CN106950568A - 一种自适应多节点等效声速剖面的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应多节点等效声速剖面的构建方法，属于海洋测绘数据后处理领域，本发明首先对多波束海底地形测量区域进行原始声速剖面的采集，然后对原始声速剖面进行平滑预处理，之后根据Douglas‑Peucker算法原理对声速剖面进行分层，通过拖动由分层抽稀出的声速特征点来构建出理想的等效声速剖面，最后根据分层结果及已知的初始入射角和由表层声速仪测得的表层声速，做等效梯度声线跟踪，观察声速改正后的水深侧投影是否正确。由于等效声速剖面可以替代原声速剖面进行声速改正，因此可以通过自适应多节点等效声速剖面的构建方法来提高声线跟踪效率，本发明不仅体现了高度的自适应性，同时也保证了后期声速改正的精度。

Description

一种自适应多节点等效声速剖面的构建方法

技术领域

本发明属于海洋测绘数据后处理领域，具体涉及一种自适应多节点等效声速剖面的构建方法。

背景技术

多波束测深是目前国内海洋水深测量的主要技术手段之一，其具有高覆盖率、高精度、高效率等优点。多波束测深系统通过一组正交的发射基阵和接收基阵，向海底发射并接收反射或散射声波，根据声波入射角度和往返双程的时间基于Snell定律来计算海底测点的位置和深度。然而由于海洋环境的不均匀性和声线折射原理，使得声波在海水中传播时产生声速变化和声线弯曲现象，而声速变化和声线弯曲在很大程度上影响了多波束测深系统测量成果的质量和精度，是多波束测深数据系统误差的主要来源。所以想要获得高精度、高质量的多波束测深成果，就必须提出一种高效的、高精度的声速改正技术。传统的多波束声速改正方法，大多数还是依赖于实测的声速剖面根据时间最近原则或者位置最近原则进行改正的，而想要获取高精度的声速剖面数据是非常困难的。目前，声速剖面的获取方法主要有直接利用仪器测量获取和利用声速经验模型反演两种方法，而通过仪器测量声速剖面又有直接测量法(利用声速剖面仪直接测量声速)和间接测量法(利用CTD间接测量声速)，由CTD或声速剖面仪等声速剖面测量设备单次实测出的声速剖面节点的数据量可能会非常庞大，会大大降低数据处理的工作效率，甚至会导致一些多波束系统无法正常工作。针对这个问题，目前通常的解决办法是利用等间距分层的声线跟踪技术或者等效声速剖面法来改进声速改正模型。广泛采用的等间距分层方法随着分层密度的增加，越接近原声速剖面，得到的测深结果精度也就越高，但随之而来的是计算量也会大大增加。

发明内容

鉴于等间距分层中测深精度和计算量之间的矛盾，本发明提出了一种基于声线跟踪的自适应多节点等效声速剖面的构建方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种自适应多节点等效声速剖面的构建方法，能够实现任意声速剖面在满足测深精度条件下根据声速分布变化的自适应非等间距分层搜索，并能有效控制分层数量，包括以下步骤：

步骤1，首先需要通过CTD或声速剖面仪等声速剖面测量设备按一定采样密度获取测区范围内的声速剖面，测量时尽量减小误差因素对声速剖面测量的影响，以获取比较优质的声速剖面；

步骤2，通过CTD或声速剖面仪等声速剖面测量设备单次测得的声速剖面数据往往存在一定的测量误差，在使用前，需要对实测声速剖面进行平滑处理，处理掉一些测量时无法避免的观测误差；

步骤3，根据Douglas-Peucker算法原理，需要在声速剖面上选取两个声速节点，实际操作中通常选取剖面曲线两端点，即第一个点P₁(c(1),z(1))和最后一个点P_N(c(N),z(N))，然后将两个端点连接成一条直线，然后按照公式(1)计算声速剖面上其他各点到这条直线的距离D_i；

其中，c(1)、z(1)为P₁点对应的声速值和深度值，同理，c(N)、z(N)分别为P_N点对应的声速值和深度值；

步骤4，根据实际情况设定一定的阈值δ，若由上述距离公式计算出的距离D_i中的最大值{D_i}_max<δ，则将中间所有的点都舍去，只保留两个端点；若{D_i}_max≥δ，则保留剖面点中到直线距离最大的中间点，并以该点为分界点，将整个声速剖面分成两部分，之后再对分开的每个部分分别重复步骤3、步骤4所述的过程，直到没有点再被舍弃为止；

步骤5，将根据步骤4中经过Douglas-Peucker算法抽稀出的相邻声速特征点用线段连接起来，并设置成可拖动的节点，根据面积差为零的原理，左右拖动节点，使构建的声速剖面与坐标轴围成的面积尽量接近原声速剖面与坐标轴围成的面积，即原声速剖面分布于等效声速剖面两侧的面积之差接近于零，拖动声速节点的直观效果可通过以下方法来检验，在原声速剖面的测量区域范围内选择一处地形平坦的海底地形数据，在对数据做了一些简单的处理但是不做声速改正时，其海底地形的侧投影会表现出边缘波束上翘(或下弯)的现象，即每段地形呈现“笑脸”(或“哭脸”)形状，若声速节点调节合适，即使用理想的等效声速剖面对海底地形数据进行改正，其边缘波束便归于平整，实现地形间的无缝拼接，如果声速节点调节的不正确，则其边缘波束仍然会出现上翘(或下弯)的现象，则继续通过人工手动调节声速节点，使得边缘波束归于平整。使边缘波束归于平整时的声速剖面即为最终想要得到的等效声速剖面。

步骤6，根据步骤4中得到的分层结果及初始入射角和表层声速仪测得的表层声速，做等效梯度声线跟踪，确定波束脚印相对船体坐标系的坐标，假设自适应分层的结果共为n层，则定义第i层(i＝1，2，…，n)的上层面深度值为z_i-1，下层面深度值为z_i，对应深度z_i有掠射角α_i和声速值c_i。等梯度近似情况下，设第i层内声速梯度为g_i，则任意深度处的声速c(z)便可以计算出来，声线在同一层内为曲率恒定的圆弧，圆弧的曲率半径对应为R_i，任意层内的水平位移x_i可利用几何关系计算，累加即可得目标与基阵之间的水平距离x：

优选地，所述的步骤1中，海水的声速可以通过声速剖面仪直接测量法和经验公式间接测量法两种方法求得。具体方式如下：

a.其中，利用声速剖面仪获取声速剖面时为直接获取，在靠近声速仪探头顶端装有高频“环鸣”传感器和相关的反射器，这一对精确安置的配件依照它们已知的间距，发射和接收信号，从而量测水中的声速；

b.利用CTD测量时是通过仪器各传感器获取海水的温度、盐度和深度，然后根据一定参数的声速经验公式计算出的各深度下的声速值。

优选地，所述的步骤4中，实际过程通过编程实现，具体实施步骤为：

a.比较各声速点到两端点(或两特征节点)连线的距离，将距离的最大值赋给D_max；

b.根据实际情况和想要分的层数确定阈值δ的大小；

c.比较D_max与阈值δ的大小；

d.根据比较结果进行取舍，保留的特征点与两端点(或两特征节点)连线，重复以上步骤，直至没有满足条件的特征点出现。

优选地，所述的步骤5中，具体实施步骤为：

a.根据实际情况调节声速节点；

b.然后将调整过的声速剖面载入多波束数据后处理软件中，对选取测区内仍未做声速改正的测深数据做声速改正；

c.通过观察做完声速改正之后的地形侧投影情况，调节声速节点，以不出现“哭脸”、“笑脸”地形为标准，使两ping间的地形完美平整的拼接在一起。

优选地，所述的步骤6中，实际过程通过编程实现，具体实施步骤为：

a.根据保留的相邻两节点的声速值c_i-1、c_i，计算层内梯度g_i；

b.计算曲率半径R；

c.根据c_i处入射角和曲率半径R确定层内圆弧圆心，以确定的圆心和半径画园弧，即得到第i层内等梯度声线跟踪结果。

优选地，所述的步骤1中，利用声速剖面仪根据脉冲循环法直接获取声速剖面的方法基于公式

其中，C为测得的声速值，d为声速剖面仪发射、接收换能器之间的精确距离，t为测量脉冲信号传播的时间。脉冲循环法是目前应用最广的声速测量方法，此类声速仪的精度一般可以达到每秒亚米级。

利用CTD间接测量时，直接测得海水的温度、盐度和压力随深度的变化，进而通过经验公式来计算声速。根据不同实际情况选择不同参数的经验公式。

优选地，所述的步骤6中，层内梯度g_i的计算公式为

其中，c_i-1、c_i分别为第i层上层面声速值和下层面声速值；

任意深度处的声速c(z)的计算公式为

c(z)＝c_i-1+g_i(z-z_i-1)

其中，c_i-1、z_i-1分别为上层面声速值和深度值，z为需要计算声速处的深度，由此式可以计算出上下层实测声速点间任意深度出的声速值；

同一分层内圆弧的半径R_i的计算公式为

其中，c₀、α₀分别为声速剖面的初始声速和声线初始入射角。

本发明所带来的有益技术效果：

一种自适应多节点等效声速剖面的构建方法能够实现在满足测深精度要求下自适应的对声速剖面进行非等间距最少层数的分层，然后利用等梯度声线跟踪的方法初步构建等效声速剖面，最后再通过人工手动调节声速节点，调整声速剖面，使其更接近实际声速剖面；实现了一定规律下的非等间距分层，达到了高效、高精度声速改正的目的。

附图说明

图1是声速以等梯度变化情况下的声线跟踪中第i层声线轨迹示意图。

图2是本发明中自适应分层的原理示意图。

图3是Harmonic平均声速原理图。

图4是声速以等梯度变化情况下的声线跟踪原理图。

图5是等效声速断面图。

图6是本发明中拖动声速节点的示意图。

图7是本发明中声速节点拖动过程中海底地形拼接情况变化示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

首先介绍一下本发明所需要的理论基础：

1.Douglas-Peucker算法

Douglas-Peucker算法是数据抽稀、分层的主要算法之一，是一种通过保留特征点舍弃非特征点来达到数据抽稀目的的算法，其基本思想如下：

首先将需要抽稀或分层曲线的首尾端点连成一条直线，然后计算其余各点到该直线的垂直距离D_i，其计算公式如下：

若其余各点到直线距离的最大值{D_i}_max均小于给定的阈值δ，则将其中间点全部舍去，只保留两端点；若{D_i}_max大于给定的阈值δ，则保留两端点和到直线距离最大的点，并以此到直线距离最大的点为分界点将原曲线分为两部分，然后对每段曲线分别重复上述过程，直到没有多余的点被舍去为止。

2.基于层内常梯度下的声线跟踪原理

根据射线声学理论，声波传播过程能够用声线形象的表征。声线跟踪是建立在声速剖面基础上的一种波束脚印(投射点)相对船体坐标系坐标的计算方法。声线跟踪一般采用层追加的方法，即将声速剖面内相邻两个声速采样点划分为一个层，层内声速变化可设为常值(零梯度)或常梯度。基于常声速的计算思想和过程比较简单，基于常梯度的计算相对复杂。在基于常梯度的声线跟踪计算过程中，声速变化函数采用Harmonic平均声速，其定义为

基于常梯度下的声线跟踪，声速在各层中以不变的梯度g_i变化。假设层i上、下界面处的深度分别为z_i、z_i+1，此层层厚为Δz_i；波束在层内的实际传播轨迹为一连续的、带有一定曲率半径R_i的弧段。其中R_i为

声线在层i内的水平位移y_i为

cosθ_i＝(1-(pC_i)²) Δz_i＝z_i+1-z_i

波束在该层中形成的弧线长度为S_i＝R_i(θ_i-θ_i+1)，则经历该弧线的水平位移和所用时间分别为

3.等效声速剖面原理

1999年，GENG、ZIELINSKI两位学者曾提出等效剖面法的理论用于解决多波束声纳中声线弯曲问题，他们认为声线跟踪时，总可以寻找到一个简单的声速剖面替代实际声速剖面，且证明了使用不同声速剖面得到的深度和水平位移只与各声速剖面与坐标轴围成的面积以及初始掠射角有关，与声速剖面的具体分布形式无关。声速剖面直接决定着声线的实际轨迹，是声线改正的基础。根据GENG、ZIELINSKI(1999)的理论，进行声线折射改正时，不同的声速剖面所对应的水深，只跟各声速剖面与坐标轴围成的面积差ΔS有关，若面积差为零，则对应的水深值相等。

设常梯度声速剖面C₀-C_B与实际声速剖面的面积差为0，以零梯度声速剖面C₀-C_A作为参考声速剖面，根据上述结论，采用误差修正思想，只要得到常梯度声速剖面C₀-C_B的梯度，便可将波束在整个水柱的传播情况视为常梯度变化，采用类似于常梯度声线跟踪的方法获得深度。

设ε_z为实际声速断面与零梯度声速断面间的面积差，入射角为θ₀的波束的参考深度z_B0已知，零梯度声速断面确定的深度为z′_B0，则深度的相对误差ε_z可定义为

ε_z＝(z′_B0-z_B0)/z_B0

根据梯度的定义，可以得到常梯度声速剖面的梯度g_eq以及对应的声线弧段曲率半径R_eq

若波束往返程时间为t，根据常梯度声线跟踪原理，深度z_B为

由上式可以看出，深度计算仅利用了表层声速C₀和参考深度z_B0，实际声速剖面仅用于面积差计算。

由于常梯度声速剖面与实际声速剖面具有相同的积分面积，利用常梯度声速剖面计算的结果同实际声速剖面相同，因此，常梯度声速剖面被称为等效声速剖面，利用等效声速剖面确定波束脚印位置的方法简称为等效声速剖面法。

4.Snell法则

波束在海水中的折射特性，可通过Snell法则很好的反映。

Snell法则为：

式中θ_i和θ_i+1是声速为C_i和C_i+1相邻介质层界面处波束的入射角和折射角，p为Snell常数。

入射角θ≠0时，波束在界面处发生折射，若经历的水柱中有N+1个不同介质层，则产生N次折射，波束的实际传播路径为一个连续折线，即声线。Snell法则不但解释了波束在水中的传播特性，还给出了求解声线路径的算法。

声速以等梯度变化情况下的声线跟踪中第i层声线轨迹示意图如图1所示，其中横轴为x轴，表示目标与基阵之间的水平距离，x_i为第i层内的水平位移，竖轴位z轴，表示目标与基阵之间的垂直深度，z_i-1为上层面深度值，z_i为下层面深度值，对应深度z_i-1有掠射角α_i-1，同样，对应深度z_i有掠射角α_i，R_i为对应层内曲率半径。

利用Douglas-Peucker算法对原始声速剖面进行分层，提取声速特征点，自适应分层原理示意图如图2所示，其中竖轴为深度值，横轴为对应的声速值，P₁和P_N分别为声速剖面的首尾端点，P_i为距离P₁P_N连线最远的声速点，距离为D_i，当D_i大于阈值δ时，则保留P_i点，并以此点为界限将原曲线分为两部分，然后分别连接P₁P_i，P_iP_N，重复上述过程。

利用层厚度(z_i+1-z_i)和声速函数Cⁱ(Z)获得整个水柱中的Harmonic平均声速，Harmonic平均声速原理图如图3所示。

声速以等梯度变化情况下的声线跟踪原理图如图4所示，声速在各层中以常梯度g_i变化，层i上、下界面处的深度分别为z_i和z_i+1，层厚为Δz_i，波束在层内的实际传播轨迹为一连续的、带有一定曲率半径R_i的弧段。

等效声速断面图如图5所示，常梯度声速剖面C₀-C_B与实际声速剖面的面积差为0，零梯度声速剖面C₀-C_A作为参考声速剖面，只要得到常梯度声速剖面C₀-C_B的梯度，便可将波束在整个水柱的传播情况视为常梯度变化，采用类似于常梯度声线跟踪的方法获得深度。

拖动声速节点示意图如图6所示，通过手动调节声速节点更接近实际声速剖面。

拖动声速节点过程中海底地形拼接情况变化示意图如图7(a)-如图7(f)所示，通过调节声速节点，海底地形随之变化，最终得到正确的波束脚印位置，两ping海底地形实现完美拼接，同时得到符合精度的海底地形。

实际构建方法流程如下：

a.在测区范围内利用声速剖面仪实测声速剖面，根据水深环境设置声速剖面仪采样间隔(比如浅水环境下设置成0.1m)，在测区内海流较平缓的位置投放声速剖面仪，声速剖面仪投放的过程中尽可能保持匀速下放，在快要到达海底的时候将声速剖面仪拉回，不要使触及海底。

b.将实际测量的声速剖面数据导出，进行简单的粗差剔除处理。

c.根据实测声速剖面的实际情况，确定自适应分层的阈值δ，利用Douglas-Peucker自适应分层算法程序将简单处理后的声速剖面进行自适应分层，得到自适应分层结果。

d.利用程序实现相邻声速特征点的连线，然后设置节点为可左右拖动的节点。

e.根据面积差为零的原理及实际情况，拖动声速节点，然后将得到的声速剖面载入多波束数据后处理软件中对测区内的测深数据进行声速改正，观察声速改正后的海底地形侧投影，若地形有上翘或下弯的情况出现，则重新调节声速节点，重新成图，直至实现海底地形不出现上翘或下弯的情况为止，此时调节后的声速剖面即为最终想要得到的等效声速剖面。

Claims (4)

1.一种自适应多节点声速剖面的构建方法，采用包括声速剖面仪或CTD在内的声速剖面测量设备、多波束以及安装在多波束上的表层声速仪，其特征在于，按照如下步骤进行：

步骤1：通过声速剖面测量设备获取测区范围内的声速剖面数据；

步骤2：对步骤1中的声速剖面数据进行平滑处理；

步骤3：根据Douglas-Peucker算法原理，在声速剖面上选取两个声速节点，并将这两个声速节点连接成一条直线，然后按照公式(1)，计算出声速剖面上其余各点到上述直线的距离D_i

$D_i=\frac{|\left(z\right(N)-z\left(i\right))\left(c\right(N)-c\left(i\right))-\left(z\right(1)-z\left(i\right))\left(c\right(1)-c\left(i\right)\left)\right|}{\sqrt{{\left(z\right(N)-z(1\left)\right)}^2+{\left(c\right(N)-c(1\left)\right)}^2}}---\left(1\right);$

其中，c(1)、z(1)分别为声速剖面上的第一个点对应的声速值和深度值，c(N)、z(N)分别为声速剖面上的最后一个点对应的声速值和深度值；

步骤4：根据Douglas-Peucker算法抽稀出声速特征点，具体包括如下步骤：

步骤4.1：根据公式(1)计算出距离D_i中的最大值{D_i}_max；

步骤4.2：确定阈值δ的大小；

步骤4.3：比较{D_i}_max与阈值δ的大小；

若：比较结果为{D_i}_max<δ，则只保留声速剖面的两个端点；

或比较结果为{D_i}_max≥δ，则保留声速剖面的两个端点以及{D_i}_max对应的声速节点，并以{D_i}_max对应的声速节点为分界点，将整个声速剖面分成两部分；

步骤4.4：对步骤4.3中分开的每个部分分别重复步骤3、步骤4，直到没有声速节点再被舍弃为止；

步骤5：将步骤4中经过Douglas-Peucker算法抽稀出的声速特征点连接起来，并设置成可拖动的声速节点，根据面积差为零的原理，左右拖动声速节点，构建等效声速剖面，即使构建的等效声速剖面与坐标轴围成的面积与原声速剖面与坐标轴围成的面积之差接近于零；

步骤6：根据步骤4中得到的分层结果及初始入射角和表层声速仪测得的表层声速，做等梯度声线跟踪。

2.根据权利要求1所述的自适应多节点等效声速剖面的构建方法，其特征在于，在步骤1中，若利用声速剖面仪获取测区范围内的声速剖面数据，则对声速剖面仪进行设置后即可以直接测出声速剖面数据；

或利用CTD获取测区范围内的声速剖面数据，则通过CTD中的传感器获取海水的温度、盐度和深度，根据声速经验公式计算出各深度下的声速剖面数据。

3.根据权利要求1所述的自适应多节点等效声速剖面的构建方法，在步骤5中，具体包括如下步骤：

步骤5.1：根据实际情况调节声速节点；

步骤5.2：将调整过的声速剖面应用于多波束采集的水深数据的处理中，对选取测区内仍未做声速改正的测深数据做声速改正；

步骤5.3：观察做完声速改正之后的地形侧投影情况，若地形有上翘或下弯的情况出现，则重新调节声速节点，重新成图，直至海底地形不出现上翘或下弯为止，使两次连续测量，即两ping间的地形实现无缝拼接；

步骤5.4：调节后的声速剖面即为最终想得到的等效声速剖面。

4.根据权利要求1所述的自适应多节点等效声速剖面的构建方法，其特征在于，在步骤6中，具体包括如下步骤：

步骤6.1：根据公式(2)计算层内梯度g_i；

$g_i=\frac{c_i-c_{i-1}}{z_i-z_{i-1}}---\left(2\right);$

其中，c_i-1、c_i分别为第i层上层面声速值和下层面声速值；z_i-1、z_i分别为第i层上层面深度值和下层面深度值；

步骤6.2：根据公式(3)计算圆弧的曲率半径R_i；

$R_i=\left|\frac{c_0}{{\mathrm{cos\&alpha;}}_0{g}_i}\right|---\left(3\right);$

其中，c₀、α₀分别为声速剖面的初始声速和声线初始入射角；

步骤6.3：根据c_i处入射角和曲率半径R_i确定层内圆弧圆心，以确定的圆心和曲率半径R_i在第i层画圆弧，即得到第i层内等梯度声线跟踪结果，即目标与基阵之间的水平距离x，表达式如(4)所示：

$x={\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^n\left|\frac{c_0}{{\mathrm{cos\&alpha;}}_0{g}_i}({\mathrm{sin\&alpha;}}_i-{\mathrm{sin\&alpha;}}_{i-1})\right|---\left(4\right);$

其中，c₀为声速剖面的初始声速、α₀为声线初始入射角、g_i为第i层内梯度、α_i和α_i-1均为掠射角。