海洋測量方法聲納測量

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

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

M.法拉第早在1832年就指出:在地磁場中流動的海水,就像在磁場中運(yùn)動的金屬導(dǎo)體一樣，也會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。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到和海水潮汐周期相同的電位變化時，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，形成天基海洋環(huán)境遙感。天基海洋遙感具有觀測范圍廣、重復(fù)周期短、時空分辨率高等特點(diǎn)，可以在較短時間內(nèi)對全球海洋成像，可以觀測船舶不易到達(dá)的海域，可以觀測普通方法不易測量或不可觀測的參量，成為繼地面和海面觀測的第二大海洋觀探測平臺，也成為發(fā)達(dá)國家竭力爭奪的海洋高科技之一。近年來，美國、歐洲、日本等航天大國相繼制定了相應(yīng)的海洋發(fā)展規(guī)劃。

海洋觀測技術(shù)衛(wèi)星遙感觀測

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

1）SeaStar衛(wèi)星

1997年8月，美國發(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個通道，前6個通道位于可見光范圍，7、8通道位于近紅外，中心波長分別為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、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)的微波探測器（AMSU）、微波濕度探測器（MHS）、云和地球輻射能量系統(tǒng)（CERES）、中分辨率成像光譜儀（MODIS－N）、大氣紅外探測器（AIRS）、多通道微波成像輻射器（MIMR）。

3）Geosat衛(wèi)星

1985年3月，美國海軍發(fā)射了Geosat大地測量衛(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，用于測量海洋表面有效波高，研究地球重力場、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。

海洋觀測技術(shù)航空海洋觀測

航空海洋探測采用固定翼飛機(jī)和無人機(jī)為傳感器載體，具有機(jī)動靈活、探測項(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)測的重要遙感平臺，通過搭載的微波和光學(xué)遙測設(shè)備，能夠?qū)崟r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。典型代表有美國的“全球鷹”、“捕食者”，澳大利亞的Aerosonde等無人機(jī)。

1.根據(jù)測量條件分為

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

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

2.根據(jù)被測量變化的快慢分為

（1）靜態(tài)測量

（2）動態(tài)測量

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

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

3.定義測量法：根據(jù)量的定義來確定該量的測量方法。

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

5.動態(tài)測量方法：確定隨時間變化量值的瞬間量值的測定方法。

6.直接比較測量法：將被測量直接與已知其值的同種量相比較的測量方法。

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

測量統(tǒng)計(jì)處理

（1）正態(tài)分布

隨機(jī)誤差具有以下特征:

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

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

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

④對同一量值進(jìn)行多次測量，其誤差的算術(shù)平均值隨著測量次數(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）用測量的均值代替真值；

（4）有限次測量中，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, Pa=0.6827, 即測量結(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)為絕對值大于3σ的誤差是不可能出現(xiàn)的, 通常把這個誤差稱為極限誤差。

例題：見圖所示：

（6）不等精度直接測量的權(quán)與誤差

1.在不等精度測量時, 對同一被測量進(jìn)行m組測量, 得到m組測量列（進(jìn)行多次測量的一組數(shù)據(jù)稱為一測量列）的測量結(jié)果及其誤差, 它們不能同等看待。精度高的測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)”可理解為各組測量結(jié)果相對的可信賴程度。 測量次數(shù)多, 測量方法完善, 測量儀表精度高, 測量的環(huán)境條件好, 測量人員的水平高, 則測量結(jié)果可靠, 其權(quán)也大。權(quán)是相比較而存在的。 權(quán)用符號p表示, 有兩種計(jì)算方法: "para" label-module="para">

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

p1∶p2∶…∶pm=n1∶n2∶…∶nm

② 用各組測量列的誤差平方的倒數(shù)的比值表示, 并取誤差較大的測量列的權(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)對比法，例如一臺測量儀表本身存在固定的系統(tǒng)誤差，即使進(jìn)行多次測量也不能發(fā)現(xiàn)，只有用更高一級精度的測量儀表測量時，才能發(fā)現(xiàn)這臺測量儀表的系統(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。將測量值的殘余誤差按測量順序排列，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

在測量系統(tǒng)中采用補(bǔ)償措施

實(shí)時反饋修正

測量粗大誤差

剔除壞值的幾條原則：

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

(2)肖維勒準(zhǔn)則：假設(shè)多次重復(fù)測量所得n個測量值中, 某個測量值的殘余誤差|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：某個測量值的殘余誤差的絕對值|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)測量次數(shù)n和置信概率Pa有關(guān)。

解題步驟：如圖所示：

測量幾個問題

（1）誤差的合成：如圖所示：

絕對誤差的合成（例題）：

用手動平衡電橋測量電阻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，如圖冊所示：

最小二乘法應(yīng)用例子：如圖冊所示:

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。回歸分析就是應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，對實(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。