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第一章 海洋调查和探测技术(part2)_图文

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第一章 海洋 调查 探测 技术 part2 图文
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第一章第一章 海洋调查和探测技术海洋调查和探测技术第二部分第二部分第四节第四节 水声探测技术水声探测技术• 水下探测技术• 电磁波不同波段的衰减问题• 20赫到 2万赫• 1490年达 .芬奇艺术家 ,闭口管听船音 。• “泰坦尼克 ”----英国科学家 L.F.理查逊 两项专利 。美国科学家费森世界上第一台测量水下目标的实用装置 。• 声纳系统通常包括 :• 主动声纳—回声探测仪 、侧扫声纳 、鱼探器 、声学多普勒海流计 。• 被动声纳• 声纳重入系统• 水声遥测控制• 水声通讯议• 一 .主动声纳主动声纳工作原理框图(一)回声探测仪 (测深仪 )(一)回声探测仪 (测深仪 )• 1.基本原理• 声 波在均 匀介质 中做 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 、频率在 1500Hz 附近的超声波 , 在海面垂直向海底发射声信号 , 并记录从声波发射到信 号由水底返回的时间间 隔 , 通过模拟或直接 计算 , 测 定水体的深度。回声探测仪原理图• 水深的计算• H:水深 , C:声速 ( 1500m/s)• D:换能器吃水深度• 2.回声探测仪的组成• 3.仪器的校正小于 20m,改正法大于 20m,水文资料改正法改正法 :直接测量 ,修正• 水文资料改正法水文资料改正法水文资料改正法水文资料改正法吃水改正数 Δ Hb转速改正数 Δ Hn声速改正数 Δ Hc总改正数• 双频探测仪 —同时高低频发射• 低频深度 Hlf,高频深度 Hhf• 淤泥厚度• 4.四波束扫海测深仪• 四波束 扫海测深仪具有安 装灵 活 、 操作方便等优 点 。• 在航道 、 港口及近岸地 区大比例尺水下地形测量及障 碍物探 测中得到了 广泛应用 。四 波束 扫海测深仪主要由四 个收 、 发台的换能器 , 同步控制器 和记录器组成 。安装方式有舷挂式和 悬臂式 两种• 目前 , 我国各单位使用的四波束 扫海测深仪 , 主要有日本 产的 MS-I0 型 、 PS-20R 型及 PS-600 型 。• 以较先进的 PS-600 型为例 , θ 1 =16 ° , θ 2=6 ° , 当水深 Ho 为 20 m 时 , 换能器中心 间距为 3.86 m, 声波覆 盖宽 度 L 为 15.4 m,Ho 与 L 的关系为 :L=0.77Ho 。对于 MS-I0型 , 则为 L=0.63Ho 。(二)侧扫声纳(二)侧扫声纳• 又称 “旁视声纳 ”或 “海底地貌仪 ”• 侧扫声纳 的水平波束角极窄 , 般只 有 1.5°--2.5°, 垂直波束角 为 10° -30°• 组成 : 拖曳体 、 拖缆 、 绞车 收放 装 置、 发射接收系 统及终端记录装 置组成 。侧扫声纳拖 曳 体侧扫声纳示意图• 发射机与换能器基阵相对应 ,分左右两个发射机 ,统一于主控同步触发脉冲 ,产生的振荡脉冲分别送入左右换能器阵列 ,转换成声波脉冲向两侧海底辐射 。• 为补偿回波随时间 (距离 )增大引起的声波衰减 ,接收机设有时间增益控制 ,放大倍数随着声波传播时间变化 。• 拖鱼上的两个换能器 , 在与船迹垂直方向上分别发射一个扇形声波束 ,在水平面中波 束宽度一般是 1° -2 °, 在垂直面内一般为 20 °-30°, 并且相对水平面倾斜 10 °• 侧扫声呐换能器收到海底各点回波的时间有先后之分,故记录器在将一次声波脉冲发射过程中的各点回波记录时 ,是按先后次序依次记录在一条横线上的。• 如图所示 ,0 为零位线 ,M 为海面线 , 它是从海面 M反射回来的回波信号记录线 ,OM为换能器吃水深度 ; A为海底回波信号记录线 ,OA(Hf)为换能器至海底的深度 ;c为礁顶 。d e侧扫声纳系统拖 曳 式工作方式• 回波信号的强弱除与海底地貌的起伏 、海底底质的性质等有关外 ,还与传播路径的远近有关 。• 海底有一障碍物 (如暗礁 、沉船等 ):从a至b这一段海底基本是平坦的 ,由于接收机时间增益控制电路的补偿作用 ,α至b线的黑度是均匀 的。而隆起物正面 b至c一段海底 ,由于声波的掠射角增大 ,反向散射 回波强 ,记录 bc段的黑度就加深了 。过了C点以后 ,由于 Oc和 Od的斜距有一个突变 ,因而就有一段时间内没有回波信号 , 直到 d点为止 ,cd 段在记录纸上就没有记录 。再向前 ,de 段又是平坦海底。回波记录与 ab 段又一 样。侧扫声纳扫描隆起物的情形扫描声纳图像• ( 三 ) 鱼探仪• 在 20 年代初使用测深仪的时候 , 一些细心的航海家仔细观 察了测深仪记录之后 , 发现在记录上除了海底反射信号之外 , 还 出现星星点点的 黑斑。经过仔细研究 , 发现这种黑斑原来是鱼的反射信号 , 黑斑越多 , 鱼就越多 。所以垂直测深仪经过改进 , 就 成为专门的鱼探机 。现代的鱼探机都已小型化 , 功能增强 , 可利 用获得的鱼群回波 , 大致判断出鱼群的位置 、范围和密集程度 。 通常使用垂直探鱼仪可以探测底层的鱼类 ; 水平探鱼仪能探测上层和中层的鱼类 , 估计鱼群的大小和范围 。• ( 四 ) 声学多普勒海流计• 用于测量海流速度的仪器 。即以海底和海水作为调查声源的参照物 , 从船上向海中发射频率稳定的声脉冲信号 , 当声波到达海底 , 相对运动船上的声源 , 就会产生多普勒频移 , 由船上的接 收器接收海中和海底的声散射信号 , 通过计算机就可获得各层海水流动的速度 。在此基础上 , 还研制了剖面海流计 。采用这些设备 , 发现了大洋中有周期几十秒到几十分钟的内波传播 。• 一 .被动声纳• 无源声纳 ---根据水中目标所辐射的噪声或声源所发出的声音信号 ,判断所发声体的位置和特性 。• (三)动态定位和井口重入技术• 在海底放一个水声应答器作为基准点 ,同时在船上布放三个水听器进行应答测距 .在下钻作业时船上向基准点应答器发出脉冲 , 应答器收到信号之后发出回答脉冲 ,这回答脉冲被船上的三个测距水听器收到 ,这时可以测出三个水听器与基准应答器的距离 。当外界条件使船位移时 ,水声应答器测距系统随即测出这三个距离的变化 。将这些数据送入计算机 ,计算出船位的水平移动量 ,再开动几个可变螺距的推进器 ,使船复位 ,也就是使三个距离和原来的一样 。这样 ,船在不断运动中保持位置不变. • 四 .水声通讯技术• 水声通讯是无缆的水下信息传输设备 ,利用海水介质以应答和自动方式实时的传输各类传感器的输出数据至岸战 、指挥船或水面浮飘 。主要有水声通讯机 、水下图像传输 、水声遥测遥控系统 。• (一)水声通讯机• 利用声波在水下传递信息的设备• 分两种 :• 第一种 :载波语言调制声波或直接辐射语言声波• 第二种 :数字编码通讯• (二)水下图像传输• 港口工程建设 ,水下基础施工质量检查 ,灾害性天气造成的海上建筑物破坏情况调查 ,水下测量仪器设备的安装 ,以及隐蔽性工程等方面 ,在海洋环境监测 、海洋水产增养殖 ,在深海资源调查等方面均提供了有效 、直观的技术服务 。• (三)水声遥测系统• 用于海洋 环境参数 的调查 。• 把所要 测量的水下 环境参数变换 成水 声信息 , 传到处理船或岸站 来 , 经过 水声接收机处 理 , 重新 转换 成相 应的环境参数 信息 。• 组成 : 传感器 , 信号调 制器 , 功率放 大, 发射 、 接收 换能 器 , 信号解调器 , 计算机等 组成 。水下传输后的接收图像• (四)水声遥控系统• 组成 :船上声指令发射机 、水下声指令接收机和相应的控制机构 。• 如利用水声释放器按水声释放指令把水下浮筒放掉 , 使其浮出水面 , 以便船只跟踪回收 。遥控技术广泛应用于海洋调查 、水 下工程 、石油钻探和地震测量等方面 , 对水下油井的流量 、防喷器架、输油管道的阀门和水下爆破等 , 都可采用水下遥控方式 。• 各种海洋自动机 , 如无人深潜器 、海底自走车的行动及机械手自动作等 , 也可采用水声遥控 。• 五、海洋层析技术• 利用声学方法在大范围海城 测量 海洋动力特性的 -种遥感技术 。海洋声层析技术原理和医学上 X 射线成像术 (CT) 相似 。它是利用海中声速传播与海水温度 、盐度 、密度的关系 ,根据声传播时间的变化 , 反过来演算出海洋中温度 、盐度 、密度分布状况 。在海洋中用声波从不同角度穿过同一海区 , 利用穿透的结果 ( 主要是传播时间 ) 通过计算机反演 , 求 出被测海区的流场和温度场 。第五 节第五 节 海洋 观测仪 器海洋 观测仪 器一、海洋观测仪器的种类按原理 :声学式仪器光学式仪器电子式仪器机械式仪器遥测遥感仪器• 按操作方式 :• 投弃式• 自返式• 悬挂式• 拖曳式海洋 观测仪 器海洋 观测仪 器• 按所测要素分类• (一)海洋物理性质观测仪• (二)海洋化学性质观测仪• (三)海洋生物观测仪• ( 4)海洋地质及地球物理观测仪海洋 观测仪 器海洋 观测仪 器• ( 1)海洋物理性质观测仪• 1)颠倒采水器• 结构 : 颠倒采水器是由一 个具有活 门的采水桶构成 , 在上下活 门的两端装有平行杠杆 , 通过连 接杆将平行杆 连接在一起 , 使上下活 门可以同 时启闭 , 通 过仪 器下端的固定 夹杆和上端的 释放器及穿索切口把 颠倒采水器固定在直 径不大于 5 mm 的钢丝绳 上。• 原理 :• 当投下使 锤 ,击中释放器的撞 击开关 , 于是 挡钩张开 , 仪器上端离开钢丝绳 ,整个仪 器以固定 点为中心 , 旋转 180° 这时 , 通过连接杆使上下活 门 自动关闭 。当连 接杆移 动过圆锥 体的金 属片之后 , 上下活 门自动关闭 。• 当仪 器上端离 开钢丝绳 的同 时 , 使锤继续 沿钢丝绳 下落 , 击中固定夹体 上的小杠杆 , 使锤在钢丝钩 上的第二 个击锤 又沿 着钢丝绳 下落 , 击中下一 个 采水器的撞 击开关 , 使下一 个采水器也自动颠 倒、采水 。• 颠倒温度计的结构和原理• 颠倒温度计有闭端 ( 防压 ) 和开端 ( 受压 ) 两种 , 均需配在 颠倒采水器上使用 。前者用于测量 水 温 , 后者与前者 配合使用 , 确定 仪器的沉放深度 。• 2)颠倒温度计• 原理 :• 将两 支温度计 --主要 温度计 ( 简称 主温 1) 和辅助温度计 ( 简称辅温 2) 一同 装在一个厚壁玻璃套 (3) 内 。 主温用于 测量水温 , 辅温 用于 测量玻璃套管 内的温度以进行还原订正 。 主温与辅温 互相倒置 , 用两金属箍 (4) 和 (5) 固定在一起 , 并用软木塞 (6) 及镶在金 属箍上的 弹簧片 (7) 固定在厚壁玻璃套管 内 。• 主温由贮蓄泡和与其相 连的毛 细管 (8) 构成 , 在贮蓄泡与外套管之 间的 间隙里, 为了消除空气的 绝热 作用而 装有银 , 并用 软木塞 (6) 堵住使它不往外涌 ,• 水银不能完全 装满 , 以免 温度计沉入后贮蓄泡受到 压力而破裂 。• 在离贮蓄泡不远的毛细管上 , 有一狭 窄处(9), 并从这里向贮蓄泡方面伸出一盲 枝当温度计被颠倒时 , 水银必须永远断在盲 枝的分枝处 , 这是决定温度计示数量确性的主要原因。 在盲 枝 上面不 远的地方 ,有一 个弯 了一圈的困 环 ,整个圆环 部分的毛 线管部很彭大 , 它是用 来容纳在温度计颠 倒后由于 温度升高而 从贮 蓄泡膨 胀出来的水 银 。• 颠倒温度计测温记录 的整理• (1) 利用 颠倒温度计 测标准层水温时 , 温度计读数须作器差订正 。• 闭端温度计还原订正值• T--经器差 订正后的主 温表读数 ;t 经器差 订正后的補温 温表读数 , Vo --闭端颠倒温度计的主 温表自接受泡至刻度 0℃ 处 的水 银容积 , 以温度度 数表示 。• ( 2) 开端颠倒温度计还原订正值 K'• Tw 闭端颠倒温度计经 器差和 还原订正后的主 温表读数 ( 即当场 水 温 ); t ‘--开端颠倒温度计的辅温表经器差 订正后的 读数 ; T ’--开端颠倒温度计的主温表经器差 订正后的 读数 ; V0‘--开端颠倒温度计的主 温表自接受泡至刻度 0℃ 处 的水 银容积 , 以温度度 数表示• 3) 电子式 温盐 深自 记仪(CTD) 测温• CTD 仪自 1974 年问世后很快被用于海洋调查中 , 近年来在我国海洋调查中也日益广泛地使用CTD 仪。水下探 头部分• 目前国内外广泛使用的 CTD 剖面仪有Neil/Brown MarkⅢ型和 SeaBird 911 型。MarkⅢ型CTD由水下部分和船上接受部分组成 , 两部分之间用绞车电缆连接 。水下部分也称探头 , 它用来感应需测量的物理 量并将它们转换成移频信号 , 通过铠装电缆传送到船上的接受部分 。• 水下部分主要包括压强 (D)、温度 (T)和电导 率(C) 传感器相应的接口 、10KHZ 振荡器 、精密的 AC数字化器 、格式器 、控制器及移频调节器等电子元件器件和线路 。• 船上部分也称船上终端 , 用来发出各种指令, 接收水下部分传送来的信号并将它转换成二进制码或十进制码进行终端显示 .或通过各种接口传送到外部设备 .它主要包括电源 、解调器 、数模转换器 、显示器 、串行和并行接口等必备电子元器件的电子线路。它可连接音频录放音机 、计算机 、磁带机 , 绘图仪等外部设备 , 以用来存储 、处理和显示资料 。与其他同 类观测仪 器相比 ,CTD 具有零漂小 、 长期稳定性好 、 噪声低等优 点海洋 观测仪 器海洋 观测仪 器• 4).海流 观测• 机械旋浆式• 4-1)厄克曼海流计 : 它是瑞典海洋学家厄克曼在 1905 年首先设计制造的一种观 查海流仪器 , 它主要由支架、旋桨 、离合器 、计数器 、流向盒及尾舵等部件 构成 。在使锤的作用下 , 离合器使计数 器的齿轮和旋桨轴的蜗杆接触或分 离。但是 , 它不能测低速流 , 因为旋浆起动速度一般为 3 cm/s, 测量准确度一般为流速 ± 5 cm/s。• (基本已经淘汰 ,但原理在用 )• 4-2)磁录式海流计• 它是浮标用定点自记测流仪器 。• 工作原理 :• 多数将测量数据以二进制编码方式记录在磁带上 。最大使用深度为 1000-6000m.大致测量流速范围为3-400cm/s,准确度为 3-5cm/s,流向准确度 ±5º。• 如挪威产的安德拉海 流计, 它是目前全世界使用最广泛的海流计 。• 4-3)遥视海流计• 它是浮标用定点自记测流仪器 , 该仪器系统为双频道的无线电遥测装 置 , 包括装在浮标上的传感器和装在船上或岸上的接收装置 。流速与流向值根据自 记仪纸带上记录脉冲频率和相对位置而进行测定 。• 安装在岸上或船上的接收 装置能 够连续 定向接收来自三 个浮标的数据 。 其测量范 围为10~360cm/s, 流速 测量准确度 为 ± 5cm/s, 流向测量准确度 为± 5 ° .• 5)验潮仪 :通过测量验潮井中浮子的垂直位移记录潮位的变化 ,验潮井须与当地最低水位相通 ,且能很好地消波 。• (2) 海洋化学性质观测仪器• 海洋 观测 中所用的化 学仪 器 , 主要用 来测 定海水中各种溶解物的含量 .• 20 世纪 60 年代以前 , 大部分 项目要保存 样品带回陆上实验 室分析 .• 60年代以后 , 调查船上逐渐采用船用盐度计 、船用 pH 计、溶解氧测定仪 , 以及船用分光 光度计和船用荧光计 。• 近年来 , 船用单项化学分析仪器与自动控制装置相结合 , 形成船用多要素的自动测定仪器 。这种综合仪器还可以配备电子计算机 , 提高其自动化程度 . • (3) 海洋生物观测仪器 :• 海洋生物种类繁多 , 相应有不同的观 测仪器。海水中的微生物需采样后进行研究 ,采样工具有复背式采水器和无菌式采水袋 。浮游生物采样器主要有浮游生物网和浮游生物连续采集器 。底栖生物采样使用海底拖网 、采泥器和取 样管 。• 除利用化学仪器 测营养盐 ,利用光学仪器测定光场强度之外 ,还用荧光计测定海水中的叶绿素含量 。• 形态观察 :海底摄像• 小型浮游生物 调查• 1. 技术要求• (1) 采样层次和水 量 : 按规定标准层采样 , 采水量 500--1000cm3。• (2) 垂直拖网 : 小型浮游生物用浅水 III型浮游植物网或小型浮游生物网采集 , 按规定的网具自海底至水面垂直拖网取样 ( 图 13.4.2) 。固定后在实验 室内进行样品的分析鉴定 。• (3) 垂直分段拖网 。连续站或有特殊要求的站位则采用垂直分段拖网。 网具的规格 和垂直分段拖网采样水层见表 。• (4) 海洋地质及地球物理观测仪器 :• 底质取样设备是最早发展的海洋地质仪器 ,分表层取样设备与柱状取样设备两类 。表层取样设备又称采泥器 ,有重力式采泥 器、弹簧式采泥器和箱式采泥器 ,其中箱式采泥器能保持沉积物原样 。底质柱状采样工具有重力取样管 、振动活塞取样管、重力活塞取样管等 , 结合底质取样 ,还可以进行照相 。• 地层剖面仪利用声波在海底沉积物中的传播和反射测出地层结构 。海洋地球物理仪器有重力仪 、磁力仪和地热计等 。地热计结构比较简单 ,将热敏电阻安放在钢质探针的顶端 ,靠重力作用插入海底 ,便能测出海底沉积物的温度 。• 二、海洋仪器的发展特点• (1) 海洋仪器向多样化发展• (2) 系统化• 海洋仪器开始是单项测量的仪器 ,由20世纪 40年代末开始 , 出现了现场用的电子测 量仪器 ,使得多要素综合测量有了可能 。如温 -盐-深、流速 -流 向-温-盐-深-声速等 。除各种要素的传感器不同外 ,信号形式 ,处理器 , 记录器尽量通用 ,这样可使仪器结构简化 ,耗电减少 ,而使标准性、通用性 、互换性提高 。• (3)采用高技术计算技术 ,遥感技术 、水声技术 、激光技术课堂作业课堂作业• 1.什么叫海洋调查船 ?按调查任务分有哪些类型?• 2.海洋调查船有哪些主要特点 ?• 3.什么是海洋浮飘 ?说明海洋浮飘的种类和作用 。• 4.为什么说海洋遥感技术是先进的海洋观测技术 。• 5.什么是海洋卫星 ?主要应用于哪些方面 ?• 6.海洋遥感一般包括哪些技术 ?• 7.什么是水声技术 ?它包括哪些技术 。
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