時間：2023-04-13 17:26:51
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論文摘要：本文論述了激光探測系統信息接口技術；討論了激光探測接口的一般設計思想。
1引言
激光具有波長單一和良好的方向性，所以和傳統的探測方法相比，激光探測具有精度高，抗干擾能力強等特點，在激光測距、激光雷達、激光告警、激光制導、目標識別等軍事領域，都得到了廣泛應用。針對不同武器系統的需求，激光探測系統接口呈現出多樣性。
近年來，隨著應用需求和集成化度的增加，激光探測系內部、激光探測系統和各武器平臺之間集成了不同廠商的硬件設備、數據平臺、網絡協議等，由此帶來的異構性給探測系統的互操作性、兼容性及平滑升級能力帶來了問題。
對激光探測系統而言，接口技術的設計是整個系統集成的關鍵技術。一個激光探測系統的設計、實施，有很大的工作量是在接口的處理上，好的接口設計可以提高系統的穩定性、運行效率、升級能力等，本文以激光探測系統接口技術為研究對象，著重分析其接口技術類型、設計考慮因素和驗證方法。
2激光探測系統幾種主要接口技術
接口是多要素或多系統之間的公共邊界部分，對激光探測系統的接口包括機械接口、電氣接口、電子接口、軟件接口等，本文著重討論電子接口。按物理電氣特性劃分，常用的激光探測系統接口類型可分為以下幾類：
1TTL電平接口：最通用的接口類型，常用做系統內及系統間接口信號標準。驅動能力一般為幾毫安到幾十毫安，在激光探測系統中主要應用是作為長距離的總線數據和控制信號的傳輸
2CMOS電平接口：速度范圍與TTL相仿，驅動能力要弱一些。
3ECL電平接口：為高速電氣接口，速率可達幾百兆，但相應功耗較大，電磁輻射與干擾與較大。
4LVDS電平接口：在標準中推薦的最大操作速率是655Mbps，電流驅動模式，信號的噪聲和EMI都較小。
5GTL接口電平：低電壓，低擺幅，常用作背板總線型信號的傳輸，雖然使用頻率一般在100MHz以下，但上升沿一般都比較陡，特別是對沿敏感的信號，如時鐘信號。
6RS-232電平接口：為低速串行通信接口標準，電平為±12V，用于DTE與DCE之間的連接。RS-232接口采用不平衡傳輸方式，收、發端的數據信號是相對于信號地的電平而言，其共模抑制能力低，傳輸距離近，多用于點對點接口通訊。
7RS-422/RS-485接口：采用平衡方式傳輸，采用差分方式，使其在通訊速率、抗干擾性和傳輸距離較RS-232接口有較大改善。多用于多點接口通迅。RS485電平接口可驅動32個負載，忍受-7V到12V共模干擾。
9光隔離接口：能實現電氣隔離，更高速率的器件價格較昂貴。
10線圈耦合接口：電氣隔離特性好，但允許信號帶寬有限
11以太網：經常采用的是10Base-T和100Base-T兩種主流標準，主要應用激光探測系統和分系統之間的接口通訊和數據傳輸。以太網接口具有性價比高、數據傳輸速率高、資源共享能力強和廣泛的技術支持等眾多優點。
12USB接口：USB總線接口是一種基于令牌的接口，USB主控制器廣播令牌，總線上的設備檢測令牌中的地址是否與自身相符，通過發送和接收數據對主機作出響應，其最大的優點是安裝配置簡單。
3激光探測系統接口方案設計考慮因素
隨著大規模數字處理芯片和高速接口芯片的迅猛發展，激光探測系統也呈現出智能化、小型化、模塊化的趨勢。在激光探測系統中，信息接口的設計逐漸向標準化、網絡化、多節點、高速等方向展
3.1接口信號傳輸中的干擾噪聲
3.1.1接口信號傳輸中的主要干擾形式
a)串模干擾：雜散信號通過感應和輻射的方式進入接口信道的干擾。串模干擾的產生原因主要是傳輸中插件等所產生的接觸電勢、熱電勢等噪聲引起的。
b)共模干擾：干擾同時作用在兩根信號往返線上，而且幅指相同。共模干擾產生的原因，主要是傳輸線路較長，在發送端和接收端之間存在著接地的電位差。
3.1.2接口信號傳輸中的抗干擾措施
a)傳輸線的選擇
為了抑制由于雜散電磁場通過電磁感應和靜電感應進入信道的干擾，接口傳輸線應盡量選用雙絞線和屏蔽線，并將屏蔽層接地，而且屏蔽層的接地要于激光探測系統一端浮地的結構形式配合，不要將屏蔽線層當作信號線和公用線。
b)傳輸線的平衡和匹配
采用平衡電路和平衡傳輸結構是抑制共模干擾的有力措施。目前廣泛使用的是差分式平衢性線電路，例如RS-422/RS-485標準串口電路。
接口信號傳輸時還要考慮與傳輸線特性阻抗的匹配問題。一般長線傳輸的驅動器接收器都適用于驅動特性阻抗為50Ω—150Ω的同軸電纜和雙絞線，一般接口接收器的輸入阻抗要比傳輸線的特性阻抗大，因此要設法將兩者匹配，最好將發送端和接收端匹配。
控制信號線的具體配置：控制信號線要和強電、數據總線、地址總線分開，盡量選用雙絞線和屏蔽線，并將屏蔽層接地。
c)隔離技術：電位隔離是常用的抗干擾方法，接口信號采用光電隔離和電磁隔離可以切斷接口內外線路的電氣連接，從而減弱露流、地阻抗耦合等傳導性干擾的影響。3.2接口硬件的選擇原則：
3.2.1為各類接口選擇合適的總線接口芯片、接口總線，并設計具體的接口電路。
3.2.3選擇接口芯片時應根據激光探測系統CPU/MPU類型，總線類型／寬度和系統所完成的功能并按照高效、經濟、可靠，方便、簡單的原則來確定。
3.2.4設計具體的接口電路應具體考慮電源問題
3.2.5數據／命令的鎖存和驅動
激光探測系統內部及激光探測系統和其他系統間實施數據／命令傳輸時，一般采用數據鎖存技術來適應雙方讀寫的時間要求。
3.3接口的實時性
由于激光探測系統對數據處理和傳輸的實時性要求很高，設計時要使時鐘抖動、通道間時延、工作周期失真以及系統噪聲最小化，所以設計接口時盡量選用高通訊速率和同步工作方式。
接口軟件的設計原則
同步通訊系統軟件設計要充分考慮數據流量的控制，最好在數據發送方發送數據時每隔一段時間插入一段空閑時間，從而保證數據同步傳輸的可靠性。
異步通訊系統軟件設計要充分考慮合理的數據校驗方式，可以根據系統要求選擇冗余校驗、校驗和、冗余校驗的方法。
4激光探測系統接口方案設計驗證
構建高速有效的激光探測系統接口是非常有挑戰性的，并且設計者需要在設計接口前后就考慮多個因素，詳細的系統級的驗證都是必須的。
4.1設計前的驗證
基于指令集模擬器和硬件模擬器軟硬件模擬技術是一種高效、低代價的系統驗證方法。接口設計軟件采用匯編，C，C++等語言編寫，用戶編寫的接口源程序經過交叉編譯器和連接器編譯，輸入到軟件指令集模擬器進行軟件模擬。而接口硬件驗證則采用硬件描述語言如VHDL設計，經過編譯后由硬件模擬器模擬。但設計前的驗證也有一定的局限性，比如只能驗證數字接口和驗證環境理想化等缺點。這些都需要設計后的驗證
4.2設計后的驗證
最常見的驗證方法是制作模擬激光探測系統內部接口和系統間外部接口的通用信號源，通用信號源可以模擬探測系統內部的如主回波、時統、顯示、鍵盤等信號，也可以模擬輸入外部操控命令，并將激光探測系統狀態、測量數據等信息顯示輸出。
4.3通過驗證，發現問題，修改設計，然后再模擬，最終完成滿足要求的軟硬件接口設計。
關鍵詞掃描；探測；；拓撲圖；自動化管理
1引言
隨著網絡技術的飛速發展，網絡的安全風險系數不斷提高，需要在不影響網絡性能的情況下對網絡進行監聽和探測，從計算機網絡系統的各個終端主機、應用系統以及若干關鍵點收集信息，并分析這些信息，發現漏洞、缺陷以及潛在的威脅，從而提供對網絡的實時保護，提高信息安全基礎結構的完整性。
2探測技術介紹
2.1常用簡單的掃描技術
掃描是一種基于Internet的遠程檢測網絡或主機的技術，通過掃描發現檢測主機TCP/IP端口的分配情況、開放的服務已經存在的安全漏洞等信息。主要使用的技術有Ping掃描、端口掃描以及漏洞掃描等。
Ping掃描是通過發送ICMP包到目標主機，檢測是否有返回應答來判斷主機是否處于活動狀態。這種方法具有使用簡單、方便的優點，但是由于ICMP包是不可靠的、非面向連接的協議，所以這種掃描方法也容易出錯，也可能被邊界路由器或防火墻阻塞。
端口掃描技術就是通過向目標主機的TCP/IP服務端口發送探測數據包，并記錄目標主機的響應。通過分析響應來判斷服務端口是打開還是關閉，就可以得知端口提供的服務或信息。端口掃描也可以通過捕獲本地主機或服務器的流入流出IP數據包來監視本地主機的運行情況，它僅能對接收到的數據進行分析，幫助我們發現目標主機的某些內在的弱點，發現系統的安全漏洞，了解系統目前向外界提供了哪些服務，從而為系統管理網絡提供了一種手段。端口掃描主要有TCP全連接、SYN（半連接）掃描等方式。
圖1Sniffer探測信息矩陣圖示
漏洞掃描技術主要通過以下兩種方法來檢查目標主機是否存在漏洞：在端口掃描后得知目標主機開啟的端口以及端口上的網絡服務，將這些相關信息與網絡漏洞掃描系統提供的漏洞庫進行匹配，查看是否有滿足匹配條件的漏洞存在；通過模擬黑客的攻擊手法，對目標主機系統進行攻擊性的安全漏洞掃描，如測試弱勢口令等。若模擬攻擊成功，則表明目標主機系統存在安全漏洞。
2.2利用探測工具
網絡探測工具非常多，種類非常繁雜，功能也不盡相同，這里只以網絡偵聽工具Sniffer和X-scan掃描器為例進行闡述。
Sniffer是一種通過網絡偵聽獲取所有的網絡信息（包括數據包信息，網絡流量信息、網絡狀態信息、網絡管理信息等），具有實時檢測網絡活動、產生可視化的即時報警和通報信息、基于網絡特定終端，會話或任何網絡部分的詳細利用情況收集和錯誤統計、保存基線分析的歷史數據和錯誤信息等功能。Sniffer還可以根據抓獲的數據包信息動態繪制各主機直接的通信關系圖示。
X-scan采用多線程方式對指定IP地址段(或單機)進行安全漏洞檢測，支持插件功能，提供了圖形界面和命令行兩種操作方式，掃描內容包括：遠程服務類型、操作系統類型及版本，各種弱口令漏洞、后門、應用服務漏洞、網絡設備漏洞、拒絕服務漏洞等二十幾個大類。對于多數已知漏洞都給出了相應的漏洞描述、解決方案及詳細描述鏈接。掃描結束后生成檢測報告。
圖2X-scan檢測報告圖示現在網上還有其他各類有特色的掃描器，種類繁多，如nMAP、SATAN、iris等，在此不一一介紹。
2.3路由交換設備的探測與管理
通過SNMP協議MIB庫，可以獲取網絡中的交換機的交換表和路由器的路由表，實現流量統計，速率統計等功能，繪制出網絡拓撲結構圖。通過MIB庫定義的接口，還可以遠程控制和修改路由器、交換機的配置信息。
2.4獲取應用系統的運行信息
通過收集網絡中的防火墻、防病毒軟件以及其他應用系統的運行日志，發現非法入侵或越權訪問信息，程序運行報警信息等，及時掌握網絡和系統的安全特性，在遇到攻擊或威脅時可以進一步采取措施，避免造成損失，并有效防止損失的擴大化。
2.5部署的探測技術
在網絡中設立一臺服務器，安裝服務程序，在網絡中需要探測的計算機上安裝客戶端程序，并制定一些特定的協議，服務器端定期查詢客戶端的狀態和日志信息，或者按照服務器端制定的策略，客戶端定期將自己的狀態、日志、或應用程序運行信息發送給服務器，服務器端對這些信息進行過濾、分析、整理和審計，以獲取反映客戶端微機的運行狀態。如果服務器端在制定的策略時間范圍內沒有接收到該客戶端的信息，則可以判斷該客戶端處于離線狀態，或者網絡線路出現故障。
3探測技術的應用
應用一：掌握和了解系統運行情況
通過探測技術，獲取計算機的在線狀態，可以及時發現網絡中離線或出現故障的計算機，或者發現哪些計算機沒有運行本該運行的程序和應用，還可以通過這些探測信息及時發現計算機系統存在的漏洞以及計算機系統運行存在的風險，如：入侵檢測系統。
圖3Cisco交換機的流量和數量統計圖示
應用二：實時反映網絡拓撲結構
探測的結果還可以用來實時反映網絡的連接結構，為實時繪制網絡的拓撲結構圖，實時反映網絡的運行狀態等提供了依據。如：HPOpenView網絡節點管理器，鼠標放在某個節點上將顯示該節點的詳細信息，示例圖示如下：
圖4HPOpenView繪制網絡拓撲圖示
應用三：實現網絡的自動化管理
通過探測收集到網絡的運行信息，為網絡的安全管理依據和手段，這樣就可以在制定相應的策略指導下實現個應用系統之間的聯動，如給防火墻設置新的安全規格，發現病毒后對殺毒軟件的病毒庫進行及時更新等，建立起一套統一、安全、高效的安全檢測、監控、管理體系，實現網絡的互連、互控、互動和集中統一防御，從而達到了自動化管理的目標。
為了提供自動化管理效率和準確性，可以在管理員的干預下建立一個專家數據庫，對系統的聯動提供指導和依據。
4結束語
一般來說，在線探測技術是網絡管理的基礎，探測結果是實施下一步安全管理、系統聯動等管理手段的依據，所以保證檢測結果的正確性非常必要，因此需要對探測收集到的信息需要進行驗證，以達到去偽存真的目標，提高管理的準確性和效率。
參考資料
[1]王曦楊健編著.《網絡安全技術與實務》，電子工業出版社，2006
[2]余承行主編,劉親華等副主編.《信息安全技術》科學出版社，2005
[3]李石磊.網絡安全掃描技術原理及建議，東軟教育在線網站
海底熱流探測,記錄的是來自地球內部的熱能。當兩種不同溫度介質接觸時,分子的動能會在兩種介質之間傳遞,直至達到熱平衡。熱流表示由溫差引起的能量傳遞。沉積物熱流以熱傳導為主,在一維穩態純傳導的條件下,地熱流q可以用下式描述[1]:
海底地溫梯度是一個向量,表示地球等溫面法線方向上溫度變化程度及變化方向,因此只要知道深度間距dZ和它們之間的溫差dT即可。
熱導率κ是一個表征沉積物導熱能力快慢的物理量,沉積物的組成類別及水含量不同熱導率κ也不同。熱導率測量的理論基礎是從瞬間熱脈沖由無限長圓拄形金屬探針進入無限大介質的傳導理論上發展起來的(Blackwell等,1954;Hyndman等,1979),該理論認為[2,3]當探針溫度、沉積物溫度與環境溫度達到平衡時,熱脈沖使探針溫度升高,高于環境溫度,在熱脈沖過后的一定時間內,地熱探針內的熱敏電阻的溫度T(t)由下式給出:
2海底熱流原位探測技術
2.1海底溫度梯度原位測量
海底沉積物的溫度梯度測量自20世紀50年代至今一直沿用兩大方法,即Bullard(布拉德)型探針和Ewing(艾文)型探針。
溫度梯度測量開始于1948年,首先由美學者Bullard(布拉德)設計了海底熱流計,如圖1所示。它用來測量海底沉積物的地溫梯度,并利用取樣器將沉積物樣品取回,在實驗室測量它的熱導率。經過十多年的完善,Bullard型熱流計也由靈敏度較差的熱電偶改為靈敏度較高的熱敏電阻,同時確立了海底溫度梯度原位測量的基本模式。
Bullard型海底熱流計探針的基本結構尺寸:,長3～6m,外經Φ27mm,內經Φ11.2mm的鋼管。探針的上、下兩端各安裝一個熱敏元件,上部有一密封倉,內置記錄系統,下部裝一針尖,以便插入海底沉積物時減小阻力,設備*自重插入沉積物。上世紀70年代后期,加拿大實用微系統公司(AML)研制的TR-12S型Bullard式探針得到了進一步改進,結構尺寸長3m,直徑Φ16mm,探管內有8個YSI-44032熱敏電阻,從測量精度到外觀設計都有了極大提高。
隨著制造技術的不斷進步,熱流計的發展趨勢是探針逐漸變細、變薄、熱敏電阻的數量也在增加,目的在于探針變細可進一步減少插入沉積物時帶來得擾動,變薄可提高熱敏電阻對沉積物溫度變化的靈敏度,熱敏電阻數量的增加可以在梯度計算時相互驗證,并確保測量的準確性。
上世紀60年代初期,Ewing(艾文)完成了自己設計的海底溫度梯度測量計[4],即人們通常說的Ewing型熱流計,也稱為拉蒙特型熱流計,是從拉蒙特地質觀察所普及開的。它的結構特點,圖2所示。在柱狀取樣器周圍,相隔一定距離不同方位安裝3～8個很細的探針,探針直徑3mm,長20～24mm,避免了Bullard型熱流計在設備插入沉積物時帶來的攪動和測量時間過長等問題,提高了海上測量的工作效率;但仍沒有解決海底測量熱導率的問題。
以上兩大類熱流計在早期的沉積物溫度梯度測量中,發揮了積極的作用。隨著社會的進步,設備制造技術的發展,人們不僅對沉積物熱流原位測量中的溫度梯度感興趣,而且更加關注沉積物熱導率的原位測量問題。
2.2海底沉積物熱導率測量
熱導率與物質的組成、結構、密度、溫度及壓強有關。海底沉積物熱導率測量技術的發展,歷經幾十年的探索,由原始的水分法、細針探測法,逐漸發展到了原位測量法。水分法是依據Ratcliffe(1960)關于海洋沉積物熱導率與水分的關系,通過測定沉積物的水分,不需要特殊的儀器,即可估算熱導率值。細針探測法(VonHerzenandMaxwell,1959)是通過均勻的電阻絲,給圓柱小探針連續加熱,溫升隨時間增加,逼近一條對數漸進線,漸進線的斜率正比于探針周圍材料的熱阻率。其研究證明,該方法需從海底取回沉積物樣品在實驗室內測量,同時把溫度和壓力修正到沉積物在海底的條件,勢必造成熱導率和溫度梯度不在同一站位測定的問題。所以要尋找一種能在同一站位獲得熱導率和溫度梯度兩種參數的測量方法,而不必取樣,這正是我們研究的海底原位熱導率測量方法。
2.2.1連續加熱線源法
連續加熱線源法,由Sclater等人于1969年用于海底沉積物的熱導率測量[5],它把探針理想化為無限長的完全導熱圓柱,通過恒定電流對其加熱,探針內加熱電阻絲的溫度升高快慢程度與沉積物的熱導率有關,沉積物的導熱性能差,溫度升高快;沉積物的導熱性能好,溫度升高慢。沉積物的熱導率k與探針內加熱電阻絲表面的溫升關系,可以通過求解無限長圓柱體的導熱微分方程來得到[6],當時間t=0時,探針的溫度為T0;時間t時的溫度T為:
其中T1是探針周圍沉積物的平衡溫度。沿圓柱長度加上一恒定的熱量Q,就可以測定熱導率κ,假設開始時溫度為零,則有(Jaeger,1956[7)]:
(8)式中T1和T0是可求的,所以熱導率κ就可以用最小二乘法對測量溫度進行擬合。
上世紀80年代初期,上述方法在美國伍茲霍爾海洋研究所(WHOI)得到了進一步的發展和應用,但其致命弱點是,海底沉積物含水量很大,持續供熱導致探針溫度不斷升高,很容易導致探針周圍的孔隙水發生對流,而使根據熱傳導方程推導的公式帶來很大的誤差;其次海上作業時間長,船的漂移難以控制,機械擾動嚴重以及持續供熱需要大量的電能等問題,故這種技術沒有得到廣泛的應用。
2.2.2脈沖加熱法
1979年,Liste(r李斯特)在Bullard型熱流計的基礎上,進行了大膽、徹底的革新,首先將Bullard型熱流計點熱敏元件保留在兩端不動,在中間插入熱敏元件組。點熱敏元件仍然完成地溫梯度的測量,熱敏元件組測量熱脈沖后的平均溫度,用于計算沉積物的熱導率。隨著科學技術的發展和進步,Liste(r李斯特)在記錄方式上采用了數字化格式,使其測量精度得到提升。這樣Liste(r李斯特)在Bullard型熱流計的基礎上利用“熱線源法”的理論,完成了海底沉積物地溫梯度和沉積物熱導率原位測量的技術革新,即海底沉積物熱導率原位測量技術[8]。
探針插入海底沉積物,加上熱脈沖后,可以把探針看作是處于沉積物溫度之上的、恒定的初始溫度T0的條件下,假設沒有接觸電阻(對于海洋沉積物,這假設大多正確),那么在時間t,探針的溫度Tτ為:
式中:k是沉積物的擴散系數;a是探針的半徑;c是沉積物的比熱;ρ是沉積物的密度;S是探針單位長度的熱容;τ定義為探針的熱時間常數;α是沉積物熱容與探針材料熱容之比的兩倍,J(nX)和Y(nX)分別為是n階貝塞爾函數的第一項和第二項。
當探針的熱時間常數τ>1時,Bullard函數為:
脈沖加熱法是在探針內不僅裝有一組熱敏元件,同時還包括一根加熱電阻絲,當儀器倉控制電路給電阻絲瞬間加熱后,電阻絲會使探針溫度突然升高,然后隨時間緩慢衰減,熱敏元件組記錄溫度隨時間的變化,最終依據計算出熱導率。
通過對連續加熱線源法與脈沖加熱法兩種技術進行比較,脈沖加熱法應用較為廣泛。
3海底熱流原位測量技術需要解決的幾個問題
3.1提高探針自行插入的能力
一般熱流原位測量設備在海上使用的成本較高,由于波浪、海流及風的作用,海洋的工作環境相當復雜,要求測量設備必須插得住,同時需要在沉積物中保持10～20min才能達到溫度平衡,此時船舶可漂移400～500m。表1是三個航次探針插入沉積物的實際情況[9,10]。
通過對三個航次的測量結果分析,地熱探針的結構設計必須在保證剛度的前提下,對探針水中的運動特性和插入沉積物瞬間的力學特性進行反復計算和演算,用于確定最佳配重和外形設計的依據,這樣就會減少由于測量設備帶來的拖倒、拉斷及丟失。
3.2提高海上測量的準確度
目前對同一調查站位,采用在冬季和夏季進行重復測量,根據觀測資料來確定海水溫度變化對地殼熱流的影響程度,判定水溫變化隨海底地殼深度衰減的情況。研究發現,直到海底之下6～7m二者方趨于一致,這說明6～7m之下,水溫變化的影響已大幅度減弱。而目前地熱探針長度一般為3.0～4.5m,這樣增加了海上重復探測的工作量,為了減少重復,加長地熱探針,使下插深度增大,以盡可能采用下部熱敏元件的記錄來進行資料處理。
3.3常年觀測系統
研究業已證明海洋底層水溫變化大,大氣溫度的日變化可影響到海底以下5m左右,氣溫的年變化可影響到海底以下50m。而對于水體則影響更深,再加上海流、波浪、潮汐的混合作用,氣溫變化的影響可波及到1500～2000m深的水體。而水溫的變化又直接作用于海底沉積物。通過大量的實測溫度分析可以看出,溫度隨深度呈非線性變化,特別是海底之下0～5m范圍內,溫度變化更加復雜,由此可見,地表因素的影響非常大。但如何從地熱資料中消除這些淺層影響,而得出真正來自地下深處的熱信息也是一個未解的難題。如果在海上作業中,首先在預定站位投放一長期溫度監測設備,自動記錄沉積物和底層海水的溫度變化?？梢酝ㄟ^聲通訊設備定時發送到岸站,可獲得常年的溫度變化記錄,從而設計計算程序,消除淺層因素的影響;同時,也為防災減災提供原始的連續資料。
4結束語
本文分析了海底沉積物熱流探測技術的發展與理論的建立,鑒于我國目前在該技術領域的工作開展還比較薄弱,極大的限制了我國海洋熱流探測和應用。因此,在充分認識和了解海洋熱流探測技術的發展和現狀的情況下,開發我國具有自主知識產權的海洋熱流原位探測技術刻不容緩。
參考文獻:
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物探——地球物理勘探的簡稱，它是以地下巖土層（或地質體）的物性差異為基礎，通過儀器觀測自然或人工物理場的變化，確定地下地質體的空間展布范圍（大小、形狀、埋深等）并可測定巖土體的物性參數，達到解決地質問題的一種物理勘探方法。
按照勘探對象的不同，物探技術又分為三大分支，即石油物探、固體礦物探和水工環物探（簡稱工程物探），我們使用的為工程物探。
工程物探技術方法門類眾多，它們依據的原理和使用的儀器設備也各有不同，隨著科學技術的進步，物探技術的發展日趨成熟，而且新的方法技術不斷涌現，幾年前還認為無法解決的問題，幾年后由于某種新方法、新技術、新儀器的出現迎刃而解的實例是常見的。它是地質科學中一門新興的、十分活躍、發展很快的學科，它又是城市建設和水利電力巖土工程勘察的重要方法之一，在某種程度上講，它的應用與發展已成為衡量地質勘察現代化水平的重要標志。
下面介紹兩種實用的直流電法勘探技術——三維直流電法探測技術和巖土體電阻率測試技術，供廣大物探同仁工作時參考。
2三維直流電法探測技術
三維直流電法探測就是應用現有的直流電法儀器和勘探方法，在施工方法上優化改進，進行加密采樣數據以取得三維數據體，然后采取電阻率層析成像技術進行資料處理和成圖。該方法是傳統直流電法的三維化，可使勘探精度得到很大提高，在原有儀器設備條件下提高了傳統直流電法勘探的能力，但野外測試工作量較大，是以“時間換取空間上的高分辨率”。把它應用到工程與環境地球物理勘探中，不失為一種較理想的方法。三維直流電法勘探施工采取一次布極，多極距測量技術，通常采用的裝置形式有兩極裝置、單極——偶極裝置和偶極——偶極裝置等。
本文主要介紹兩極裝置形式，把供電電極B和測量電極N置于無窮遠處，在勘探區域布置m條測線，每條測線布置n個測點（電極），測網密度根據探測對象及其探測深度而定，在城市建設和水利電力工程勘測中，一般選取測線距L=2～10米、測點距D=2～5米即可滿足勘探要求。外業工作時將m×n個電極一次布置完畢（詳見圖1），其中單一測點（電極）的編號為aij（i=1，2，3……m；j=1，2，3……n）。
對于兩極裝置，理論上OB=∞，ON=∞，視電阻率計算公式為：
式中：ρs—視電祖率(Ω·m)；rAM—供電電極A與測量電極M之間的距離(m)；UAM—測量電極M的觀測電位(mV)；I—供電電極A的電流強度(mA)。
外業施工過程為：選擇a11點為供電點，逐點測量a12，a13，a14，…，a1j，…，a1n各點的電位和供電電流強度，代入(1)式可求得各測量點的視電阻率值。然后再以a12點為供電點，逐點測量a13，a14，a15，…，a1j，…，a1n各點的電位和供電電流強度，依此類推，直到供電點移到a1n-1點為止，即完成其中一條測線a1j的測試任務。其它測線a2j、a3j、a4j……amj的電位和供電電流強度測試按照上述方法和順序進行，便可獲得全測區內各測點不同電極距的視電阻率參數。
資料處理與解釋主要目的是便于研究勘查區內地電異常體的空間賦存規律和變化特征。一般程序為：由外業觀測數據分別繪制極距d=D，2D，3D，4D，5D，6D……米的視電阻率水平切片，再把它們按對應的水平位置并依電極距大小疊放在一起便可形成倒梯形的三維視電阻率圖，據此進行推斷解釋。根據試驗研究和工程實測結果得出：該法的勘探深度一般為(0.6～0.8)d。
圖2為文獻⑶在城市工程勘查中的應用實例：該測區由于地下人防工程充水、坍塌而呈現低阻電性特征。圖2⑴可以看出NE—SW向有一低阻條帶，根據本區地質特征和鉆孔資料可知，低阻帶為地下人防工程上部反映，埋深在1.4～1.6m左右，圖右下角的高阻為墻基影響造成；圖2⑵因完全充水，低阻帶電阻率較d=2m時低，埋深應在2.8～3.0m左右；圖2⑶的等值線形態與圖2⑵基本一致，為人防工程的完全充水部分，深度在4.2～4.4m左右；圖2⑷為人防工程基底反映，深度在5.6～6.0m左右。據以上分析，人防工程平面位置為圖2⑴虛線圈定區域，人防工程呈NE—SW走向貫穿勘探區域，深度在2～6m左右。據報道該測區解釋成果經開挖驗證完全符合客觀實際。
該法較傳統直流電法勘探具有信息量大、精度高的優點，在工程勘察中有較好的應用效果，同時又拓展了老式電法儀的應用范圍，延長了老式儀器的經濟使用壽命；但又具有施工量大的缺點，性價比決定其適合于小區域的工程勘察。
3巖土體電阻率測試技術
對巖土體電阻率的測試，可以采用多種方法。下面主要介紹直流電測深中的溫納裝置在巖土體電阻率測試中的具體應用。根據試驗研究和工程實測結果可知該法具有快速、準確地測定巖土體電阻率，并對不同巖性層劃分做出客觀解釋。
實際工作中，根據測試場地的大小，可選用對稱四極裝置或三極裝置進行測量。由于溫納裝置是等比裝置，且MN/AB=1/3，所以視電阻率與電位差及電流強度的關系式為：
式中：ρs—視電祖率(Ω·m)；UMN—測量電極MN觀測電位差(mV)；I—供電電極AB之間的電流強度(mA)；k為裝置系數：
由此可分別得到四極和三極的裝置系數：
(四極裝置適用)
(三極裝置適用)
在現場觀測過程中，將AB供電極距逐漸加大，以增加勘探深度，可以測得不同電極距下的視電阻率ρs。實用的供電極距及測量極距見表1。
表1供電極距和測量極距單位：m
AB
1.8
2.4
3.0
4.2
5.7
7.8
10.2
13.2
17.4
22.8
30
42
57
78
102
…
AB/2
0.9
1.2
1.5
2.1
2.85
3.9
5.1
6.6
8.7
11.4
15
21
28.5
39
51
…
MN
0.6
0.8
1.0
1.4
1.9
2.6
3.4
4.4
5.8
7.6
10
14
19
26
34
…
數據處理與解釋采用現場作圖的方式，可快速測定電阻率及劃分巖性層位。以MN為橫坐標，計算MN/ρs，并以MN/ρs為縱坐標，在雙對數坐標紙上繪制MN/ρs與MN的關系圖，詳見圖3。對圖中不同極距的測試值，找出不同深度、相同斜率的點，對這些點進行連線，使其均勻地分布在直線上或直線兩側。求直線段斜率的倒數，可獲得測點處各層的電阻率ρij。
式中：i為層位序號(i=1，2，3，…)；j為測深點編號(j=1，2，3，…)。對各測深點依次作圖解釋，可求得各測點處分層的電阻率值，對獲得的各層電阻率值進行數理統計，便可獲得地層的平均電阻率值。計算公式為：
其中：—第i巖性層平均電阻率值；ρij—第j測深點處第i巖性層計算電阻率值；n—測深點數。
根據下式確定標準差，以求得第i巖性層電阻率值的變化范圍±si。
物性層位的劃分可以采用計算機數值模擬計算、量板法或其它手工解釋方法，但由于對解釋結果的影響因素很多，例如不同時代不同成因的地層、巖性特征、地層傾角、構造特征等，使其垂直方向和水平方向上均存在較為復雜的變化，地下高阻或低阻屏蔽層的影響，實際地層的各向異性等等，都將對巖性層參數的解釋結果產生較大影響。由此可知該解釋只能是電性層參數，而不是所求目的地質層參數。因此地質層位的劃分尚需將電性層參數轉化為地質層參數，在實際工作中，必須進行層位厚度校正。具體做法是：首先在已知地層剖面處進行電測深（如鉆孔處），通過已知地層剖面確定校正系數，即確定AB/2極距與層位深度的關系。再通過已知地質剖面或鉆孔處的電測深數據作視電阻率擬斷面等值線圖，在視電阻率擬斷面等值線圖上劃分地層，用已知地層深度或鉆孔深度h與地質層面對應的AB/2對比，求取不同深度AB/2的校正系數λi：
(i=1，2，3，…)
實測工作時，可對每個鉆孔進行統計，求取深度校正系數的算術平均值。如在沒有鉆孔(或已知地層剖面)的測區，可采用工程類比法獲得，如采用鄰近地質條件相似地區的深度校正系數即可滿足工程需要。
據文獻⑷報道，他們的研究和工作過的測區，其極距與鉆孔對比的校正系數為0.66左右。而溫納裝置選取MN/AB=1/3，MN≈0.66(AB/2)，因此，以MN作橫坐標，以MN/ρs為縱坐標作圖，則不同斜率的直線交點處對應的橫坐標即為層位頂面的深度(見圖3)。
同樣，在不同的地區還可以AB/2作橫坐標，以(AB/2)/ρs作縱坐標，作雙對數坐標圖，用不同斜率的直線交點處對應的AB/2乘以校正系數，求取地質層位頂面的埋深。圖4為某變電站場地電阻率及層位劃分實際解釋應用圖(見文獻⑷)。該圖是以AB/2作橫坐標，以(AB/2)/ρs為縱坐標，作雙對數坐標圖。從圖中可以很好地劃分出4個層位并計算直線段斜率的倒數，獲得各層的電阻率值。依據實際經驗該方法對于電阻率相差不大的相鄰地層的劃分也有較好的地質效果。
該方法較傳統的解釋方法具有快速(可由記錄員現場繪圖取得解釋成果)、準確的特點，相對于傳統的解釋方法而言更適合工程物探在解決地層劃分和電阻率測試中的應用。另外，場地的巖土電阻率是工程設計接地裝置的一個重要參數。它的確定對電流盡快地散入大地，達到足夠小的接地電阻及接地裝置地下部分的合理布局起到十分重要的作用，它沿地層深度的變化規律是選擇接地裝置型式設計的主要依據。巖土中含水量和溫度的變化，對巖土體電阻率的影響較大。溫度降低，巖土電阻率增大；溫度升高，巖土電阻率變小。巖土濕度變小，電阻率增大；巖土濕度變大，電阻率變小。但巖土含水量增加較大時，巖土電阻率反而增加；另外，水的礦化度不同，對巖土電阻率的影響也是不一樣的。所以，如果條件允許，應在冬天干旱季節，對變電站場地的巖土電阻率進行測定，以獲取場地在一年四季中最大的電阻率，供設計接地裝置使用。
4結束語
以上較為詳細地介紹了三維直流電法探測技術、巖土體電阻率測試技術的現場施工方法、資料處理及其解釋的技術路線，由此可以看出，它們在城市建設和水利電力工程勘測中具有信息量大、準確、直觀、經濟、快速、便于分析等特點而具有廣泛的應用前景。
隨著電子和數據處理技術的發展，城市建設和水利電力工程物探技術也隨之提高和拓寬，許多新技術、新方法在生產實踐中顯示出強大的生命力而不斷的發展完善，應用范圍也不斷拓展；如地質雷達技術、面波勘探技術、電阻率層析成像和地震(聲波)CT技術等都在工程實踐中取得了良好地應用效果，發揮著愈來愈重要的作用；同樣，常規物探方法的應用范圍和應用領域以及數據處理技術也不斷進展和創新，在工程建設和實踐中發揮著不可替代的作用，取得了良好的經濟效益和社會效益。
參考文獻：
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⑵MHLoke.Electricalimagingsurveysforenvironmentandengineeringstudies[EB/OL].2002，2.
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因為標準是某一類型產品技術指標的濃縮。制修訂標準，一方面能改善某一類型的產品的相關指標；另一方面，如果受到產品本身技術原理的制約，無法提升相關技術指標，就無法修訂標準，即不能滿足行業應用的需求（比如：傳統型主動紅外入侵探測器的技術就無法將觸發響應時間提升至符合應用需求的20ms）；最重要的是，隨著應用需求的發展與變化，新產品、新技術的引進將成為隨機性、常態化的過程，如果缺乏更高、更廣層面框架的指引，行業應用將會成為方向無法預見的、被動的、持續的具體標準修訂過程。如果能夠“搭建一個開放式的、嚴謹的、完備的描述行業應用需求的框架式平臺”——應用規范，則一方面行業用戶要求入侵探測工程或其產品的使用效果滿足應用規范中的約束條件，而不必拘泥于選擇某種原理的產品；另一方面廠家也可以根據行業應用規范描述的內容，從多角度考慮研發方向，并依據哪些約束條件選擇新產品應依托的技術，確保產品的主要功能和關鍵性技術指標可以滿足應用需求，確保研發投入的有效性；而在應用規范約束條件下產生的標準，本身也符合應用需求。
2頂層設計的作用
應用規范可以為用戶提煉一個系統的、完整的、關于應用效果的準確表達，成為工程設計方全面而嚴謹的設計和驗收的依據，并對施工工藝提供相應的指導。由于應用規范的定義，所有的描述內容僅涉及應用效果，而不規定具體技術和產品，其開放式的結構不僅為更多新技術的進入提供了廣闊空間，同時對新技術予以嚴謹的約束和指導，避免應用中采用“似是而非”的技術；避免生產廠商以“先進技術”誤導用戶和工程設計及施工方。
3以“頂層設計”的方法規劃智能建筑的入侵探測技術配置的一般性過程
3.1全方位準確描述智能建筑的應用環境
3.1.1智能建筑內部空間的基本功能在智能建筑的內部空間中，符合準入權限的人員及其喂養的各類寵物，均可以在其中無拘束地自由活動。
3.1.2智能建筑（以住宅類為例）由各種不同的功能區域構成智能建筑可以由屏障式建筑體（院墻/大門）、過渡空間（院落）、主體建筑、附屬建筑等多種建筑形態構成，也可以是單獨的多/高層樓宇式建筑物。1）室外建筑構成體在外形特征的相關變化院落形態變化對比如表1所示。2）室內空間功能多樣化及其內部環境條件多元化為了滿足多個不同個體的人員、多層面應用需求，智能建筑內部可能設置有廳/餐/廚/衛/主/客/傭/影視/文娛/體/閱讀等不同功能空間。這些空間在不同時段會滿足于個體應用需求的溫濕度差異；且在不同時段分布不同色溫、不同照度、不同波長的光照明、不同頻譜、不同規律、不同響度的聲音等。3）智能建筑中配置滿足不同層面需要的各類設施為了滿足住戶多層面的應用需求，智能建筑中分布有大量的水/電/氣管路；配置了空氣溫濕度、理化潔凈度探測控制裝置，各類照明、感應、影音播放及相關控制裝置，各類實現建筑物內部及內/外聯系的通信裝置；不同功能空間中還配置有特定的電器裝置，甚至某些空間中還配置了可以自動“行走”的從事清潔等服務的機器（人）。上述各種設施是建筑物內各種頻率/振幅的機械振動或波振動源；在不同時段也可能在較寬頻譜范圍內形成不同調制方式、不同能量的空間電磁波輻射（包括光波）和/或線路上的電磁擾動。綜合以上分析得出結論：合法入住的人員及寵物的正?；顒?，智能建筑內部配置的各類電氣裝置的正常工作狀況，均會成為傳統型入侵探測技術的干擾源。
3.2以另一種角度解析入侵探測技術
入侵探測的本質：采用物理測量技術，識別出“不允許進入特定區域的人”。探測技術發展經歷了以下幾個階段，并各具相應特性。
3.2.1入侵探測技術的智能化進程初級型階段的入侵探測技術是針對參照物“有沒有”實施最簡單判斷，使用的典型技術是鐵磁性“接近開關”對門、窗的“開/閉”狀態判斷，以門/窗有沒有開啟作為觸發報警條件。傳統型階段的入侵探測技術達到了“什么樣”的判斷水平——針對移動特性與體積、重量、溫度、外形等參量之一的探測，以上述物理參量是否存在或以某個特定值作為預設的觸發報警條件。智能型入侵探測的智能水平達到了判別“是誰”的能力——采用各類生物識別技術，實現對特定人員身份的探測（識別）。本文針對智能建筑的入侵探測應用討論，所以探討內容涵蓋傳統型入侵探測技術和生物識別技術（智能型入侵探測技術）。
3.2.2傳統型入侵探測技術——對人的外部物理特征（共性）參量實施探測傳統型入侵探測技術針對入侵行為的主要特性——移動，同時為了提升探測的準確性，再針對人員常見的幾種外部物理參量之一進行探測，如表3所示。各類傳統型入侵探測技術僅針對人員單一的外部物理參量實施探測，探測效果相當于“盲人摸象”，可能得出不準確的結論；更重要的是，傳統型入侵探測裝置不可能區分出觸發者是用戶還是非法入侵者，所以不適于在智能建筑的室內安裝應用。
3.2.3智能型入侵探測技術——對人的外部社會特性（個性）實施探測用戶與入侵者區分依據是人的外部社會特性，是每個人與其他人之間不同的、可測或可度量的、外在的（生物或者人為附加）特征。表4列出了目前不同的生物特征測量技術，對人實現區分所需要的時間和空間條件，而根據這些條件，可以針對智能建筑中不同區域的應用需求，選擇合適的探測技術，如表4所示。5.3智能建筑不同功能區域對入侵探測應用需求及配置智能建筑內部區域對入侵探測的應用需求及配置建議如表5所示。
4應用規范的通用性規定
4.1入侵探測裝置合法性必須獲得強制性認證證書的有效覆蓋；沒有現行強制性認證標準的產品，需要獲得自愿認證證書的有效覆蓋。產品參照標準中的具體相關技術指標，均應滿足應用規范規定。
4.2配置合理性針對智能建筑的不同部位或區域，配置與應用需求對應類別的入侵探測裝置，比如：建筑物內部屬于人員及寵物活動區域，入侵探測的應用需求是“確定進入該空間的人員是否具有相應的權限”，依據此需求，建筑物內部原則上不應配置傳統型入侵探測裝置（當然，針對廚房等某些具有危險物品的空間，為防止嬰幼兒或寵物爬入，可能采用傳統型入侵探測裝置。當然在具體的配置過程中，還需要滿足應用需求的其他方面）；而傳統型入侵探測裝置應配置在智能建筑外部，特別是周界，當然還應該滿足構成“封閉式防范”和對外觀適應性等其他要求。根據表2所列的內容，可以得出明確結論——傳統型入侵探測由于不具備識別人員身份的能力，通常只能設置于智能建筑的外部，擔任判斷是否有“人員入侵”的工作。若安裝于圍墻/圍欄/窗/陽臺等不允許人員“合法”出入的周界區域，只要發現有“目標”越過這些區域（無論是“出”或者是“入”），都必須輸出報警信號。而具體應該采用何種入侵探測技術，應根據每種入侵探測技術的特點及具體應用需求來確定。
4.3風險等級適配性1）應用規范應規定智能建筑的風險等級，以及入侵探測裝置的防范嚴密性等級。2）配置與風險等級對應的入侵探測裝置類別，除了與空間條件相適應外，其探測的嚴密程度也應該與建筑的風險等級相對應。比如：對于低風險等級建筑的門禁可以采用IC卡、密碼等探測技術；高風險等級建筑的門禁應用可以采用其他相應的生物識別技術。3）配置與風險等級對應的入侵探測裝置。低風險等級的周界配置的入侵探測裝置的觸發響應時間或探測靈敏度指標可以較低，而高風險等級的周界配置入侵探測裝置的相應技術指標要求較高。
4.4探測介質安全性建筑的入侵探測裝置在長期使用的條件下，對人員物不產生任何傷害；建筑物外使用的入侵探測裝置，在短時間內不應對人員（包含入侵者）產生傷害。
4.5環境適應性1）入侵探測裝置的外觀造型應與整體建筑造型風格和景觀觀感相適應。2）入侵探測裝置的探測介質、通訊介質電磁參量等應該與智能建筑整體（局部）電磁環境相適應，不會產生相互干擾。
4.6探測技術的互補與協調性1）在同一空間或區域內，可采用兩種或以上探測介質不同但探測區域重合的入侵探測（身份識別）技術，減少漏報警的機會。2）對不同空間或區域配置的相同或不同探測裝置之間的異常信號實現統一管理與分析，提高報警準確率。
4.7資源配置的節約性1）由于智能建筑內分布大量的環境類探測器、傳感器，形成廣泛分布的傳輸通道，在保障“報警優先”并確?？捎行П苊狻巴ǖ雷枞睏l件下，入侵探測裝置的輸出/遠端控制宜盡可能利用智能建筑內部配置的其他探測裝置的信號通道。2）門禁確認進入人員身份的識別信號，可以提供給后續智能控制系統，實現“具體房間室內溫濕度、燈光色調/照度、音響內容與響度、沐浴水溫”多參量的個性化調節等應用環節。3）配置于室內的攝像機，可以同時用于入侵探測與火警探測兩種報警復核?？煽紤]具有“模糊的行為識別”與“高清的取證識別”兩種工作模式，以應對不同風險等級或應對不同級別隱私保護需求。4）環境類痕量化學傳感器與入侵探測功能交互。住戶個人生活習慣，如從吸煙或使用化妝品品牌的痕量分析作為身份識別，既可以根據習慣性化學痕量判斷對于住戶個人的個性化實施調節；也可以將與習慣性品牌痕量分析不符合的分析結果，作為入侵（內部人員非法進入）報警參考條件。
4.8使用便利性入侵探測裝置的安裝、調試、維護、保養應方便。家居型智能建筑應用的入侵探測裝置最大程度提升DIY水平；在不能或不宜采用DIY方式安裝的場所，或入侵探測裝置本身的DIY程度要求不高的條件下，入侵探測裝置應分別配置針對現場用戶和安全控制中心的故障提示方式。
4.9與風險等級對應價格體系的合理性與可承受性1）性能/價格比是相應用戶可以接受的（首先是性能，然后才是價格）。2）價格與產品風險等級對應，“優質優價”。3）價格體系應該給生產、銷售、安裝、調試、維保等環節留有相應生存空間，最好還留有發展空間，杜絕惡性價格競爭。
4.10入侵探測裝置使用年限的規定入侵探測裝置應規定使用年限，以室內不超過5年、室外不超過3年為宜。
4.11入侵探測裝置不適用條件的規定1）系統集成商在構成系統過程中，在入侵探測裝置無法承受氣候時，系統對入侵探測裝置予以“屏蔽”。2）用戶對于不同空間隱私性、不同時間準入條件等具體應用需求，明確規定不適用的入侵探測裝置或入侵探測系統相應功能不適用的時間段。
5結束語
(1)物探技術的創新
隨著各項技術的進步與發展，石油地質勘探過程中，各種勘探技術不斷創新，地震勘探技術在設備制造、數據處理、數據解釋及數據采集等方面取得了很大的進步與發展，為了在提升勘探效率的同時，有效降低勘探成本，三維可視化技術、經驗技術、地震油藏描述等先進技術不斷涌現，未來的發展過程中，更多的先進技術將應用于石油地質勘探工作中，如：永久性地震傳感器排列系統的應用，有利于對石油勘探實施電子化的管理，同時可以對地震油藏開展實時的生產監測；隨著地震成像技術的廣泛應用，有利于對整個鉆井過程實施可視化的監控，以便于為石油地質勘探的評估者提供更加準確、全面的決策依據，對于決策精準度的提升具有非常重要的作用。
(2)測井技術的創新
近年來，隨鉆技術、套管技術、快速平臺技術、核磁共振技術等測井技術的創新，對于測井工作效率及質量的提升具有非常重要的作用，在這幾種創新性的技術中，最為常用的就是核磁共振測井技術，在實際的石油測井過程中，應用該技術具有非常高的測井速度與測量精度，正因為其具有這些優點，使得其在實際的石油地質勘探工作中具有非常廣泛的應用；另一種常用技術是快速平臺測井技術，其最顯著的優點是：在縮短測井時間的同時，有效降低測井工作中的故障率，能夠為實際的測井工作節省大量的時間；而隨鉆測井技術的最主要的優點是可靠性強、成本小、尺寸小，并且能夠對其進行隨意組合，并且其逐漸朝著陣列化的方向發展，這對于測量數據可靠性的提升具有非常重要的作用。
(3)鉆井技術的創新
鉆井技術的創新對于石油開采工作具有非常重要的意義，不僅會直接影響到石油開采效率，對于石油開采成本也具有直接的影響，目前創新型的石油鉆井技術也比較多，如：特殊工藝鉆井技術、三維鉆井技術、可視化鉆井技術、超深井鉆井技術、深井鉆井技術、多分支井鉆井技術等，其中應用最為廣泛的是多分支鉆井技術，其最突出的優點主要表現在油氣藏的建設及開發過程中，這些新技術的應用，不僅能夠有效的提升鉆井效率，對于鉆井成本的減少也具有非常重要的作用，對于我國石油產業的健康發展具有非常重要的作用。
二結語
作者：許文彬 單位：福建省水產研究所
信標機主要采用擴展偽距差分技術，即在基準站上的接收機要算出它至可見衛星的距離，并將此計算出的距離與含有誤差的測量值進行對比同時求出其偏差。然后將所有衛星的測距誤差傳輸給用戶，用戶利用此測距誤差改正測量的偽距。最后，用戶利用改正后的偽距解出自身的位置，就可消除公共誤差，提高定位精度。其基本原理如下［2－4］：在信標基準站上觀測所有衛星，根據基準站的已知精密坐標（X0，Y0，Z0）和由星歷數據計算得到的某一時刻各衛星的地心坐標（Xj，Yj，Zj），按下式（1）求出每顆衛星在該時刻到基準站的真正距離Rj：（式略）只要同時觀測4顆衛星，利用改正后的偽距ρju（t）（j＝1，2，3，4）就可按以下偽距觀測方程計算用戶站的坐標為：（式略）偽距差分有以下優點：1）由于計算的偽距改正數是直接在WGS－84坐標上進行的，即得到的是直接改正數，不變換為當地坐標，所以能達到很高的精度。這種改正數能提供GPS定位精度，所以在未得到改正數的空隙內能繼續精密定位?；鶞收灸芴峁┧行l星的改正數，而用戶站只需接收4顆衛星即可進行改正，無需與基準站接收相同的衛星數。因此，用戶站采用具有差分功能的簡易接收機即可。偽距差分能將兩站間的公共誤差抵消，但隨著基準站與用戶站之間距離的增加，系統誤差將會明顯增加，且這種誤差采用任何差分方法都不能予以消除。因此，基準站與用戶站之間的距離對偽距差分的精度有決定性影響。為了在一個廣闊的地區內提供高精度的差分GPS服務，將若干個基準站和主站組成差分GPS網。主差分接收來自各個監測站的差分GPS信號，然后將其組合并形成在擴展區域內的有效差分GPS改正電文，通過衛星通信線路或無線電數據鏈把擴展GPS改正信號傳送給用戶站，這就形成了擴展的差分GPS。擴展差分GPS的基本思想是對GPS觀測量的誤差源加以區分，并單獨對每一種誤差分別加以“模型化”，然后將計算出的每一誤差源的數值，通過數據鏈傳輸給用戶站，改正用戶站的GPS定位誤差。廣域差分不僅擴大了差分GPS的有效工作范圍，而且保證了該區域的定位精度［2，5－6］。
系統調試整個系統由4個部分組成，共有7根電纜線進行連接，按照圖1進行系統連接，同時還要將測深桿進行有效的固定，GPS天線應盡可能地放在測深桿的正上方，否則還需進行偏心改正。系統調試時主要測試外業采集軟件HypackMax（美國CoastalOceanographics公司生產）的顯示及運行狀況，用測深桿的實測水深與測深儀所測得的水深進行比較，并通過吃水和聲速進行調整，以達到兩種數據的一致。區域坐標轉換參數的確定為了將GPS測得的WGS－84坐標轉至西安80坐標系，具體外業實測之前，應在至少3個四等以上的西安80坐標系統下的起算點上安置GPS接收機，各自觀測1h，以便準確地求得系統轉換參數。3．3水尺制作及水位的讀取水位測量是水深測量不可缺少的數據，因此在海底管道工程勘測前、后，都要從現有水文站上（或設臨時水尺）獲取觀測期間的水位數據，以便對測得的水深進行一定的改正［6－7］?？v斷面測量對于海底管道的勘測可分兩步進行。第一步，沿平行管道路由中心線，以管道路由中心線為軸線向兩側各推進150m的區域縱斷面；第二步，沿垂直管道路由中心線，以管道路由中心線為軸線向兩側各推進150m的區域進行橫斷面測量（圖略），并對周邊障礙物進行較為詳細的勘測?？v斷面測量比較方便，只需將測量船沿管道中心線行駛（測量時的航速控制在8km／h左右），DGPS測量系統便能按一定距離自動準確記錄點位坐標和水深數據。當沿管道路由行駛段無障礙物（如無海上養殖等）時，測量船正常行駛即可；當航道行駛段有障礙物（具體表現為養殖區和漁網區等）時，首先用數碼相機拍攝障礙物的數碼相片，然后在GPS天線到達其位置時，用手動記錄下其點位，并在航跡圖上用指定的符號進行表示，用其名稱進行中文注記。當海底管道縱斷面測量完成后，可將其數據記錄文件導入相應的成圖處理文件。根據各個儀器（測深儀換能器等）不同的位置偏移量，剔除誤差較大的測點，并經過適當的編輯處理之后（如將因避讓導致的曲線拉直等），即可計算整條海底管道路由的里程、各路由段的曲率半徑和偏角、水深、主要礙航物等勘測參數，生成相應的航跡圖。橫斷面測量縱斷面測量過程中，根據水深變化實時調整儀器增益，測深儀對水深值進行吃水、水位實時改正，而HypackMax軟件則將瞬時水深數據和定位數據進行記錄，測深儀同步進行水深模擬打印，這樣便形成縱斷面圖。此時可清楚觀察到每一海底管道路由段的水深情況，因而可確定橫斷面的測定區域。在橫斷面測量之前，可在計算機上設定好3～5條橫斷面測量設計線，測線間隔為25m。具體測量時可用DGPS水深測量系統進行，測深點間隔為2m。當測量船無法靠岸時可輔之以測繩加測桿的傳統方法進行。當測量船行駛段有障礙物時，首先用數碼相機拍攝障礙物，然后將測量船設有GPS天線的一側小心靠近障礙物的位置，并手動標定其點位，用建筑物的名稱進行中文注記，測定障礙物的詳細參數如用手持測距儀測定養殖設施的主要尺寸等。對于障礙物較少的路由區域，可將縱、橫斷面的兩次測定過程簡化為一次測定，以提高作業效率。對于水面較窄的海底管道路由區域，由于測量船較難轉彎，也可采用定位精度較底（10m）的手持式GPS接收機測定航跡線和障礙物的位置，并結合用測繩加測深儀或測桿的傳統方法測定海底管道路由的水深。外業數據的處理使用HypackMax軟件對水深數據進行處理，先將水深值與模擬記錄紙進行對照檢查，排序，去掉錯誤、多余和重復的數值后，通過潮位數據、聲速數據改正，輸出為Auto－CADDXF文件。在AutoCAD平臺上對圖形文件進行文字注記、勾繪等深線（等深線間隔為1m。當海底坡度變化很大時，等深線適當壓縮）、設計圖幅和進行必要的編繪，獲得最終水深［8］。3．7外業勘測注意事項外業勘測過程中應注意：1）由于GPS信標臺的差分信號來源于我國交通部在沿海建立的GPS公用信標臺站，對內陸的作用范圍僅在300km以內，故受地域局限，該系統僅適用于我國沿海地區。2）數字測深儀的穩定工作至關重要，每天工作前都應通過調整換能器的吃水改正和聲速改正使測量值盡量接近測深桿的實測值。同時對海床較淺的海底管道路由區域，測深儀的靈敏度應放在“2”較為適宜。3）信標機在工作過程中應設置成自動尋找信標臺站。若精度要求不高（＜10m）時，信標機還可設置成“無差分記錄”功能。4）電源的有效供電對提高系統的作業效率十分重要，因此在工作過程中不僅要為系統配備一個高性能的蓄電池，而且還應配備一個備用電池，以確保系統正常工作。5）因各測區水深變化較大，測量人員在操作儀器時應根據所處海域環境及時調整工作參數，使DGPS測深技術中的水深測量系統所采集的數據達到最佳效果。
福建LNG站線湄洲灣海底管道工程路由勘測應用了先進的差分全球定位系統（DGPS）。實踐表明，DGPS測深技術的引入和應用，摒棄了傳統的測繩加測深桿的方法，具有很強的優越性。該技術極大地提高了海底管道工程的勘測水深精度，同時為海底管道工程的后期路由防護提供了良好的勘測技術基礎。然而，雖然DGPS測深技術逐步為海底管道工程所采用，但其是一個不斷探索、不斷完善的過程。新的工程技術要求我們不斷完善和改進測量儀器，如多波束測深系統已較大規模投入水深測量，機械激光測深、遙感水深測量也將實用化。同時外業采集軟件及內業處理軟件也在不斷的發展完善，使其更加人性化和智能化。因此，只有不斷適應新的科學發展形勢，經常注入新技術、擴充新功能，才能不斷提高海洋工程成果質量。
