水下地形测量中的GPS＋测深仪应用

图4.38　回声测深仪结构组成

1.概述

水下地形测量与陆上地形测量不同，看不见水下地形的起伏，不能像陆上地形测量那样可以选择地形特征点进行测绘。进行水下地形测量，只能利用船只测定水底点的三维坐标，进而绘制出水下地形图。由于水上无法建立控制点，船只必须在岸上测量仪器的指导下才能获得均匀的测点。当水域较大时，用岸上测量仪器给船只定位就非常困难。随着GPS定位技术尤其是GPS实时动态定位技术（GPS RTK）的飞跃发展，水下地形测量方法取得了很大进步。目前，水下地形测量技术已经定型于采用GPS获取平面位置、回声测深仪获取水深数据的基本模式，这种模式不仅自动化程度高，可以全天候作业，大大提高效率，而且由于GPS数据的采集及水深测量均为连续的，改变了原盲目测点的作业模式，也大大提高了水下地形图的精度。

2.回声测深仪及其使用

（1）回声测深仪的主要结构和工作原理。该仪器的结构组成和工作原理如下：

1）回声测深仪的结构组成。该仪器的结构组成如图4.38所示，回声测深仪主要由激发器、接收放大器、发射换能器、接收换能器、显示设备、电源等部分组成，现将各部分功能简述如下：

激发器：一般由振荡电路，脉冲产生电路、功放电路所组成。在中央控制器的控制下，周期性地产生一定频率、一定脉冲宽度、一定电功率的电振荡脉冲，由发射换能器按一定周期向水中发射。

接收放大器：是将换能器接收的微弱回波信号进行检测放大，经处理后送入显示设备。在接收机电路中，采用了现代相关检测技术和归一化技术，并用回波信号自动鉴别电路、回波水深抗干扰电路、自动增益电路、时控放大电路，使放大后的回波信号能满足各种显示设备的需要。

发射换能器：是将电能转换成机械能，再由机械能通过弹性介质转换成声能的电——声转换装置。它将发射机每隔一定时间间隔送来的有一定脉冲宽度，一定振荡频率和一定功率的电振荡脉冲，转换成机械振动，并推动水介质以一定的波束角向水中辐射声波脉冲。

接收换能器：是将声能转换成电能的声——电转换装置。它可以将接收的声波回波信号转变为电信号，然后再送到接收机进行信号放大处理。现在许多水深仪器都采用发射与接收合一的换能器。为防止发射时产生的大功率电脉冲信号损坏接收机，通常在发射机、接收机和换能器之间设置一个自动转换电路。发射时，将换能器与发射机接通，供发射声波用；接收时，将换能器与接收机接通，切断与发射机的联系，供接收声波用。

显示设备：其功能是直观地显示所测得的水深值，常用的显示设备有指示器式、记录器式、数字显示式、数字打印式等。显示设备的另一功能是产生周期性的同步控制信号，控制与协调整机的工作。

电源：提供全套仪器所需的电源。

2）回声测深仪的工作原理。回声测深的基本原理是利用声波在同一介质中匀速传播的特性，测量声波由水面至水底往返的时间间隔，从而推算出水深。测深仪记录的水深值，还需要对其进行改正，包括换能器吃水改正、声速改正数和转速改正数三项。

换能器吃水改正数ΔZb即换能器盒的入水深度，如图4.39所示换能器的安装中的h，一般在换能器安装好后用钢卷尺量取。

图4.39　换能器的安装

声速改正数ΔZc是由于水温和水质的不同，声波的传播速度不等于设计值，使测得水深与实际水深不符，ΔZc所需改正的值为：

式中：ΔZc为声速改正数；S为测得的水深；Cn为测时实际声速，Cn＝1450＋4.206t－0.0366t2＋1.137（S－35）m/s；Co为仪器设计的标准声速，一般为1500m/s；t为温度，℃。

转速改正数ΔZn是指测深时仪器电机转速不等于设计转速，使电机所带动的显示，记录装置的转速发生变化，从而影响测深的尺度，转速改正数ΔZn为：

式中：ΔZn为转速改正数；Vo为仪器的设计转速；Vn为电机实际转速。

（2）回声测深仪的安装与使用。该仪器的安装与使用如下：

1）换能器的安装。回声测深仪把换能器盒与一适当长度的钢管相连，电线从管内穿过，把钢管固定在船舷外，离船首约1/2～1/3船身长的地方，以避开船首处水流冲击船壳产生的杂音干扰，同时避开船首水中气泡对声波传播速度的影响。此外还须避开船机产生的杂音干扰。换能器应入水0.5m以上，并记录下入水深度。换能器盒的长轴要平行于船的轴线。(www.xing528.com)

操作仪应放稳妥，要既便于操作观测，又便于与驾驶员联系。宜离机舵远些，免受振动和电磁场的干扰，也要避开浪花溅湿仪器。

外接电源一般用12V直流电瓶。

2）回声测深仪的使用。回声测深仪的型号很多，且随技术的进步而不断更新，不同型号仪器的具体操作方法有些不同，但一般都有下述几个步骤：

一是连接换能器。把换能器盒的插头插入插孔。如果未接上换能器而接通电源，会因空载而烧坏仪器元件。

二是接通电源。合上电源开关，若电源接反指示红灯亮，说明正负极接错，马上调过来即可，一般仪器都有电源接反保护装置。

三是检查电源电压。要求在12～13V之间。

四是试测。换能器放入水中，合上电源，仪器即开始工作，相应的记录纸上应有基位线及深度线，或者在显示盘上应有基位显示和深度显示。

五是调节。增益过小，回波信号过弱，深度记录会消失；增益过大，杂乱信号会干扰记录，所以在工作时要调节增益旋扭，使回波信号记录清晰为止。

六是调节速挡。船速快、水下地形复杂时用快速挡，一般用慢速挡。

七是深度转换。工作时应根据实际深度及时拨动“深度转换”扭，选择合适的量程段。

图4.40　GPS RTK＋测深仪的系统组成

（a）基准站的组成；（b）移动站（测量船）的组成

3.GPS RTK＋测深仪的系统组成

GPS RTK＋测深仪的系统组成如图4.40所示。GPS RTK＋测深仪系统由2台或2台以上的GPS接收机和天线、数据通信电台、测量控制器或便携机、测深仪、用于陆地测量的便携工具、水上测量相应的设备以及动态测量软件、水下地形测量软件等组成。整个系统分为基准站和移动站两部分。

基准站由GPS接收机和天线、数传电台和天线及电源设备等组成，如图4.40（a）所示。

移动站（测量船）由GPS接收机和天线、数据链和天线控制器、测深仪以及电源设备等组成，如图4.40（b）所示。

4.GPS＋测深仪进行水下地形测量的实施

（1）准备工作。在测区或测区附近选取3个有当地已知坐标的控制点，用静态或快速静态方式获得WGS—84坐标，由测得的WGS—84坐标与当地坐标推求转换参数，把转换参数和地球椭球投影参数等设置到控制器上。再把基准站控制点的点号和坐标输入控制器或者通过控制器输入到基准站GPS接收机，把规划好的断面线端点点号、坐标值输入到移动站的控制器中或计算机中。

（2）观测。根据现场具体情况规划好测量日程和任务分工，基准站仪器尽量减少迁移，以提高工作效率。基准站GPS接收机天线设置在规划好的已知坐标点上，连接好设备电缆，通过控制器启动基准站GPS接收机。用控制器启动时，在控制器上调出基站点号和相应信息，设置好的基站，数据链开始工作，发射载波相位差分信号。移动站一般采用固定时间间隔采集数据，控制器上可以显示偏离断面线的距离误差和测量点坐标和误差值。测量数据被保存在控制器内或相应的存储卡上。

GPS＋测深仪进行水下地形测量如图4.41所示。

图4.41　GPS＋测深仪进行水下地形测量

（3）水下地形图的绘制。对观测采集的水深数据进行水位改正、声速改正和动态吃水改正，以满足成图的要求。将处理后的水深（或水底高程）调入图中，进行必要的筛选整理，由软件生成等深线或等高线，加入必要的注记和地形、地物符号以及图框，形成完整、规范的水下地形图。

水下地形如图4.42所示。水下地形图可以是等深线（或等高线）图，如图4.42（a）所示，也可用专门的软件制作水下立体地形图，如图4.42（b）所示。