基于聲線跟蹤的庫區深水水深測量方法技術

一種基于聲線跟蹤的庫區深水水深測量方法，所述基于聲線跟蹤的庫區深水水深測量方法包括采用測船姿態改正方法及水溫躍層改正方法中的至少一種對測量深度進行改正。所述測船姿態改正方法為：當測船的橫、縱搖大于測深儀的波束角時，水深改正量為所述水溫躍層改正方法為：將深度為D的水體分為n層，Dn＝D/2，深度改正值為：上述方法通過測船姿態改正，消除了精密水深測量系統中因測船姿態變化引起的誤差；通過聲速剖面儀測量聲速或水溫梯度、以深度加權模型改正聲速，消除水溫躍層帶來的水深誤差；從而，保證了水庫測深成果質量和精度。

【技術實現步驟摘要】
基于聲線跟蹤的庫區深水水深測量方法
本專利技術涉及水庫深水水深測量
，尤其涉及一種基于聲線跟蹤的庫區深水水深測量方法。
技術介紹
水深測量主要采用單波束測深系統、多波束測深系統，主體部件均是測深儀，是一種主動聲納測量儀器。測深儀的測深原理是利用聲波在水體中傳播遇反射物體返回時間來測量聲波傳輸距離——水深。水深測量誤差主要來源于測深儀、測量環境、測量載體和定位系統。國內外對水深測量影響因素研究和水深測量實踐表明：水體水溫、水體密度、床面組成及傾角等是影響水深測量的主要環境因子。內陸江河湖泊水深測量時，水深較小時，這些因子對水深的影響也是很小的，但對于深水水域，其對測深精度的影響就上升到不可忽視的程度。水庫蓄水后，水深明顯增加，深水條件下測船姿態和水溫躍層導致的水深誤差以及適用的聲速公式是測量人員面臨且必須解決的難題，有必要研究一種實用的庫區深水水深測量改正技術，應用于水庫水深測量。
技術實現思路
有鑒于此，本專利技術的目的在于提供一種基于聲線跟蹤的庫區深水水深測量方法，消除內陸水庫深水水域條件下，測船受測區水流、風浪等外界因素引起的測船姿態變化所導致的位置誤差、隨水深增大而增大的水深測量誤差，以及每年特定時期水庫水體的水溫分層對測深精度的影響，以確保水庫測深成果質量。一種基于聲線跟蹤的庫區深水水深測量方法，所述基于聲線跟蹤的庫區深水水深測量方法包括采用測船姿態改正方法及水溫躍層改正方法中的中至少一種對測量深度進行改正。所述測船姿態改正方法為：當測船的橫、縱搖大于測深儀的波束角時，水深改正量為式中，R為實測深度，為入射波束與垂直方向夾角，Heave為測量載體的垂蕩。所述水溫躍層改正方法為：將深度為D的水體分為n層，Dn＝D/2，深度改正值為：其中，ci、di、Ti、ti、si分別為對應每層的聲速、厚度、溫度、傳播時間、鹽度，C0、cn分別為測深儀發射的設計聲速、利用聲速。在上述技術方案的基礎上，當測量條件允許的情況下，測量系統中加入姿態傳感器和聲速剖面儀，采用所述測船姿態改正方法與所述水溫躍層改正方法相結合來改正測量水深。在上述技術方案的基礎上，所述基于聲線跟蹤的庫區深水水深測量方法進一步包括優選聲速公式改正方法，所述聲速公式改正方法使用C＝1449.2+4.6T-0.055T2+0.00029T3+(1.34-0.01T)(S-35)+0.016D來計算聲速，式中，T表示溫度，單位℃；S表示鹽度，單位‰；D表示深度，單位m。在上述技術方案的基礎上，當測量條件允許的情況下，測量系統中加入姿態傳感器，采用所述測船姿態改正方法與所述優選聲速公式方法相結合來改正測量水深。在上述技術方案的基礎上，在所述測船姿態改正方法中，若測量過程中測船的動態吃水深度大于測深儀測量水深的深度誤差，則進行動態吃水深度改正。在上述技術方案的基礎上，在測量過程中，根據不同的測量精度要求采用窄波束或甚窄波束和限制船速的方法降低船移效應產生的影響。在上述技術方案的基礎上，所述測船采用大于5m的測船進行測量。在上述技術方案的基礎上，所述測深儀安裝在所述測船船體的近中部船舷部分或距船首約1/2～1/3船長處。本專利技術提供了一種能夠基于聲線跟蹤的庫區深水水深測量方法，通過測船姿態改正，消除了精密水深測量系統中因測船姿態變化引起的誤差；通過聲速剖面儀測量聲速或水溫梯度、以深度加權模型改正聲速，消除水溫躍層帶來的水深誤差；從而，保證了水庫測深成果質量和精度。【附圖說明】圖1為本專利技術的較佳實施例的基于聲線跟蹤的庫區深水水深測量方法的中船體橫搖對深度的影響示意圖。圖2為本專利技術的較佳實施例的基于聲線跟蹤的庫區深水水深測量方法的中船體縱搖對深度的影響示意圖。【具體實施方式】為更好地理解本專利技術，以下將結合附圖和具體實例對專利技術進行詳細的說明。本專利技術的基于聲線跟蹤的庫區深水水深測量方法從以下幾個方面進行改正，以消除誤差進而取得真實的深水水深數據：(1)通過測船姿態改正、動態吃水改正和船移效應產生的誤差改正，消除了精密水深測量系統中因測船姿態變化引起的誤差；(2)通過聲速剖面儀測量聲速或水溫梯度、以深度加權模型改正聲速，消除水溫躍層帶來的水深誤差；(3)通過綜合考慮各公式的適用范圍、公式計算的簡便程度，選取適用性最佳的聲速公式。以下將分別從姿態改正、水溫躍層改正及優選聲速公式這三個方面進行詳細地說明。(1)姿態改正方法：測船的姿態與船速的大小不僅會產生水深點的平面位移，還產生深度誤差，且船速的改變還會帶來動態吃水變化。因此，采用單波束測深系統測量，水深測量誤差可通過以下方法消除或減弱：1)當測船的橫、縱搖小于測深儀的波束角時，可不進行橫、縱搖改正；反之則須改正。航向角使波束沿鉛直方向旋轉，將直接影響水深點的平面位置，可用坐標旋轉公式改正。圖1示出了船體橫搖對深度的影響。設船體在t時刻發生橫搖角α，實測深度為R，測深儀的波束角為θ，則因橫搖產生深度方向的附加誤差為：當|α|＜θ時，α引起測深信號的偏移仍在波束角的范圍之內，深度毋需改正；當|α|＞θ時，則引起附加測深誤差Δd，其表達式如下：Δd＝R*(cos(α-θ)-1)。圖2示出了船體縱搖對深度的影響示意圖，船體縱搖對深度的影響與船體橫搖對深度的影響相似，設β為船體縱搖角度，則船體縱搖引起的深度方向的改正為：當|β|＜θ時，β引起測深信號的偏移仍在波束角的范圍之內，深度毋需改正；當|β|＞θ時，則引起附加測深誤差Δd，其表達式如下：Δd＝R*(cos(β-θ)-1)。升沉變化對水深產生直接影響，對于平面位置不產生影響，水深改正量為式中，為入射波束與垂直方向夾角，Heave是指測量載體的垂蕩(即測量載體的上下起伏)。由于船姿的作用，實際測量點沿船體坐標系的某個軸發生一定程度的旋轉(橫搖角α、縱搖角β、航偏角γ)，這些變化改變了船體坐標系VFS和當地坐標系LLS的相互關系，也改變了波束腳印坐標在VFS下的計算參數，其綜合影響為：式中，D為深度，(為入射波束與垂直方向夾角)；dα、dβ、dγ分別為橫搖角、縱搖角、航向測量誤差。2)測船的動態吃水直接影響測深精度，應盡量采用中、低船速測量。若測量過程中測船平穩，測船的動態吃水遠小于測深儀測量水深的深度誤差，則可不進行動態吃水改正；反之，動態吃水造成的誤差不可忽略，必須加入改正。若以GPSRTK技術測量換能器發射面的高程(間接)，則動態吃水已實時進行了改正。3)船移效應是聲波測深必然產生的系統誤差，應根據不同的測量精度要求采用窄波束或甚窄波束和限制船速的方法降低其影響。4)船型及大小對測深環境的反應是不同的。測船的噸位、行深、型寬均較大的測船抵御風浪能力較強，其穩定性相對較好，不建議使用小型船舶(5m以內)測量。測深儀宜安裝在船體的近中部船舷(或距船首約1/2～1/3船長)。使用小型或狹長型船舶測量更應避免高航速測量方式。在未考慮水溫躍層影響時，姿態改正方法的效果見下表所示：表一不同水深下各改正角度所對應的平面位置改正量(2)水溫躍層改正方法：對于天然河流，上下層水體交換充分，水溫在垂向上變化較為均勻，溫差一般小于2℃，以算術平均法、分層深度加權平均計算的垂線平均水溫差異很小，近似一致。而且，垂線平均水溫與水體表層水溫的差異小于0.5℃，通常量取水面以下0本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于聲線跟蹤的庫區深水水深測量方法，其特征在于，所述基于聲線跟蹤的庫區深水水深測量方法包括采用測船姿態改正方法及水溫躍層改正方法中的至少一種對測量深度進行改正；所述測船姿態改正方法為：當測船的橫、縱搖大于測深儀的波束角時，水深改正量為式中，R為實測深度，為入射波束與垂直方向夾角，Heave為測量載體的垂蕩；所述水溫躍層改正方法為：將深度為D的水體分為n層，Tn=Σi=1ndiTi/Σi=1ndi,Sn=Σi=1ndiSi/Σi=1ndi,]]>Dn＝D/2，深度改正值為：Δh=(CnC0-1)h0≈(CnC0-1)hn,]]>其中，ci、di、Ti、ti、si分別為對應每層的聲速、厚度、溫度、傳播時間、鹽度，C0、cn分別為測深儀發射的設計聲速、利用聲速。

【技術特征摘要】
1.一種基于聲線跟蹤的庫區深水水深測量方法，其特征在于，所述基于聲線跟蹤的庫區深水水深測量方法包括采用測船姿態改正方法及水溫躍層改正方法；所述測船姿態改正方法為：當測船的橫、縱搖大于測深儀的波束角時，水深改正量為式中，R為實測深度，為入射波束與垂直方向夾角，Heave為測量載體的垂蕩；設船體在t時刻發生橫搖角α，測深儀的波束角為θ，當|α|>θ時，則引起附加測深誤差△d，其表達式如下：△d＝R*(cos(α-θ)-1)；設β為船體縱搖角度，則船體縱搖引起的深度方向的改正為：當|β|>θ時，則引起附加測深誤差△d，其表達式如下：△d＝R*(cos(β-θ)-1)；所述水溫躍層改正方法為：將深度為D的水體分為n層，Dn＝D/2，深度改正值為：其中，ci、di、Ti、ti、si分別為對應每層的聲速、厚度、溫度、傳播時間、鹽度，C0、cn分別為測深儀發射的設計聲速、利用聲速；當測量條件允許的情況下，測量系統中加入姿態傳感器和聲速剖面儀，采用所述測船姿態改正方法與所...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王俊，柳長征，周建紅，葉德旭，譚良，全小龍，聶金華，黃童，李貴生，
申請(專利權)人：長江水利委員會水文局，
類型：發明
國別省市：湖北;42