你可以把信号门槛设置增大,如图1-2中,把信号门槛提高就可以把干扰信号虑除掉。
但是信号门槛也不能过大,过大有可能把较弱的回波信号也虑除掉,门槛的不同会在一定程度上影响测深精度,所以适当的选取合适的信号门槛对于抑制干扰,稳定跟踪有好处。
2.1.4自动增益控制
自动增益控制技术可以根据测量回波脉冲的信号的强度,回波信号过强时自动控制接收放大电路降低增以防止干扰信号过多。
当回波信号幅度过小时,自动控制接收放大电路提高增益,以接收回波。
自动增益范围的大小是衡量接收通道性能的关键,中海达测深仪接收增益控制范围为90Db,可以使用自动增益或手动增益。
2.1.5时间增益控制(TVG)
声波在水中传播时,声强按指数规律衰减,为保持信号幅度的平稳,TVG将控制接收放大器按相反的规律增长放大倍数,这就是时
间增益控制。
如图1-3。
图2-3
三、测深仪的工作原理
测深仪工作的时候结合着GPS使用,利用GPS-RTK实时差分的准确定位,测深仪测出水深泥面的准确高程和坐标。
测深仪工作原理是利用换能器在水中发出声波,当声波遇到障碍物而反射回换能器时,根据声波往返的时间和所测水域中声波传播的速度,就可以求得障碍物与换能器之间的距离。
声波在海水中的传播速度,随海水的温度、盐度和水中压强而变化。
在海洋环境中,这些物理量越大,声速也越大。
常温时海水中的声速的典型值为1500米/秒,淡水中的声速为1450米/秒。
所以在使用回声测深仪之前,应对仪器进行率定,计算值要加以校正。
回声测深仪类型很多,可分为记录式和数字式两类。
四、测深仪的安装及测量步骤
4.1.声系统的安装
所谓回声测深仪声系统即是换能器及其附件,在回声测深仪的下层装有换能器,两根不锈钢连接杆管、电缆线(连结电源用)等。
声系统的安装方法是:
4.1.1将连接管两节套在换能器的电缆线上.应注意的是应将连接管直径较大的一端首先套在电缆线,直径较小的一端上的十字螺丝应旋转拧掉,否则电缆线的接头就穿不出连接管当第两节管套连接再插入电缆线后,直接与换能器的连接轴相连。
首先将连接轴上的固定螺旋放松,连接管一端的缺口对准固定螺旋孔位,然后上紧固定螺旋.接着将上面一节连接管套上旋紧螺丝即GPS接收机接头。
之后此用于连接GPS接收机。
如下图是安装连接图:
换能器安装图
换能器与固定杆的安装
4.1.2从换能器端面起丈量0.6米,在连接管上做上记号,或用0.5cm宽的胶布带在06米处紧紧地贴一圈,或用记号笔划一圈,0.6米处即是换能器的吃水深度。
4.1.3固定声系统,将声系统安装在外界杂音干扰小且换能器底部不易产生水泡的位置。
如果测深船是挂机式的木船(民船),则声系统可安装在船的两侧船舷。
连接杆管必须与船体牢固可靠地联结在一起。
、切不可让声系统在测深过程中掉落到水中。
安装声系统必须使船停泊,不允许在航行中安装.连接杆应垂直于水面。
使换能器辐射面流线与静水面流线之间夹角控制在1度以内:
连接管上吃水记号应与水面相切。
4.2.记录仪的安装
记录仪亦可称记录器,即是一个电脑显示器。
该仪器应安置在便于操作、便于与船工或驾驶员联系看到显示器的地方,这样有利于船工或驾驶员更好的正确驾驶船的驶向,更有利于得到完美准确的测量数据,还有显示器尽量远离机舱.以避免仪器受强烈振动和电磁的干扰;蓄电池也尽可能远离仪器;
下图就中海达回声测深仪构件图进行说明.当声系统安装好后,可将换能器插头插入图中最右边换能器电缆插座.该插座设计的很好,插头插入插座后被紧锁在一起,以防止脱落。
接着,将电源电缆插头和电瓶连接,其他的线一一对应各个插孔,连接完成。
下图为测深仪背部连接端口说明:
连接端口图
4.3.测深仪的操作方法及步骤
将电源开关打开,经1~3分钟后,电脑显示器显示运行,在首先打开电脑显示器桌面上的水深测量软件,下面简单的说明一下测深仪软件的设置和操作步骤,(以中海达HD-380进行说明)如下图:
左边窗口为测深仪窗口,右边为测量导航窗口
打开测量软件后左击文件下拉菜单中的新建任务,再点新建任务,在新建任务窗口点坐标系选84坐标系,其他的不用动,点投影选左边自定义投影,再写入中央经线即你们那当地的中央子午线,其他的参数都不用改,一级变换和二级变换还有转换参数都不用写入,即不用四参和七参,(为什么不用接下来详细介绍,我们是用的另一种方法即固定差改正,测深仪只能用中海达GPS测定的参数)图定义输入任务名,根据计划线的长宽输入适当比例,再输入计划线的左下角坐标,然后点击确定
左击记录下拉菜单记录限制选RTK固定解,然后点击确定
左击设置下拉菜单点击记录设置中的航迹记录中的定位记录方式,选第一个,然后输入几米测一个点,然后是记录格式菜单中选经纬度即可,然后点击确定。
左击设置下拉菜单点击端口分配,选COM1之后点击后面的设置,有个端口参数,端口COM1,波特率9600然后点击确定。
左击设置下拉菜单点击数据格式中的GPS数据输入格式选HD8800/HD8900然后点击确定。
左击设置下拉菜单点天线偏差改正,天线至水高即接收机到水面的高度,深度基准面,即在一个已知控制点上,接收机链接测深仪电脑,看测深仪测得的高程和已知控制点的高程的之差写入即可,然后点击确定。
左击设置下拉菜单点固定偏差改正,在一个已知控制点上,接收机链接测深仪电脑,GPS对中杆放在已知点上,对中整平后,点开始测定,测定时间3分钟,最好时间长点。
然后点确定即可,(用固定偏差改正了就可以不用输入七参数了,就是这种方法)。
左击工作方式下拉菜单作图方式,再左击作图下拉菜单点计划测线调入,选择格式选DXF格式,点调入,(调入的是一个图,这个图是用CAD画的,画的图是你要测得区域范围图,CAD图保存的时候保存成DXF格式的即可。
调入以后,点击退出。
)
左边的窗口叫测深仪窗口,点设置,有个吃水,一般是0.4米即到铁杆红线上沿的位置,声速,点击计算,有个声速计算窗口,点比对深度,测深深度是测深仪实际测得,比对深度是用水坨打得,然后点计算,计算出声速,然后再确定。
点击测深仪窗口的环境,环境设置里可以选择高频测量和低频测量或双频测量,选则后点默认频率即可点确定。
然后点测深仪窗口的测深,开始测深,(一开始测深数据有点不正常,1分钟以后大概就可以了)再点击右边的窗口,记录的下拉菜单的开始记录,输入记录文件名,一般是默认保存的。
测完以后退出即可。
测得数据进行相应的处理即可得出想要的数据!
下图是测深仪测得数据的图
测深仪测得数据图
五、测量的时候需要注意的事项:
5.1、测得的数据在C盘HD-380文件夹中找你新建任务的文件名的文件夹。
5.2为校正记录水深与实际水深相一致,必须用测流锤或测深扦测出实际水深来校验记录器水深。
若有误差,可直接调节声速定位钮和吃水定位钮,使记录器所显示的水深与实际水深相符,这也是进行水温和含盐度对声速的校正.
5.3、操作者必须全神贯注地工作,及时观察水深情况,水深变化大要及时更换调节设置;
5.4为了保证测深精度,必须在测深过程中进行与实际水深的比较,并及时校正声速。
5.5、当水深测量结束,应及时将测深仪电源开关断开,切断电源,并从蓄电池组上取下电缆线。
5.6、测点与测点问的间隔,应根据航速、地形情况和记录速度来定。
一般要求在每6~10秒测一个点,若地形较平坦则可放宽些。
六、水深测量受条件影响的因素
水深测量的成果与自然条件有着密切的关系,如测深时的气候风浪以及水底地质情况等的不同会直接影响测深的成果.超声波射向不同的底质与水深,会有不同的反射情况.一般来讲,不同底质的反射系数也不同,如软泥质反射系数为0.10;沙为0.13;砂岩为0.38;花岗岩为0.60.在深度和增益相同的情况下,反射系数愈小则回波信号淡而宽反射系数愈大则回波信号浓而细.在浅水地段由于回波反射力强,会产生第二次回波,甚至第三次回波。
当测量软件上出现这类现象时,读取深度值应以第一次回波为准。
参考文献《中海达HD-380测深仪说明书》
《水运工程测量规范》(JTJ203-2001)
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