我國的水下測繪技術(shù)
2013-08-28 15:17:37 來源: 百度文庫
眾所周知，隨著地球人口的激增，陸上資源的匾乏，開發(fā)海洋的戰(zhàn)略意義越來越重要，“海洋工程” 已被列為與生物工程、核工程和航天工程同等地位的當今世界尖端科學(xué)技術(shù)，權(quán)威人士預(yù)言：21世紀是海洋的世紀。面對浩瀚無邊的海洋，海底地形測量可謂是一切海洋工程活動的基礎(chǔ)，而它最基本的任務(wù)，就是測量海水的深度，測繪海底地形圖（水深圖）。
一、水下測深技術(shù)的發(fā)展
人類有記載的最原始的水下測量是用竹竿來測量水深, 后來發(fā)展為用一端拴有重錘的繩索以及沿用至今的壓力測深器。1820年前后, 法國物理學(xué)家以鐘為聲源測得海水平均聲速為1500m/s,從那時起, 科技界都知道聲音在水下傳播要比空氣中快。20世紀20 年代, 出現(xiàn)了回聲測深儀。它是利用水聲換能器垂直向水下發(fā)射聲波并接收海底回波, 根據(jù)回波傳播的時間來確定被測點的水深。這種測深儀僅能測量船的航跡上的“點”，船未及區(qū)域是空白, 因此不能獲得精細的海底地形。由于其測量效率、地形分辨率和精度上的缺陷, 已無法滿足當代海洋開發(fā)、海洋研究、海洋工程與海洋“專屬經(jīng)濟區(qū)” 劃界等基礎(chǔ)測繪日益增長的新需求, 20世紀60年代, 美國首先開發(fā)出第三代測深產(chǎn)品一多波束測深系統(tǒng)（也稱“條帶測深儀”）, 這是當今世界上最先進的海底地形測繪設(shè)備。條帶測深儀是一種多傳感器的復(fù)雜綜合系統(tǒng), 是現(xiàn)代信號處理技術(shù)、高性能計算機技術(shù)、高分辨顯技術(shù)、高精度導(dǎo)航定位技術(shù)、數(shù)字化傳感器技術(shù)及其他相關(guān)高新技術(shù)等多種技術(shù)的高度集成。自問世以來就一直以系統(tǒng)龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和技術(shù)含量高、價格昂貴著稱，世界上僅有美國、加拿大、德國、挪威等少數(shù)國家能夠生產(chǎn)。1994年4月，國際海道測量組織IHO制定了新的海道測量標準，即IHO S-44標準，規(guī)定高級別的水深測量必須使用條帶測深儀，這意味著條帶測深儀取代回聲測深儀已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)不可逆轉(zhuǎn)的潮流。
二、我國條帶測深技術(shù)的現(xiàn)狀
直至20世紀90年代初， 我國在條帶測深技術(shù)領(lǐng)域仍屬空白。為適應(yīng)海洋活動的新形勢，改變我國海洋測繪技術(shù)落后的現(xiàn)狀，“八五” 期間，國家將條帶測深儀列為重點攻關(guān)項目，委托哈爾濱工程大學(xué)研制。經(jīng)過艱苦的努力，哈爾濱工程大學(xué)突破了多項關(guān)鍵技術(shù)難點,，終于在1998年8月研制成功條帶測深儀并通過技術(shù)鑒定。該產(chǎn)品已正式裝備我國現(xiàn)代化海洋測量船，其總體技術(shù)達到了20世紀90年代國際同類產(chǎn)品先進水平，大大縮小了我國與世界海底地形測繪技術(shù)強國的差距，條帶測深儀的研制成功可謂是我國測深技術(shù)的一次重大的革命。
哈爾濱工程大學(xué)的前身是中國人民解放軍軍事工程學(xué)院（哈軍工），是首批進人“211工程” 建設(shè)的全國重點高校之一，擁有國家級水聲技術(shù)國防科技重點實驗室，其水聲工程學(xué)科是國家重點學(xué)科，技術(shù)力量雄厚，擁有各種先進的專業(yè)儀器設(shè)備。自1992年起就開始了條帶測深技術(shù)的研究, 該項目前期投人經(jīng)費已經(jīng)達到人民幣700萬元。1999年6月條帶測深儀項目獲得中船總科技進步一等獎。
三、條帶測深儀的工作原理
條帶測深儀是利用安裝于船底或拖體上的聲基陣向與航向垂直的海底發(fā)射超寬聲波束，接收海底反向散射信號，經(jīng)過模擬/數(shù)字信號處理，形成多個波束，同時獲得海底條帶上幾十個甚至上百個采樣點的水深數(shù)據(jù)。其測量條帶覆蓋范圍為水深的2-8倍，與現(xiàn)場采集的導(dǎo)航定位及姿態(tài)數(shù)據(jù)相結(jié)合，繪制出高精度、高分辨率的數(shù)字成果圖。與單波束回聲測深儀相比, 條帶測深儀具有測量范圍大、測量速度快、精度高和效率高的優(yōu)點。它把測深技術(shù)從點、線擴展到面，并進一步發(fā)展到立體測深和自動成圖，特別適合大面積的海底地形探測。條帶測深儀使海底探測經(jīng)歷了一個革命性的變化, 深刻地改變了海洋學(xué)領(lǐng)域的調(diào)查研究方式及最終成果的質(zhì)量。
四、條帶測深儀的應(yīng)用
條帶測深儀具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域：
1、大面積掃海測量
內(nèi)容包括我國大陸架測量，與周邊國家的海洋專屬經(jīng)濟區(qū)（EEZ）劃界等。我國擁有300萬平方公里的海洋國土，若使用傳統(tǒng)的回聲測深方法測量，需要150年時間，而用條帶測深儀測量，僅需15年就可完成。提高效率近10倍。
2、海洋工程
港口、海上石油平臺等工程建設(shè)的基礎(chǔ)在海底，鋪設(shè)海底電纜需要在海底挖溝，并對鋪設(shè)好的電纜進行掩埋和質(zhì)量檢查, 這些作業(yè)的完成都需要對海底地形進行細致的勘查，使用條帶測深儀能夠?qū)κ┕ぷ鳂I(yè)區(qū)進行全覆蓋測量, 獲得高質(zhì)量的海底地形信息。
3、海底資源調(diào)查
尋找海底礦物是海底資源調(diào)查的重要內(nèi)容，海底礦物的形成有其獨有的機理,。例如， 稀有金屬錳結(jié)核都分布在大洋深處平坦海域，鉆結(jié)核則是因海底火山噴發(fā)而形成， 而海底火山的特征是其頂部為一個平臺。為了尋找潛在礦區(qū)， 必須首先獲取相關(guān)的地形特征信息，這就需要對海底地形進行高分辨力的全覆蓋測量，條帶測深儀是最理想的測繪儀器。
4、水庫測量
庫容量是水庫管理和水資源分配的重要依據(jù), 陸地上水土流失現(xiàn)象會使水庫淤積，庫容量減小，蓄洪能力下降；大壩附近泥沙淤積量超過警戒線時，會影響水庫的正常運行，甚至危及大壩的安全，所以必須經(jīng)常對水庫進行測量。水庫選址通常在山區(qū)，地形復(fù)雜，并且，庫容測量的技術(shù)要求高，只有條帶測深儀才能夠滿足其需要。
5、 河道測量
我國是一個河流眾多的國家， 水路運輸是全國交通網(wǎng)的重要組成部分，但是，目前通航河流的總里程只有8萬公里，還有大量的資源沒有開發(fā)利用，迫切需要進行勘查。即便是已經(jīng)通航的河流，由于河道的變化快，也需要經(jīng)常測量。如浙江省的雨江，每年都要進行測量。利用條帶測深儀的寬波束很容易測量出河道的剖面。順流而下就能夠完成全河道測量。
6、抗洪搶險我國是一個水患頻繁的國家，而且，由于森林植被的破壞，洪澇災(zāi)害發(fā)生區(qū)域有逐年擴大的趨勢，每年都會造成重大的經(jīng)濟損失, 條帶測深儀在檢查堤壩隱患，監(jiān)測洪水流量等方面可以發(fā)揮重要作用。此外，洪水還會對水中建筑物造成危害。 例如，洪水對鐵路橋梁橋墩的沖刷可能導(dǎo)致橋梁坍塌, 造成重大事故， 因此需要對橋墩的沖刷情況進行監(jiān)測，目前使用的測量儀器是回聲側(cè)深儀，測量船必須緊靠橋墩測量, 容易發(fā)生碰撞， 危及人員和橋梁的安全，而條帶測深儀因其具有旁測能力，可以在遠處進行測量，從而可以避免事故的發(fā)生。
7、軍事領(lǐng)域
馬島戰(zhàn)爭和海灣戰(zhàn)爭的歷史經(jīng)驗告訴我們，現(xiàn)代戰(zhàn)爭往往是從海上開始的。為了在未來高技術(shù)戰(zhàn)爭中掌握海上戰(zhàn)場的主動權(quán)，利用和平時期做好海上戰(zhàn)場準備很有必要。條帶測深儀是進行水下戰(zhàn)場準備最基礎(chǔ)、最有效的工具。隨著我軍戰(zhàn)略思想的改變，海軍向遠洋發(fā)展，條帶測深儀在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用將更加廣泛。
8、考古領(lǐng)域
水下考古在我國還是一門年輕的學(xué)科，我國近海沉睡著大量的古代沉船，但是因為缺少相關(guān)的高科技手段，只能聽憑國外的冒險家掠奪，極大地傷害了我們的民族自尊心。80年代我國成立了第一支水下考古隊，2001年6 月首次動用各種高科技設(shè)備在云南省撫仙湖進行水下遺址考古調(diào)查，哈爾濱工程大學(xué)研制的條帶測深儀參加了這次考古活動。 首次探測到水下遺址的地形，并生成了直觀的三維水下立體地形，考古專家根據(jù)條帶測深儀提供的水下遺址地形判斷出古城的位置、結(jié)構(gòu)和主要建筑群的位置，為考古工作提供了巨大的幫助，被公認為是極有價值的水下考古高科技設(shè)備。據(jù)專家評論：水下考古引人條帶測深儀，就如同當年考古界引入碳/8 檢測年代的方法， 具有里程碑的意義。
我們期待著， 哈爾濱工程大學(xué)的條帶測深儀能夠廣泛應(yīng)用到水下測繪工作中去，為我國的水下測繪事業(yè)做出更大的貢獻。
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