海道测量学概论

《海道测量学概论》Introduction for Hydrography 第二版

肖付民 刘雁春 暴景阳 徐卫明编著 测绘出版社

海水的声学性质

发声体产生的振动在空气或其他弹性介质中传播的波动称为 声波

声波借助各种介质向四面八方传播，声波通常是纵波，也有横波。

声波在三维空间传播时，其变动状态在同一部分上一般可取一个面，这个面就称为波阵面。波阵面为球面的称为球面波，波阵面为平面的称为平面波。研究水下声波时，由于声源的大小有限，声源发射的声波以球面波形式传播，而离声源相当远的声波在声波发生反射、散射时，多数情况将球面近似平面处理。

声波传播造成海水中某点压力的变化，称为声压。

声波在传播的过程中，也传播能量，单位时间单位面积流过的声能，叫声强，单位为dB。

水下通信、海洋信息和海底底质信息获取时，大都利用声波，这主要是海水对声波的吸收、衰减比对电磁波及其他波动小得多。

声速是关于温、盐、压的函数，以海水温度对声速影响为最大。

无月为朔，满月为望

当月亮绕行到太阳和地球之间，月亮阴暗的一面对着地球，这时叫朔，农历初一，之后至十五上弦月。

当月亮绕行至地球后面，被太阳照亮的半球对着地球，此时地球处于月球和太阳之间，这时叫望，农历十五或十六。

海洋潮汐测量

海洋潮汐是海洋中存在的一种长周期波动现象，认识和了解海洋潮汐是人类开发利用海洋资源、进行军事和科学研究的基础之一。

潮汐现象：海水受月球和太阳引潮力的作用，并受海底地形和海岸形状影响而产生的一种规律性的海面升降运动称为海洋潮汐。它反映的是海水的一种周期性运动，在大多数情况下，这种运动的平均周期为半天左右，即一昼夜内约完成两次海面涨落过程。古人把白天的涨落称为潮，夜间的涨落称为汐，合称潮汐。潮汐是海洋海面的一种典型变化现象。

海洋潮汐现象可由海面高度在设立于海水中的垂直标尺上随时间的变化得到定量认识，它反映为一种周期性的振动。由于产生潮汐现象的根本动因是月亮（太阴）和太阳等天体施加的引力作用，因此海面的变化与主要引力潮天体（月亮）的位置有一定关系。潮汐变化的形态可用一些术语表示：

潮高：从某一基准面量至海面的高度。

月中天：月球经过某地的子午线圈时刻，称为对应地点的月中天或太阴中天。

潮差：两个相邻的高潮和低潮的水位高度差称为潮差。潮差的大小因地因时而异。

潮汐周期：两个相邻高潮或两个相邻低潮之间的时间间隔，称为潮汐周期，简称周期。

潮汐类型

根据变化周期不同将潮汐类型分为四类：

（1）正规半日潮：在一个太阴日（约24小时50分钟）内，出现两次高潮和两次低潮，相邻的高、低潮之间的潮差几乎相等。

（2）不正规半日潮：同上，但相邻的高、低潮之间的潮差不等，涨落潮时间也不等，且不等是变化的。

（3）不正规日潮：在一个朔望月内大多数是不正规半日潮，但有几天会出现一日一次高潮和一次低潮。

（4）正规日潮：在一个朔望月内大多数是日潮的性质，少数天发生不正规半日潮。

人们所能观测到的海面主要变化部分是在天体引潮力的驱动下、在观测地点海底地形和海岸形状制约下的海洋动力学作用引起的潮位（潮高）。除此之外，海面还受气压、海面风等气候、气象作用影响，产生变化，称海面这种垂直变化为余水位。当然这种划分并不是绝对的，在求得的部分潮汐频谱分量中往往仍存在气象因素的诱导成分。

这样，实际观测的水位是潮位和余水位的综合，同时带有一定的（较小）的观测误差。也就是说通常观测的海面变化是综合水位变化（潮位是最大组成部分），一个区域内各点的瞬时水位值的空间分布形态即为瞬时海面。

通常对水位的观测称为水位观测，因为水位的主体是潮位，有时又称潮位观测。该项观测在海道测量中习惯称为验潮。验潮的目的是了解当地的潮汐性质，应用所获得的观测资料，来计算该地点的潮汐参数（调和常数）、平均海面、深度基准面，进行潮汐预报，以及提供海上测量所需的不同时刻和地点的水位改正数等，供给有关军事、交通、水产、盐业、测绘等部门使用。潮汐观测是水深测量、海洋工程测量等工作的重要组成部分。

水位观测可用水尺、井式自记验潮仪、声学或压力传感器等专用设备实施。

潮汐基本理论

人们很早就认识到太阳、月亮与地球的相对运动是引起海面周期性涨落的根本动因。尽管太空中的其他星体也对地球产生引力作用，但它们使地球变形的影响很小，可用忽略不计。

平衡潮及其主要结论：

牛顿用引力的观点解释海洋潮汐现象，创立了潮汐平衡潮理论，后为伯努利（Bernoulli）所完善，称为潮汐静力学理论。其理论假设为：假定地球表面为等深海水所包围，不考虑海水惯性、黏性、海底摩擦，忽略地球自转偏向力。所谓平衡潮就是这种理想的全球大洋对引潮力的响应。引潮力的铅直分量对海水运动几乎没有影响，产生海洋潮汐的真正原动力是引潮力的水平分量，因此，根据平衡潮概念，某一瞬间地球表面的海水在引潮力水平分量和重力作用下相平衡。显然这是一种动态平衡，随着天体运动，新的平衡不断取代旧的平衡，新旧平衡的转换过程中使海水产生流动（即潮流），使某地海水产生聚散（即潮汐）。

潮汐调和分析

物理学相关原理知，任何一种周期性的运动，都可以由许多简谐振动组成。潮汐变化也是一种非常近似的周期性运动，因而也可以分解为许多固定频率的分潮波，进而求得分潮波的振幅和相位，这种分析潮位的方法，称为潮汐的调和分析。

伴随前述潮汐现象的同时，海水质点还在做水平方向的运动，称为潮流。与潮汐一样，起因于月球和太阳的引力，可以理解为同一个问题的两个方面，即引力作用海面使海水升降的同时，海水进行堆积和扩散运动。因引力的周期性变化，所以潮流呈周期性的往复流动，其流速和流向也随之发生变化。实际上，潮汐与潮流是共生的，同时又是相互作用，海洋潮流不仅是水平引潮力的作用，还存在海面潮高的不同产生的水平压强梯度力的作用，以及海水运动过程中受到的科氏力的影响。

海洋测深

回声测深原理

Echo Sounding 利用声波的往返进行距离的获取。人们借助电磁波、声波等能量形式传递信息。但对于海洋而言，各种能量形式在海水介质中的传输能力，损耗差异很大

回声测深一词最早由法国人阿喇果于1806年提出的，1907年，美国人费尔斯取得回声测深专利；1911年，斯皮茨将发射和反射信号记录下来，用于计算海洋深度，1913年，美国人费森登发明了第一台单波束回声测深仪（声呐），并在1914年4月成功探测到3.2km外的冰山回波。

单波束测深原理：

就是在一个测深周期内仅发射一个声波脉冲（称为1ping）。为了使发射出去的声能聚集在预定的空间（海底及其海底目标），发射系统必须形成具有一定波束角 的指向性发射波束，并在发射波束内按一定周期发射声脉冲；同样，接收系统也形成一个具有一定接收波束角β的指向性接收波束；测深仪记录器以接收到接收波束内最先到达的回波来计时，再按回声测深原理，在仪器设计声速一定的情况下获得深度数据Z。即

V表示声波在水中的传播速度，t表示声波的往返时间。

扫海系统

拖曳式并联测深装置。

扫海系统的测深基本原理是基于回声测深原理，一般将多个独立的回声测深换能器线性等距安装成一个换能器阵列，换能器采用窄波束角 ，相邻换能器之间的间隔S根据测区的水深状况人工设置，以达到全覆盖的探测目的。换能器数量与记录器数量比是n:1，扫海系统采用多通道并联测深装置控制多个换能器，每个换能器对应一个通道，各通道的回波分别独立地记录在记录纸上，或通过数据采集串口输出到计算机，实现对探测区域的全覆盖探测。

多波束测深原理：

多波束系统采用发射、接收指向性正交的两组换能器阵获取一系列垂直航向分布的窄波束，如图，以波束数为16、波束角为2°x 2°的单平面换能器多波束系统为例，简述多波束系统的测深原理。系统声信号的发射和接收由方向垂直的发射阵和接收阵组成（Mills配置，两基阵轴线正交）。发射阵平行于测量船龙骨方向（船纵向）排列，并呈两侧对称，向正下方发散2°（沿船纵向）x 44°（船正横）的扇形脉冲声波。接收阵沿船正横方向排列，但在束控方向上，接收方式与发射方式相反，以20°（沿船纵向）x 2°（船正横）的16个接收波束角接收来自海底照射面积为2°（沿船纵向）x 20°（船正横）扇区的回波。接收指向性和发射指向性叠加后，形成沿测量船正横方向、两侧对称的16个2°x 2°波束

多波束测深系统作为一种海底地形测绘设备，实际上是一种条带式的海底测深点信息（空间位置和底质）采集和处理系统。多波束测深系统在向海底发射一次脉冲信号后，可以得到与测船艏艉方向相垂直的一个条带上的几十个甚至上百个海底测深点数据，并且这些数据应有很高的精度。

超声波

科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹(Hz)。我们人类耳朵能听到的声波频率为20Hz-20000Hz。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。 超声波方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大于人的听觉上限而得名。

侧扫声呐系统分为单侧和双侧两种。侧扫声呐系统是基于回声探测原理进行水下目标探测。通过系统的换能器基阵以一定的倾斜角度、发射频率，向海底发射具有指向性的、宽垂直波束角和窄水平波束角的脉冲超声波。

侧扫声呐系统由船载子系统、拖鱼子系统、拖曳系统三部分组成。