测量基础-深度测量 水深测量的意义和目的

AnIntroductiontoDatabaseSystem湖南农业大学动物科学技术学院第二章测量基础-深度测量2012年9月主讲人：陈开健AnIntroductiontoDatabaseSystem*我们要认识海洋和水域，全面了解海洋和水域，首先应从它的外貌着手研究，然后再研究它的内在规律。——水深测量就是研究其外貌的一种手段。AnIntroductiontoDatabaseSystem 借助水深测量来了解海底地形的分布情况可以避免海面航行的船只搁浅、触礁，潜艇可以利用海底地形作屏障以避免被搜索。并使对方的信号接收仪器收不到潜艇发出的噪音。对国防和国民经济建设具有很重要的意义。 海洋调查中的水深测量是配合其他海洋要素观测的，作为这些要素测量的基础，船到站后，首先确定站位水深，由它来确定海洋要素的观测层次，然后再进行海洋要素的观测。AnIntroductiontoDatabaseSystem现场水深和海图水深 水深：固定地点从海平面到海底的垂直距离。 水深分为现场水深（即瞬时水深）和海图水深。 现场水深指现场测得的自海面至海底的铅直距离。 海图水深是从深度基准面起算到海底的水深。 我国采用的是“理论深度基准面”作为海图起算面。AnIntroductiontoDatabaseSystem 水深测量的时间，连续站每小时测一次；大面（或断面）调查，在船到站后即测量。传统的深度测量准确度为±2％。100m以浅，记录取一位小数；超过100m，记录取整数。 水深测量通常采用回声测深仪和钢丝绳测深两种方法。用回声测深仪的方法使用方便，测量快捷，结果准确度较高。AnIntroductiontoDatabaseSystem 用水文绞车上系有重锤（铅锤）的钢丝绳测量水深称为钢丝绳测深。 绞车是供升降各种海洋仪器和采样工具以及水深测量用的，因而它是调查船上最重要也是最基本的设备之一。 绳索计数器是用于计算放出或回收钢丝绳长度的仪器，由滑轮和滑轮轴组合的若干齿轮构成。AnIntroductiontoDatabaseSystem一、测深设备AnIntroductiontoDatabaseSystem二、测深方法定时探测时，根据海流的大小在水文绞车的钢丝绳前端挂一个铅鱼锤，其探测步骤如下：操纵绞车，放松钢丝绳，让重锤的底部恰好降到水面上，此时把计算器清零或记下计算器读数。操纵绞车，继续放出钢丝绳，当重锤触底而使钢丝绳松弛时，立即停车，然后将钢丝慢慢收紧，使重锤刚好触底时读取计数器指示数，并记录它，两次计数器的差即为实测水深。若钢丝绳倾斜时，应用倾角器测量钢丝绳倾角；遇到钢丝绳倾角过大时，应在可能条件下加重铅锤，使倾角尽量减少。当加重铅锤以后，钢丝绳的倾角≥10°时，应施行倾斜校正。如计数器误差超过范围,则需施以计数器校正系数的订正（校正系数在0.98～1.02之间，不必校正）。倾角超过30°时，应加大铅锤的重量或利用其他方法使倾角控制在30°以内。操纵绞车，收回钢丝绳。AnIntroductiontoDatabaseSystem三、测量深度的校正一、计数器器差校正 原因：在制作和使用中，由于机械磨损，存在一定误差，在使用前必须进行器差校正。 校正的方法：将钢丝绳通过计数器，自绞车上放出来，当钢丝绳的起端通过计数器时，将指针拨到“0”处，到放出一定数量（100～200m）后，用卷尺量取经过计数器的钢丝绳实际长度。用A表示校正系数： A＝L/l式中：L为所放出钢丝绳的实际长度；l为计数器的示数。AnIntroductiontoDatabaseSystem 二、钢丝绳的倾斜校正 原因：受海流的影响，钢丝绳的长度比实际的深度大，需进行倾角订正。 校正的方法：用倾角器测出倾角后，仪器沉放的实际深度： ：经计算器差校正后的钢丝绳放的实际长度； ：倾角 ：计数器滑轮到海面的高度 实际工作中常把上式变成改正式：AnIntroductiontoDatabaseSystem 前提条件：认为钢丝绳以直线形式斜放入海中的，表示，上下层流速、流向一致、水摩擦阻力可以忽略的情况下是可能的。但实际测量中，钢丝绳在水中的往往不是直线，而是比较复杂的曲线，因为上下层流速大小的不同，流向的方向不同，钢丝绳末端悬挂的铅锤的形状、大小和重量等有关。 许多海洋学家做了不少的实验和研究，但没有获得理想的结果。因此，在目前实际工作中遇到钢丝绳倾斜时，最好是用重锤增加钢丝绳末端悬吊的仪器重量，以减小倾角，尽量不加以校正。AnIntroductiontoDatabaseSystem 如果加重后，钢丝绳倾角仍然≥10°时，就要进行校正。进行钢丝绳水上部分校正：根据计数器高度和倾角查《钢丝绳倾斜时水上部分订正值》表，得出校正值，然后将水上钢丝绳长减去校正值，得到水上钢丝绳实际长度；进行钢丝绳水下部分校正：用钢丝绳的水下长度和倾角，查《船只抛锚时钢丝绳倾斜水下部分订正值》表，得钢丝绳倾斜的水下部分订正值。依下式算得实际深度:AnIntroductiontoDatabaseSystemAnIntroductiontoDatabaseSystem订正示例 已知： 计数器离水面得高度＝6m 钢丝绳倾角＝30° 入水钢丝绳长＝100m 求实际水AnIntroductiontoDatabaseSystemAnIntroductiontoDatabaseSystem订正示例 根据和查表得＝0.9m， 根据与得＝5.2m， 实际深度＝93.9mAnIntroductiontoDatabaseSystem四、使用绞车的观测前应了解绞车和钢丝绳的最大负载及绞车的各种开关，各挡速度及刹车的结构和性能，并熟悉开车、停车、快慢车和正倒车的操作。检查钢丝绳有无细刺、折断的钢丝和扭折痕迹，严重时应更换，工作过程中应尽量避免钢丝绳挤伤或折伤；如排绳器发生故障，应协助绞车排绳。绞车卷筒应保持顺利转动，轴承和齿轮应经常保持足够的润滑油，但禁止在刹车带里涂油。调查结束后，将绞车、钢丝绳和计数器擦拭干净，并在计数器和钢丝绳上涂抹黄油，然后用帆布生将绞车盖好。AnIntroductiontoDatabaseSystemAnIntroductiontoDatabaseSystemAnIntroductiontoDatabaseSystem 利用声波在海水中的直线传播，触海底后反射回来的特性 其测深原理如图2－2所示。图中发射超声波的装置，称为发射震动器，接收海底回声的装置，称为接收震动器。它安装在船底，若超声波由发出，到达海底后，立即反射回来，被接收，前后经过的时间间隔为西t，那么，由船底到海底的距离S为： S=（1500×△t）／2 H=S十h 式中h为船吃水深度；H为真实水深。 实际使用中，直接在回声测深仪指示器上读取深度数据。AnIntroductiontoDatabaseSystem回声测深仪的进一步应用 我国使用回声测深仪的船只较为广泛，它不仅记录迅速，而且在停航和航行中均可进行工作，并能把连续测得的结果记录下来，使我们能得到整个航线上的深度、地形分布轮廓和固定站位的潮汐情况。AnIntroductiontoDatabaseSystem第3章、潮汐测量 沿岸潮位变化直接关系到船舶的进出港口，海洋和海岸设计、海军的水雷布设深度、风暴潮和潮汐预报、海涂围垦、潮汐发电等方面。 因此，潮位观测对确定平均海平面和深度基准面、潮汐表制作、风暴潮预报、海上作战指挥、海底电缆的敷设、地震预报等具有非常重要的意义。AnIntroductiontoDatabaseSystem 《海洋调查》中规定水位测量的准确度为：水深在10m以浅时，测量的准确度为±0.05m；水深在10-100m范围内时，测量准确度为±0.1m。规定取样时间间隔：连续观测在30昼夜以内时，取样时间间隔为5min；连续观测超过30昼夜时，取样时间间隔定为10min。水位观测需测的量如下：总压强，它是气压与水压的总和、由水位计的压力探头测得，kPa。现场水温，由水位计温度探头测得,℃。现场气压，由自记气压表测得,kPa。 《海滨观测规范》中规定：潮高测量的准确度规定为三级：一级±1cm；二级±5cm；三级±10cm。AnIntroductiontoDatabaseSystem潮位和潮位变化 水体的自由水面距离固定基面的高度统称为水位。海洋中的水位又称潮位。 潮位变化包括在天体引潮力作用下发生的周期性的垂直涨落，以及风、气压、大陆径流等因素所引起的非周期变化，故潮位站观测到的水位是以上各种变化的综合结果。AnIntroductiontoDatabaseSystemAnIntroductiontoDatabaseSystem水尺观测 仪器校准和临时性观测。 采用人工读数平均法消波。波高越大误差越大，波高1.5m，精度5cm；平静海况下，2cm。AnIntroductiontoDatabaseSystem形形色色的水尺AnIntroductiontoDatabaseSystem浮子式验潮仪器观测 采用浮子式验潮仪观测的需要建造验潮井，采用其他验潮仪观测一般不用验潮井。 验潮井是为安装验潮仪而专设的建筑物。验潮井按其建筑结构形式可分为岛式和岸式两种。AnIntroductiontoDatabaseSystem岛式、岸式验潮井AnIntroductiontoDatabaseSystem验潮井的要求 井筒一般为圆形，内径0.7-1m 井口应高于可能最高潮位1.5-2m 井底应低于可能最低潮位1m以上 井筒开有进水孔，其高度约在可能最低潮位下0.5-1m。 进水孔必须要保证验潮井有较好的随潮性和消波性（设计可按规范要求并考虑海区的其它因素影响）。 英国政府1965年公布的验潮井手册中推荐的小孔直径与井直径之比为0.01，截面积之比为万分之一 我国一般为五百分之一。岸式验潮井的输水管需符合规范要求（1m,5%,r=1m时管长与直径：5-0.01,10-0.12,15-0.14）。AnIntroductiontoDatabaseSystem浮子式验潮仪介绍 浮子式验潮仪一般是利用放在验期井内的浮子随潮位涨落升降，通过传递绳带动绳轮和记录筒转动实现潮高记录；同时，由时钟控制记录笔尖做水平匀速移动，实现潮时记录。AnIntroductiontoDatabaseSystem浮子式验潮仪介绍AnIntroductiontoDatabaseSystem浮子式验潮仪介绍 SCA5-1水位自记仪（1992年通过鉴定）由国家海洋局海洋技术研究所研制。仪器的数据转换装置采用单片机系统，RS232串行接口，可与微机系统进行通讯。其终端采用两种形式①单一潮位显示器，只显示瞬时水位；②采用小型微机，自动采集、处理潮汐资料，自动显示打印潮位数据．自动绘制潮位曲线，自动存储录制潮位数据．并可独立与计算机系统通讯绘制潮汐报表。数据采用电话线传输或电力载波传输。仪器适用于无入值守的台站使用。仪器测量范围为0-10rn，准确度为±1cm，潮位分辨率为00.1cm，可连续24h工作．采样时间为1min。AnIntroductiontoDatabaseSystem压力潮汐测量仪3-1国产压力式验潮仪器SCA2－2型（原SCL2－2）压力式验潮仪由国家海洋局海洋技术研究所研制(1987年通过鉴定，是SCA2－1型的改型），是一种无井验期仪。仪器基于测量水下或与水面相联系的水上某液面的压力来测量潮位数变化。仪器终端来用微机系统。但还保留了A／D转换和模拟记录部分，以确保仪器的可靠性。潮高测量范围为0—8m，精确度≤10mm，潮时测量精确度5min/d，传输距离：电缆1000m，气管500m,连续24h工作。该仪器于1983年曾被联合国教科文组织海委会推荐给一些第三世界国家使用。AnIntroductiontoDatabaseSystem压力潮汐测量仪 SSA2－1型便携式潮汐仪，是由国家海洋局第一海洋研究所研制的一种无井验潮仪（1991年研制）。由微机、水下探头、电缆和内外导管组成．可实时对大气压力、温度、盐度、重力、涌浪、海流要素进行补偿，能立即打印准确潮位值。AnIntroductiontoDatabaseSystem压力潮汐测量仪 HYC－01便携式验潮仪是由海军海洋测绘研究所研制。1995年12月，海军海洋测绘研究所与北海舰队海测船大队等单位于黄海某海区进行了自动验潮仪海上试验，自动验潮仪达到国际同类产品的先进水平。自动验潮仪的组成：从空间上自动验潮仪分为两部分:水上机和水下机。水上机包括:释放应答器(含换能器)、数据接收器及数据处理机;水下机包括:水位计(验潮主机)、释放器(含换能器)、基座(或沉块)、浮球、理电池。自动验潮仪工作水深10－200m，连续工作40天以上，压力采集间隔可选1分钟、5分钟、10分钟等等，潮位精度为现场水深的1‰，工作环境的温度为0－50℃，定时精度40天内误差小于12秒。AnIntroductiontoDatabaseSystem压力潮汐测量仪 3.2国外压力式验潮仪器 WLR7水位记录仪AnIntroductiontoDatabaseSystem压力潮汐测量仪工作原理 观测需测的量如下：总压强P，它是气压与水压的总和、由水位计的压力探头测得，kPa。现场水温T，由水位计温度探头测得,℃。现场气压PA，由自记气压表测得,kPa。 在传感器之上的海水高度H为:AnIntroductiontoDatabaseSystem超声波潮汐计 超声波潮汐计种类较多，如美国国家海洋大气局(NOAA)研制的Aguatrak系统、澳大利亚的新一代水位测量系统(NGWLMS)、法国MORS公司环境分部研制的BENNIVUS01型超声水位测量系统等等。 SCA6-1型声学水位计(国家海洋局海洋技术研究所)是利用空气声学原理研制的新型水位测量仪器。SSAI一1型声学水位计系国家海洋局第三海洋研究所生产。AnIntroductiontoDatabaseSystem超声波潮汐计原理 一般由声学传感器、温度传感器、声管、测量电路、信号传输电缆、微电脑数据采集处理组成。 关键技术：1.空气声学测距；2.数字滤波；3.自校准。AnIntroductiontoDatabaseSystem超声波潮汐计原理 声学测量中，温度的影响是产生测量偏差的主要原因，温度变化1℃，将影响声速变化约0.18％，为了在不均匀的声场进行准确测量，采集水位的同时，还要采集声程数点的温度值，修正声速，对水位测量值进行温度补偿，减小温度梯度造成的测量误差，提高测量准确度。AnIntroductiontoDatabaseSystemTD301R温深仪－仪器简介 TD301是精密的温深仪，适用于大洋、湖泊、水库、下水道、江河……的测量。它的传感器是即插即用的，并且可以与计算机兼容。所有的设定比如测量间隔、同步时钟等等，都可以通过菜单找到。所有的程序和校准参数都保存在一个稳定的寄存器里，即使断电后也不会丢失。但是当存储器已满后，旧的数据将被新数据所替代。如果是外接电缆进行实时观测，数据就会通过一个防水的RS－232输出口传输到外接的计算机上，通过一个综合的计算机程序可以方便的进行数据的传输和处理。AnIntroductiontoDatabaseSystemAnIntroductiontoDatabaseSystemTD301R温深仪－传感器设计 仪器内部全部元件被保护在一个聚亚安酯固体外壳里。压力传感器植入仪器，通过中部带有一个小孔的保护盖进行压力测量。传感器是压电型，对温度敏感，但是可以通过一个独有的内置补偿算法来校正。水温是通过热传感器来测量。 TD301有一个内置的可替换的电池，是自容式的温深仪。它有两个磁性开关，START和CONFIRM，由一个磁性棒来控制。使用者可以通过侧面内置的发光二极管来判断仪器是否正常工作。AnIntroductiontoDatabaseSystemTD301R温深仪－菜单 当把仪器和计算机相连，使用者就可以根据显示的菜单，读取记录数据，改变测量模式或者校准模式等。另外，菜单还具有很多有用的功能，比如设置同步时钟、积分时间、波特率、删除数据和显示电池寿命等等。AnIntroductiontoDatabaseSystemTD301R温深仪－操作模式 TD301通常测量海洋和湖泊的剖面，有自容和实时两种模式。如果采用自容模式测量，必须把后来测量的所有压力数据扣除最开始测量的压力数据。因为最开始测量的是海表空气的压力，之后测量的才是水中的压力。这种模式只需要用磁性棒控制仪器的开和关即可。 采用实时观测模式，可以通过键盘来设置初始的空气压力。每一次完整的测量（从成功的开始测量到结束测量）都被连续的记录下来，为了区分下一次测量，每个记录都带有传感器的编号，日期和时间。AnIntroductiontoDatabaseSystemTD301R温深仪－数据读取与处理 数据可以随时从仪器内部的存储器中读入计算机。仪器可以与各种标准的计算机相连，来设置仪器的状态和读取数据。但是必须使用MINISOFTSD200W这个软件来进行以上操作。该软件包含了数据的传输和处理功能，可以把数据转换为计算机的文件，提供了很多强大的图形和表格处理功能，而且数据可以进行更复杂的处理。AnIntroductiontoDatabaseSystemTD301R温深仪－校准 随仪器配有校准参数，这些参数都存在存储器里，随时可以调出来查看。由于传感器和线路长时间良好的稳定性，仪器可以很多年都不用从新校准。使用者需要持有正规的计量论证，厂家提供高效低费用的校准服务。如果使用者希望自己进行校准，操作手册可以提供很好的帮助。AnIntroductiontoDatabaseSystemTD301R温深仪－参数 压力：量程：20，50，100，200，500-6000m*分辨率：0.001％FS精确度：＋/－0.01％FS 温度：量程：-2～+40’C分辨率：0.001’C精确度：＋/－0.01’C 反应时间：<0.5sec 存储器：CMOSSRAM 容量：22000个温深数据 数据输出口：RS232ASCII1200-9600波特率，1开始，7数据，1停止。 时间间隔：可设置：1sec~180min 同步时钟：＋/－2sec/day 电源：2ea3.6V锂电池推荐型号：SAFTLSH14500可保证300.000个数据 电流消耗：主动式：<10mA被动式：<60uA 尺寸：长170mm，直径45mm 重量：在空气中0.5kg，在水中0.3kgAnIntroductiontoDatabaseSystemTD301R温深仪－操作步骤改变仪器的状态： 当仪器与计算机联机后，可以通过敲击键盘的I键控制仪器的开或关，或者通过磁性棒擦拭START开关。S灯亮后表明仪器已经激活。仪器记录着最近的一次设置并在屏幕上显示出仪器的状态。如果状态中的时间间隔是所需要的，仪器便可以使用。否则，可以根据菜单进行修改状态。菜单的各项功能都自带说明。如果一分钟不使用菜单中的命令，仪器便会自动退出菜单模式。开始测量： 用磁性棒擦拭START处，当S灯开始闪烁后，再用磁性棒擦CONFIRM后，C灯短暂的闪烁表示仪器已经确定被激活，开始以内部设置好的时间间隔开始记录。C灯的每次闪烁代表一个新的记录。AnIntroductiontoDatabaseSystemTD301R温深仪－操作步骤停止测量： 通过磁性棒擦拭CONFIRM处后再擦拭START处来终止仪器的测量。随着C灯短暂闪烁后仪器便停止工作。下载数据道计算机： 将仪器和计算机连接，通过磁性棒擦拭START或者按I键来激活仪器，出现菜单模式后点击Download键后数据就可以下载到用户的计算机上。实时观测： 可以通过一个外接电缆进行实时观测，以1200～9600的波特率，1秒～180分钟的间隔进行传输数据。AnIntroductiontoDatabaseSystem*