海洋測(cè)量方法光學(xué)測(cè)量

1947～1948年，瑞典科學(xué)家在環(huán)球深海調(diào)查中（“信天翁”號(hào)），首次將海洋光學(xué)調(diào)查列入重要的海洋調(diào)查計(jì)劃，測(cè)量了輻照度、衰減和散射等。

聲納技術(shù)至今已有超過100年歷史，它是1906年由英國(guó)海軍的李維斯·理察森所發(fā)明。他發(fā)明的第一部聲納儀是一種被動(dòng)式的聆聽裝置，主要用來偵測(cè)冰山。這種技術(shù)，到第一次世界大戰(zhàn)時(shí)開始被應(yīng)用到戰(zhàn)場(chǎng)上，用來偵測(cè)潛藏在水底的潛水艇，這些聲吶只能被動(dòng)聽音，屬于被動(dòng)聲吶，或者叫做“水聽器”。

M.法拉第早在1832年就指出:在地磁場(chǎng)中流動(dòng)的海水,就像在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的金屬導(dǎo)體一樣，也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。他在泰晤士河做過實(shí)驗(yàn),得不到預(yù)期的結(jié)果；但他指出,在英吉利海峽必定能測(cè)出。直到1851年，C.渥拉斯頓在橫過英吉利海峽的海底電纜上檢測(cè)到和海水潮汐周期相同的電位變化時(shí)，才證實(shí)了法拉第的預(yù)言。2100433B

隨著航天和航空遙感技術(shù)的發(fā)展，航天和航空遙感技術(shù)逐漸應(yīng)用于海洋探測(cè)，形成天基海洋環(huán)境遙感。天基海洋遙感具有觀測(cè)范圍廣、重復(fù)周期短、時(shí)空分辨率高等特點(diǎn)，可以在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)全球海洋成像，可以觀測(cè)船舶不易到達(dá)的海域，可以觀測(cè)普通方法不易測(cè)量或不可觀測(cè)的參量，成為繼地面和海面觀測(cè)的第二大海洋觀探測(cè)平臺(tái)，也成為發(fā)達(dá)國(guó)家竭力爭(zhēng)奪的海洋高科技之一。近年來，美國(guó)、歐洲、日本等航天大國(guó)相繼制定了相應(yīng)的海洋發(fā)展規(guī)劃。

海洋觀測(cè)技術(shù)衛(wèi)星遙感觀測(cè)

國(guó)外已經(jīng)陸續(xù)發(fā)射了多顆海洋水色衛(wèi)星、海洋地形衛(wèi)星和海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星。

1）SeaStar衛(wèi)星

1997年8月，美國(guó)發(fā)射了SeaStar海洋水色衛(wèi)星。星上裝載有第二代海洋水色傳感器，共有8個(gè)通道，前6個(gè)通道位于可見光范圍，7、8通道位于近紅外，中心波長(zhǎng)分別為765nm和865nm；地面分辨率為1．1km，該衛(wèi)星現(xiàn)仍在運(yùn)行。

2）EOS衛(wèi)星系列

EOS系列中的EOS－AM衛(wèi)星主要用于陸地和大氣觀測(cè)、物理和化學(xué)、氣候環(huán)境調(diào)查。第一顆EOS－AM衛(wèi)星Terra于1999年12月18日發(fā)射。EOS－AM1衛(wèi)星裝載五個(gè)主要儀器：中分辨率成像光譜儀（MODIS－N）、先進(jìn)星載熱發(fā)射和反射輻射器（ASTER）、多角度成像光譜儀（MI－SR）、云和地球輻射能量系統(tǒng)（CERES）和對(duì)流層污染儀（MOPITT）。EOS－PM衛(wèi)星共計(jì)三顆，第一顆EOS－PM衛(wèi)星Aqua于2002年5月4日發(fā)射；EOS－PM2衛(wèi)星Aura于2004年7月15發(fā)射；EOS－PM3于2010年12月發(fā)射。

EOS－PM衛(wèi)星裝載的儀器有：先進(jìn)的微波探測(cè)器（AMSU）、微波濕度探測(cè)器（MHS）、云和地球輻射能量系統(tǒng)（CERES）、中分辨率成像光譜儀（MODIS－N）、大氣紅外探測(cè)器（AIRS）、多通道微波成像輻射器（MIMR）。

3）Geosat衛(wèi)星

1985年3月，美國(guó)海軍發(fā)射了Geosat大地測(cè)量衛(wèi)星，也是一顆海洋地形衛(wèi)星，星上裝載的唯一傳感器是一部Ku波段（13．5GHz）的雷達(dá)高度計(jì)。該衛(wèi)星以軍用為主，用于測(cè)量海洋表面有效波高，研究地球重力場(chǎng)、海潮和海面地形等，鑒于衛(wèi)星軌道誤差大（50cm）和數(shù)據(jù)保密等原因，沒有得到廣泛應(yīng)用。1998年2月，美國(guó)海軍又發(fā)射了Geosat的后繼衛(wèi)星GFO－1，運(yùn)行至今。

海洋觀測(cè)技術(shù)航空海洋觀測(cè)

航空海洋探測(cè)采用固定翼飛機(jī)和無人機(jī)為傳感器載體，具有機(jī)動(dòng)靈活、探測(cè)項(xiàng)目多、接近海面、分辨率高、不受軌道限制、易于?？张浜隙彝顿Y少等特點(diǎn)，是海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要遙感平臺(tái)，通過搭載的微波和光學(xué)遙測(cè)設(shè)備，能夠?qū)崟r(shí)獲取大氣海洋環(huán)境資料。在軍事上，由于無人機(jī)可有效減少人員傷亡，得到了廣泛應(yīng)用。典型代表有美國(guó)的“全球鷹”、“捕食者”，澳大利亞的Aerosonde等無人機(jī)。

1.根據(jù)測(cè)量條件分為

（1）等精度測(cè)量：用相同儀表與測(cè)量方法對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量

（2）不等精度測(cè)量：用不同精度的儀表或不同的測(cè)量方法, 或在環(huán)境條件相差很大時(shí)對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量

2.根據(jù)被測(cè)量變化的快慢分為

（1）靜態(tài)測(cè)量

（2）動(dòng)態(tài)測(cè)量

1.直接測(cè)量法：不必測(cè)量與被測(cè)量有函數(shù)關(guān)系的其他量，而能直接得到被測(cè)量值的測(cè)量方法。

2.間接測(cè)量法：通過測(cè)量與被測(cè)量有函數(shù)關(guān)系的其他量來得到被測(cè)量值的測(cè)量方法。

3.定義測(cè)量法：根據(jù)量的定義來確定該量的測(cè)量方法。

4.靜態(tài)測(cè)量方法：確定可以認(rèn)為不隨時(shí)間變化的量值的測(cè)量方法。

5.動(dòng)態(tài)測(cè)量方法：確定隨時(shí)間變化量值的瞬間量值的測(cè)定方法。

6.直接比較測(cè)量法：將被測(cè)量直接與已知其值的同種量相比較的測(cè)量方法。

7.微差測(cè)量法：將被測(cè)量與只有微小差別的已知同等量相比較，通過測(cè)量這兩個(gè)量值間的差值來確定被測(cè)量值的測(cè)量方法。

測(cè)量統(tǒng)計(jì)處理

（1）正態(tài)分布

隨機(jī)誤差具有以下特征:

① 絕對(duì)值相等的正誤差與負(fù)誤差出現(xiàn)的次數(shù)大致相等——對(duì)稱性；

② 在一定測(cè)量條件下的有限測(cè)量值中，其隨機(jī)誤差的絕對(duì)值不會(huì)超過一定的界限——有界性；

③ 絕對(duì)值小的誤差出現(xiàn)的次數(shù)比絕對(duì)值大的誤差出現(xiàn)的次數(shù)多——單峰性；

④對(duì)同一量值進(jìn)行多次測(cè)量，其誤差的算術(shù)平均值隨著測(cè)量次數(shù)n的增加趨向于零——抵償性。（凡是具有抵償性的誤差原則上可以按隨機(jī)誤差來處理）；

這種誤差的特征符合正態(tài)分布

（2）隨機(jī)誤差的數(shù)字特征：如圖所示：

（3）用測(cè)量的均值代替真值；

（4）有限次測(cè)量中，算術(shù)平均值不可能等于真值；

（5）正態(tài)分布隨機(jī)誤差的概率計(jì)算

當(dāng)k=±1時(shí), Pa=0.6827, 即測(cè)量結(jié)果中隨機(jī)誤差出現(xiàn)在-σ～ σ范圍內(nèi)的概率為68.27%, 而|v|>σ的概率為31.73%。出現(xiàn)在-3σ～ 3σ范圍內(nèi)的概率是99.73%, 因此可以認(rèn)為絕對(duì)值大于3σ的誤差是不可能出現(xiàn)的, 通常把這個(gè)誤差稱為極限誤差。

例題：見圖所示：

（6）不等精度直接測(cè)量的權(quán)與誤差

1.在不等精度測(cè)量時(shí), 對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行m組測(cè)量, 得到m組測(cè)量列（進(jìn)行多次測(cè)量的一組數(shù)據(jù)稱為一測(cè)量列）的測(cè)量結(jié)果及其誤差, 它們不能同等看待。精度高的測(cè)量列具有較高的可靠性, 將這種可靠性的大小稱為“權(quán)”。

2.“權(quán)”可理解為各組測(cè)量結(jié)果相對(duì)的可信賴程度。 測(cè)量次數(shù)多, 測(cè)量方法完善, 測(cè)量?jī)x表精度高, 測(cè)量的環(huán)境條件好, 測(cè)量人員的水平高, 則測(cè)量結(jié)果可靠, 其權(quán)也大。權(quán)是相比較而存在的。 權(quán)用符號(hào)p表示, 有兩種計(jì)算方法: "para" label-module="para">

① 用各組測(cè)量列的測(cè)量次數(shù)n的比值表示, 并取測(cè)量次數(shù)較小的測(cè)量列的權(quán)為1,則有

p1∶p2∶…∶pm=n1∶n2∶…∶nm

② 用各組測(cè)量列的誤差平方的倒數(shù)的比值表示, 并取誤差較大的測(cè)量列的權(quán)為1, 則有

p1∶p2∶…∶pm=（1/σ1）^2:（1/σ2）^2:（1/σ3）^2:……（1/σm）^2

測(cè)量通用處理

（1）系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因

①傳感器、儀表不準(zhǔn)確（刻度不準(zhǔn)、放大關(guān)系不準(zhǔn)確）

②測(cè)量方法不完善（如儀表內(nèi)阻未考慮）

③安裝不當(dāng)

④環(huán)境不合

⑤操作不當(dāng)；

（2）系統(tǒng)誤差的判別

①實(shí)驗(yàn)對(duì)比法，例如一臺(tái)測(cè)量?jī)x表本身存在固定的系統(tǒng)誤差，即使進(jìn)行多次測(cè)量也不能發(fā)現(xiàn)，只有用更高一級(jí)精度的測(cè)量?jī)x表測(cè)量時(shí)，才能發(fā)現(xiàn)這臺(tái)測(cè)量?jī)x表的系統(tǒng)誤差；

②殘余誤差觀察法（繪出先后次序排列的殘差）；

③準(zhǔn)則檢驗(yàn)法

馬利科夫判據(jù)是將殘余誤差前后各半分兩組, 若“Σvi前”與“Σvi后”之差明顯不為零, 則可能含有線性系統(tǒng)誤差。

阿貝檢驗(yàn)法則檢查殘余誤差是否偏離正態(tài)分布, 若偏離, 則可能存在變化的系統(tǒng)誤差。將測(cè)量值的殘余誤差按測(cè)量順序排列，且設(shè)A=v12 v22 … vn2, B=(v1-v2)2 (v2-v3)2"para" label-module="para">

若|B/2A-1|>1/n^1/2,則可能含有變化的系統(tǒng)誤差。

(3)系統(tǒng)誤差的消除

在測(cè)量結(jié)果中進(jìn)行修正 已知系統(tǒng)誤差, 變值系統(tǒng)誤差, 未知系統(tǒng)誤差

消除系統(tǒng)誤差的根源　根源

在測(cè)量系統(tǒng)中采用補(bǔ)償措施

實(shí)時(shí)反饋修正

測(cè)量粗大誤差

剔除壞值的幾條原則：

(1)3σ準(zhǔn)則（萊以達(dá)準(zhǔn)則）：如果一組測(cè)量數(shù)據(jù)中某個(gè)測(cè)量值的殘余誤差的絕對(duì)值|vi|>3σ時(shí), 則該測(cè)量值為可疑值（壞值）, 應(yīng)剔除。

(2)肖維勒準(zhǔn)則：假設(shè)多次重復(fù)測(cè)量所得n個(gè)測(cè)量值中, 某個(gè)測(cè)量值的殘余誤差|vi|>Zcσ,則剔除此數(shù)據(jù)。實(shí)用中Zc<3, 所以在一定程度上彌補(bǔ)了3σ準(zhǔn)則的不足。

(3)格拉布斯準(zhǔn)則：某個(gè)測(cè)量值的殘余誤差的絕對(duì)值|vi|>Gσ, 則判斷此值中含有粗大誤差, 應(yīng)予剔除。 G值與重復(fù)測(cè)量次數(shù)n和置信概率Pa有關(guān)。

解題步驟：如圖所示：

測(cè)量幾個(gè)問題

（1）誤差的合成：如圖所示：

絕對(duì)誤差的合成（例題）：

用手動(dòng)平衡電橋測(cè)量電阻RX。已知R1=100Ω, R2=1000Ω, RN=100Ω,各橋臂電阻的恒值系統(tǒng)誤差分別為ΔR1=0.1Ω, ΔR2=0.5Ω, ΔRN=0.1Ω。求消除恒值系統(tǒng)誤差后的RX.

（2）最小二乘法的應(yīng)用：

推導(dǎo)過程，如圖冊(cè)所示：

最小二乘法應(yīng)用例子：如圖冊(cè)所示:

5.用經(jīng)驗(yàn)公式擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)——回歸分析

用經(jīng)驗(yàn)公式擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，工程上把這種方法稱為回歸分析?；貧w分析就是應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，從而得出反映變量間相互關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式，也稱回歸方程。