海底测量的相干声纳系统

一、相干声纳系统的特点 人们对回声测深仪、侧扫声纳、多波束测深仪都比较熟悉了,近年来又出现一种可对海底地貌高密度、高精度测量的相干声纳系统。什么是相干声纳(interferometric seabed inspectric sonar)呢?它是一种利用多声板接收回波的振幅、时间和相位差来对海底各点准确定位,并快速采集和处理大量的数据的系统。相干声纳(缩写ISIS)集水深探测技术和成像技术于一体,不仅可以测量水深,而且可以同时给出海底三维立体图、等深图、侧扫声图。

高精度海底重力测量在探测隐伏断裂中的应用

依托于山东省黄渤海海域高精度重力测量案例,系统性总结了高精度海底重力测量技术方法,并以牟平-即墨断裂、桃村断裂、海阳断裂、武宁断裂等陆域区域重大断裂为例,利用欧拉反褶积以及位场转换等数据处理方法,精确定位了断裂构造在海域的延伸展布位置,形成了高精度海底重力测量在探测隐伏断裂中的应用示范。结果表明:高精度海底重力测量方法可以有效提升浅海地球物理探测技术能力,为海洋基础地质研究、矿产资源勘查、重大工程建设等相关领域提供基础资料。

走向深海,发展自立自强的海底大地测量基准

海洋是重要的经济通道和安全屏障,需要建立实时、快速感知海洋环境变化的海底基准网。海底大地测量基准在海洋资源勘探、海洋科学研究和保障海洋安全方面具有巨大优势和重要作用。通过回顾国内外海底大地测量基准构建的发展情况,分析和讨论了构建海底大地测量基准的主建思路和关键科学问题。阐述自主发展和构建海底重力基准的意义,并分析构建基准网需要重点突破的关键技术。在量子精密测量技术不断突破的基础上,提出利用量子测量技术改变现有观测技术缺陷的思考,有望加快建设海底大地测量基准网,为水下复杂环境提供陆海连续、安全可靠和高精度的时空服务。

海底震后形变多基站联合估计模型

海底基准站坐标时序可用于海底震后形变监测,但受观测条件和观测成本所限,海底基准站定位精度相对较低,难以获取高时间分辨率海底基准站坐标时序.针对小样本、非连续海底观测时序分析问题,本文提出将站速度、震后形变参数作为多个邻近基准站的公共参数进行联合估计,并将N-E方向震后形变弛豫因子也作为公共参数;提出了求解站坐标、站速度等线性参数与震后形变非线性参数进行混合非线性估计的“一步法”.试验表明,相对单站估计模型,本文提出的多站联合估计模型可克服海底基准站坐标时序样本有限和精度受限等问题,且相对于站速率和震后形变参数分离估计的“两步法”,“一步法”更为严密,可获得更为有效的震后形变参数估计.

基于区域生长的侧扫声纳海底线追踪算法

针对当前侧扫声纳海底线自动追踪存在有飞点、连续性较差、易受噪声影响等问题,通过分析侧扫声纳海底线形成机理及图像特征,提出了基于改进的区域生长法的侧扫声纳图像海底线追踪方法,首先利用控制生长方向方法优化区域生长法计算复杂度高、效率低的问题,在提高追踪效率的前提下抗干扰能力也得到了有效加强,然后利用大滤波核中值滤波方法在保留海底边界特征的同时提高海底线连续性,最后利用二次区域生长方法针对性消除航迹线对瀑布图海底线的影响。通过对该方法进行研究和实验,成功实现了海底线自动追踪提取。在秦皇岛附近海域开展现场测试,论证了与传统阈值法提取海底线相比,提出的新方法在抗噪能力、连续性、普适性等方面都具有更好的效果。

多波束探测技术在海底地形测量中的应用研究

海底地形测量是海底资源开发和近海规划的重要环节,目前应用较多的是多波束探测技术,但由于传统追踪算法的限制,测量重叠区域误差数值通常在1 m以上。基于此,本文提出基于无迹卡尔曼滤波器的海底地形跟踪算法,并在渤海西侧、秦皇岛市北戴河区某海域进行原生海底对比研究,详细阐述多波束探测技术的安装方式、参数校正和本文算法的实现过程,最终验证使用本文算法能够将测量重叠区域误差数值控制在0.6 m以下,大幅度增强多波束探测技术的应用性能。

海底微地貌测量系统

研制的IOA 1高分辨率测深侧扫声纳 (HRBSSS) ,为了解决现有测深侧扫声纳 (BSSS)在其正下方附近的测深精度差以及不能检测从不同方向同时到达的回波 ,难以在复杂地形上工作的缺陷。把高分辨率波束形成技术 ,即高分辨率到达方向 (DOA)技术应用于测深侧扫声纳 (IOA 1HRBSSS)的研制 ,使声纳能克服多途效应 ,并能在复杂海底上工作。在深水湖进行了长时间的试验 ,试验表明以上理论和设计是正确的 ,在国际上首次研制成功了高分辨率测深侧扫声纳实用样机。

海底地形测量波束角效应改进模型

在海洋测深过程中,回声测深仪波束角效应使记录的测深图像失真。现有波束角效应模型应用分段解析几何的方法将其划分为三个作用过程:测深值平移效应、双曲线增伪效应、深度丢失效应。在此基础上,应用微分几何的原理对波束角效应的空间结构及其数学原理描述进行理论分析,提出了波束角效应的改进模型及其改正算法。改进模型的优越之处在于提出决定波束角效应发生作用的是海底地形的线性特征而不是形状特征,由此提高了改正算法的自动化程度。

海底地形测量成果的质量检核评估(二):深远海海域声速剖面的获取

声速改正是海底地形探测资料处理的关键技术环节之一,而声速剖面的质量则将从源头上影响声速改正的精度。针对当前深远海海域海底地形探测中在何时、何地布放何种声速仪器获取声速剖面性价比更高的技术难题,提出将海底地形和温盐场作为在深度方向和时空间布放声剖站的设计依据,开展了基于WOA13温盐场提高XBT计算声速剖面精度试验。结果表明,基于已有的海底地形和温盐场可提高深远海海域声速剖面站布设的性价比。

投弃式温盐深测量仪在海底地形测量中的应用

介绍了投弃式温盐深测量仪(XCTD)的原理和特点,利用它获得的声速剖面数据与声速剖面仪测量的声速剖面数据进行了精度对比,论述了在特殊环境下,利用多波束测深系统进行海底地形测量时,使用XCTD进行声速剖面测量的优势,解决了测量船停车才能进行声速剖面测量的弊端,显著提高了多波束测深系统作业的效率。

海底地形测量成果的质量检核评估(三):自容式压力验潮仪数据的精密处理

水位控制是海底地形测量资料处理的重要技术环节之一,潮汐观测数据质量控制则是提高水位改正精度的关键。针对当前自容式压力验潮仪使用中经常会遇到的潮汐观测数据缺失、波浪扰动影响等技术难题以及海水密度精密改正、基准面传递确定等技术需求,开展了相关理论方法研究并开发了较实用的潮汐数据处理模块。结果表明,经多个环节的精密处理后潮汐观测数据精度提高明显,适用于海底地形测量水位改正及其他海洋工程应用。

基于GNSS的多波束测深系统在海底地形测量中的应用

为探究大连市某海域一工程区海底地形特征,在GNSS技术的支持下,详细介绍了多波束测深系统测量海底地形的方法和过程,同时对海底地形测量中的注意事项进行了总结。结果表明,该方法是一种外业操作简单、数据处理便捷、测量精度可靠的海底地形测量手段。

海底地形测量波束角效应的建模与仿真

为了解决回声测深仪波束角效应引起测深图像产生失真变形的问题,应用微分几何的原理对波束角角效应的空间结构及其数学原理进行建模,找出失真规律,并提出了波束角效应的失真模型。模型的优越之处在于提出决定波束角效应发生作用的是海底地形的线性特征而不是形状特征。最后设计仿真试验对模型进行了验证,仿真结果证明了模型的正确性。

海底大地控制网无人观测系统研究进展

针对海底大地控制网观测维护通常采用基于大型测量船的全球卫星导航系统(GNSS)-声呐组合观测系统,不仅导致控制网观测维护成本高昂,也限制了控制网的复测频次和全球大规模应用的问题,研究综述海底大地控制网无人观测系统:指出近年来,基于海面浮标、无人船、波浪滑翔机、无人机等无人系统的GNSS-声呐组合观测系统快速发展,大幅降低了传统海底大地控制网观测成本,提升了海底控制网观测维护效率;阐述国内外GNSS-声呐无人观测系统研究进展,并分析现有无人观测平台的优缺点;最后提出GNSS-声呐无人观测系统发展面临的挑战和可能的发展方向。

海底地形测量技术在南麂列岛生态浮标选址中的应用

介绍了水深测量的方法、水深测量误差的影响因素以及海底地形测量技术方案等,并以南麂列岛生态浮标选址海底地形测量项目为例,叙述了单波束配合人工潮位观测进行海底地形测量全过程,并对结果做了分析。

邻近海底基准站坐标时序联合处理模型

海底基准站复测观测可用于海底构造和海底地震等灾害研究。然而,受观测条件和供电等因素影响,难以实现长时间不间断观测。为解决时间序列观测中新旧海底基准站替换位移补偿和站点偏移量计算问题,可采用中心点法求取相对于海底基准站网的虚拟中心点坐标的位移量,进而构造海底基准坐标时序,以监测海底构造运动。针对相同的问题,本文借鉴地球参考框架维持方式,直接利用可能存在间断的海底基准站网时序观测数据,提出了基于参考协议历元的海底基准坐标时序多站联合处理模型,即在一个区域基准站网内,各站点坐标作为局部参数,而站速度作为公共参数。本文方法适合于海底参考框架的建立与动态维持,利于对区域网内各站点坐标时序实施精细质量控制。结果表明,本文方法可以代替中心点法,且抗差估计结果更为可靠,与中心点法确定的海底基准站年速度估计之间的差值平均为3 mm/a,可为国家海底空间基准维持提供一种途径。

海底重力测量精度的影响因素及评价方法

海底重力测量以其高精度、横向高分辨率等优势,完善了海洋勘探技术体系,为基础地质研究、资源勘查、重大工程建设、大地水准面精化等提供支持。通过在渤海海域开展海底重力测量,取得了约15000 km2的重力数据,对海底重力测量精度的影响因素及评价方法进行了研究。海底重力测量精度相比于陆域存在诸多干扰因素,主要受水深、海底底质、海况、平面和高程测量精度、近区地形改正等因素的影响。本文以测点布格重力异常值为评价指标,研究分析各项因素对海底重力测量精度的影响。结果表明:①超浅水域,环境干扰对海底重力测量精度影响较大;②海底底质较硬区域,重力测量精度较高;③风力对海底重力测量精度影响较小,引起的海浪、海流会有限地影响观测精度;④平面定位精度对海底重力测量精度影响相对较小;⑤高程是海底重力测量精度影响最大的因素;⑥海底地形平缓区域、近区地形改正对重力精度的影响可忽略不计。同时评估了相对重力值法、布格重力异常值法、重力异常插值法3种质量检查方法,研究揭示以布格重力异常值为指标的评价方法更具合理性,符合海底重力测量的特点。

基于深度学习和形态学的海底沙波谷线提取

为了提高基于侧扫声纳图像提取海底沙波谷线这种类别不均衡线状地物的精度,提出了一种深度学习与数学形态学相结合的方法。该方法采用Dice损失函数和添加批标准化(batch normalization, BN),对U型卷积神经网络模型(U-Net)进行改进;结合数学形态学中的闭运算和骨架法,对沙波谷线轮廓进行修复并提取线性特征;进一步将改进的U-Net模型与支持向量机(support vector machine, SVM)、随机森林(random forest, RF)、面向对象分类以及U-Net模型进行精度对比验证。结果表明:改进的U-Net模型能够解决类别不均衡的问题,实现沙波谷线的高精度提取,该方法对海底沙波的研究具有重要的科学与工程应用价值。

利用深海潜水艇进行海底重力测量

Gravity measurement on the sea bottom is essential to detect the precise structure underneath the sea bottom and to estimate the density of sediment and bedrock.Measurement by use of on-land survey systems on board the deep sea submersibles SHINKAI 2000 and SHINKAI 6500 was carried out in the tectonically active sites:in the southernmost part of the Toyama Trough and the adjacent Toyama Deep Sea Channel,over the two small knolls located in the southernmost part of the "Fukaura Small Hills"off Oga Peninsula,in the WMARK area,western Mid Atlantic Ridge-Kane Transform intersection,etc.in these areas high-precision gravity anomalies higher than those expected from the surface-ship survey were obtained.Active tectonics occuring in these sites was discussed through the analysis of the obtained gravity data.

声速剖面测量误差对水下定位的影响

声速误差是全球导航卫星系统/声学定位的主要误差。受海洋环境的复杂时空变化和声速测量多来源误差影响,声速剖面必然含有测量误差,从而影响水下定位结果的精确性。在仅考虑声速垂向分层假设的前提下,本文对声速剖面观测中不可避免的系统误差和随机误差对海底应答器定位的影响进行了研究。结论如下:当海面航迹关于海底应答器成轴对称时,声速误差主要反映在垂直方向以及其中一个水平方向;当海面航迹关于海底应答器成中心对称时,声速误差主要反映在垂直方向,且水平方向的精度几乎不受声速误差的影响;声速剖面无论是含系统误差,还是随机误差,其对定位结果的影响都是系统性,对海底应答器定位结果的影响规律也是相同的,且均可由顾及声速剖面时空代表性误差的海底精密定位模型予以削弱。