CN112540371A - 一种近底多波束坐标转换处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近底多波束坐标转换处理方法，属于海底地形观测技术领域，包括如下步骤：S1、采用同心双曲线相交的多波束测深归位算法，构建虚拟换能器坐标系，记录多波束收发换能器瞬时状态向量，迁移两向量重合发射波束与接收波束；S2、将发射波束和接收波束能量以两个顶点相同的规则圆锥面表示，波束脚印为两圆锥面在海底投影形成的两个相交双曲线的交点。本发明实现了精确快速的近底多波束数据获取、误差修正以及坐标转换，采用同心双曲线相交多波束测深归位算法，并采取结合波束发射时刻与接收波束时刻进行各种误差的修正，数据处理流程更加符合实际，并且数据处理流程更加高效，提高了近底多波束测深数据结果的可靠性。

Description

一种近底多波束坐标转换处理方法

技术领域

本发明涉及海底地形观测技术领域，更具体地说，涉及一种近底多波束坐标转换处理方法。

背景技术

近底多波束测深系统是海洋探测中极为重要的探测手段之一，它能一次给出与航线相垂直的平面内数百乃至上千测点的水深值。

由于海洋环境以及测量环境的复杂性，多波束测深系统所采集的测深数据含有各种误差，这些误差主要来于测量船的不稳定性，各种坐标系统进行转换时各种参数的非实时性，声线跟踪时模型的误差等，单一地对上述误差进行修正效率低且精度不高，无法满足大批量多波束测深数据的编辑要求，因此，有必要研究一种高效、系统的一种近底多波束坐标转换处理方法。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种近底多波束坐标转换处理方法。

2.技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：

一种近底多波束坐标转换处理方法，包括如下步骤：

S1、采用同心双曲线相交的多波束测深归位算法，构建虚拟换能器坐标系，记录多波束收发换能器瞬时状态向量，迁移两向量重合发射波束与接收波束；

S2、将发射波束和接收波束能量以两个顶点相同的规则圆锥面表示，波束脚印为两圆锥面在海底投影形成的两个相交双曲线的交点，求解相交双曲线方程获得波束脚印坐标；

S3、综合波束导向角、换能器安装偏差角和瞬时姿态角等信息，计算出波束精确三维入射向量，进行声线跟踪，将波束脚印表达在局部坐标系下；

S4、通过GNSS偏心改正、动态延迟改正及坐标归算过程，得出波束脚印在当地水平坐标系下的绝对位置，通过旋转、平移等将当地水平坐标系下波束脚印坐标转换到地理坐标系下以及某一深度基准面下水深。

作为本发明的一种优选方案，其具体步骤为：使用换能器安装偏差角和瞬时姿态角计算收发换能器状态向量共涉及12个角度，所述12个角度分别为3个发射换能器安装偏差角、3个接收换能器安装偏差角、3个波束发射时刻的瞬时姿态角以及3个波束接收时刻的瞬时姿态角；以计算发射时刻的发射换能器状态向量设定一个理想的单位向量，该向量完美沿测船X轴指向，分别使用发射换能器安装偏差角以及发射时刻的姿态角旋转理想矢量，其计算方式如下：

依据式公式1和公式2对两状态向量进行向量积计算，完成虚拟换能器坐标系构建：

作为本发明的一种优选方案，在步骤S2中，其具体步骤为：以双曲线参数方程形式分别对发射和接收双曲线进行定义：

x_t＝a_t*cosht₁，y_t＝b_t·sinht₁ (公式4)

x_r＝a_r*cosht₂，y_r＝b_r*sinht₂ (公式5)

其中，a_t和b_t为发射双曲线参数，a_r和b_r为接收双曲线参数，t₁和t₂为未知量，其物理意义为用于描述发射向量和接收向量在各自圆锥面上的方位，a_t和b_t、a_r和b_r值有如下定义：

a_t＝R·tanT_steer，b_t＝R (公式6)

a_r＝R·tanR_steer，b_r＝R (公式7)

在公式6和公式7中，R为单位波束长度，同时接收双曲线进行角度为δ进行二维旋转，其中δ表示为：

对接收双曲线进行大小为δ进行二维旋转，并联立发射双曲线参数方程，得到最终的发射与接收双曲线方程组：

作为本发明的一种优选方案，在步骤S3中，其具体步骤为：根据步骤S2中求出的波束向量，利用已知的声速剖面数据、波束旅行，然后根据Snell定律计算出声线在每层的垂直位移和水平位移，继而叠加每层波束位移，得到波束脚印在局部坐标系下坐标，采用基于层内常梯度的声线跟踪算法，计算得出在层内的水平位移y_i和时间t_i：

公式10中R_i为该弧段的曲率半径，θ_i为该层的入射角度，p为Snell法则中的Snell常数，在该式中等于p＝sinθ_iC_i，ΔZ_i为相邻两层之间的深度差，g_i在公式10中为

根据公式10计算声线传播的时间总和，由迭代法得到波束在最后一层内的水深与水平位移，再与前面各层的计算值相加，完成声线跟踪过程。

作为本发明的一种优选方案，在步骤S4中，其具体步骤为：对GNSS偏心改正是将换能器坐标系原点与当地水平坐标系原点之间的偏移旋转改正，最后将当地水平坐标系下波束脚印坐标通过偏移旋转换至大地坐标系下。

作为本发明的一种优选方案，在步骤S4中，还包括如下步骤：对波束脚印的垂直方向位置进行转换，经声线跟踪后得到的坐标(X₁，Y₁，Z₁)，其中，纵坐标z₁为换能器中心至水底点之间的水深值，综合换能器静态吃水、瞬时测量起伏和感生起伏，得到同时刻的水深值：

h＝Z₁+D_draft+δ_h (公式12)

最终将测深点水深换算至某一高程基准下，通过获取测区内潮位数据进行水位改正完成。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

本发明实现了精确快速的近底多波束数据获取、误差修正以及坐标转换，采用同心双曲线相交多波束测深归位算法，并采取结合波束发射时刻与接收波束时刻进行各种误差的修正，数据处理流程更加符合实际，并且数据处理流程更加高效，提高了近底多波束测深数据结果的可靠性。

附图说明

图1为本发明一种近底多波束坐标转换处理方法的流程图；

图2为本发明一种近底多波束坐标转换处理方法中多波束测深原理图；

图3为本发明一种近底多波束坐标转换处理方法中同心双曲线相交多波束测深归位算法第一示意图；

图4为本发明一种近底多波束坐标转换处理方法中同心双曲线相交多波束测深归位算法第二示意图；

图5为本发明一种近底多波束坐标转换处理方法中同心双曲线相交计算原理图；

图6为本发明一种近底多波束坐标转换处理方法中声线跟踪原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

请参阅图1-6，一种近底多波束坐标转换处理方法，包括如下步骤：

S1、采用同心双曲线相交的多波束测深归位算法，构建虚拟换能器坐标系，记录多波束收发换能器瞬时状态向量，迁移两向量重合发射波束与接收波束：使用换能器安装偏差角和瞬时姿态角计算收发换能器状态向量共涉及12个角度，分别为3个发射换能器安装偏差角、3个接收换能器安装偏差角、3个波束发射时刻的瞬时姿态角以及3个波束接收时刻的瞬时姿态角；

请参阅图3和图4，以计算发射时刻的发射换能器状态向量设定一个理想的单位向量，该向量完美沿测船X轴指向，分别使用发射换能器安装偏差角以及发射时刻的姿态角旋转理想矢量，同理对于接收时刻的接收换能器状态向量进行如上操作，其计算方式如下：

依据式公式1和公式2对两状态向量进行向量积计算，完成虚拟换能器坐标系构建：

S2、将发射波束和接收波束能量以两个顶点相同的规则圆锥面表示，波束脚印为两圆锥面在海底投影形成的两个相交双曲线的交点，求解相交双曲线方程获得波束脚印坐标：请参阅图5，计算波束向量需要解算双曲线方程，为便于求解，以双曲线参数方程形式分别对发射和接收双曲线进行定义：

x_t＝a_t·cosht₁，y_t＝b_t·sinht₁ (公式4)

x_r＝a_r·cosht₂，y_r＝b_r·sinht₂ (公式5)

其中，a_t和b_t为发射双曲线参数，a_r和b_r为接收双曲线参数，t₁和t₂为未知量，其物理意义为用于描述发射向量和接收向量在各自圆锥面上的方位，a_t和b_t、a_r和b_r值有如下定义：

a_t＝R·tanT_steer，b_t＝R (公式6)

a_r＝R·tanR_steer，b_r＝R (公式7)

在公式6和公式7中，R为单位波束长度，由于波束发射与接收时刻存在姿态变化且算法采用VCCA算法中虚拟换能器坐标系的定义方式，因此需对接收双曲线进行角度为δ的二维旋转，其中δ可表示为：

对接收双曲线进行大小为δ的二维旋转，并联立发射双曲线参数方程，得到最终的发射与接收双曲线方程组如下：

在测量数据之前获取测量船中的各种仪器的安装误差，再对获取的原始测量数据与传感器数据进行解码，将二进制码的数据中提取参数信息，获得GPS接收机的实时定位位置信息、姿态数据。但在实际测量中，受测船姿态变化的影响，多波束换能器瞬时实测扇面通常同铅垂线方向或航向正交方向存在一定的夹角，会给测量值带来误差，其中姿态误差，包括横摇、纵摇、艏摇，对波束脚印计算影响较大的是纵摇及艏摇，可以认为横摇对该误差的影响很小；

S3、综合波束导向角、换能器安装偏差角和瞬时姿态角等信息，计算出波束精确三维入射向量，进行声线跟踪，将波束脚印表达在局部坐标系下：根据步骤S2中求出的波束向量和已知的声速剖面数据、波束旅行时，根据Snell定律计算出声线在每层的垂直位移和水平位移，后叠加每层波束位移得到波束脚印在局部坐标系下坐标，采用基于层内常梯度的声线跟踪算法，请参阅图6，可以计算得出在层内的水平位移y_i和时间t_i如下式所示：

公式10中R_i为该弧段的曲率半径，θ_i为该层的入射角度，p为Snell法则中的Snell常数，在该式中等于p＝sinθ_iC_i，ΔZ_i为相邻两层之间的深度差，g_i在该式中为

根据公式10计算声线传播的时间总和，由迭代法得到波束在最后一层内的水深与水平位移，再与前面各层的计算值相加，即可完成声线跟踪过程；

S4、通过GNSS偏心改正、动态延迟改正及坐标归算过程，得出波束脚印在当地水平坐标系下的绝对位置，通过旋转、平移等将当地水平坐标系下波束脚印坐标转换到地理坐标系下以及某一深度基准面下水深：对GNSS偏心改正是将换能器坐标系原点与当地水平坐标系原点之间的偏移旋转改正，动态延迟改正是将导航延迟误差消除，坐标归算是将声线跟踪求得局部坐标下的波束脚印坐标归算到当地坐标系下坐标，最后将当地水平坐标系下波束脚印坐标通过偏移旋转换至大地坐标系下，以上所有的坐标转换算法均可采用布尔莎七参数原理进行转换：

公式11为布尔莎七参数的标准转换形式；

除对波束脚印水平坐标进行坐标转换以外，波束脚印的垂直方向位置也需要进行一系列转换，经声线跟踪后得到的坐标(X₁，Y₁，Z₁)，纵坐标z₁即为换能器中心至水底点之间的水深值，综合换能器静态吃水、瞬时测量起伏和感生起伏，可得到同时刻的水深值：

h＝Z₁+D_draft+δ_h (公式12)

最终将测深点水深换算至某一高程基准下，此过程通过获取测区内潮位数据进行水位改正完成。

本发明实现了精确快速的近底多波束数据获取、误差修正以及坐标转换，采用同心双曲线相交多波束测深归位算法，并采取结合波束发射时刻与接收波束时刻进行各种误差的修正，数据处理流程更加符合实际，并且数据处理流程更加高效，提高了近底多波束测深数据结果的可靠性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种近底多波束坐标转换处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、采用同心双曲线相交的多波束测深归位算法，构建虚拟换能器坐标系，记录多波束收发换能器瞬时状态向量，迁移两向量重合发射波束与接收波束；

S2、将发射波束和接收波束能量以两个顶点相同的规则圆锥面表示，波束脚印为两圆锥面在海底投影形成的两个相交双曲线的交点，求解相交双曲线方程获得波束脚印坐标；

S3、综合波束导向角、换能器安装偏差角和瞬时姿态角等信息，计算出波束精确三维入射向量，进行声线跟踪，将波束脚印表达在局部坐标系下；

S4、通过GNSS偏心改正、动态延迟改正及坐标归算过程，得出波束脚印在当地水平坐标系下的绝对位置，通过旋转、平移等将当地水平坐标系下波束脚印坐标转换到地理坐标系下以及某一深度基准面下水深。

2.根据权利要求1所述的一种近底多波束坐标转换处理方法，其特征在于，在步骤S1中，其具体步骤为：使用换能器安装偏差角和瞬时姿态角计算收发换能器状态向量共涉及12个角度，所述12个角度分别为3个发射换能器安装偏差角、3个接收换能器安装偏差角、3个波束发射时刻的瞬时姿态角以及3个波束接收时刻的瞬时姿态角；以计算发射时刻的发射换能器状态向量设定一个理想的单位向量，该向量完美沿测船X轴指向，分别使用发射换能器安装偏差角以及发射时刻的姿态角旋转理想矢量，其计算方式如下：

依据式公式1和公式2对两状态向量进行向量积计算，完成虚拟换能器坐标系构建：

3.根据权利要求2所述的一种近底多波束坐标转换处理方法，其特征在于，在步骤S2中，其具体步骤为：以双曲线参数方程形式分别对发射和接收双曲线进行定义：

x_t＝a_t*cosht₁，y_t＝b_t·sinht₁ (公式4)

x_r＝a_r·cosht₂，y_r＝b_r·sinht₂ (公式5)

其中，a_t和b_t为发射双曲线参数，a_r和b_r为接收双曲线参数，t₁和t₂为未知量，其物理意义为用于描述发射向量和接收向量在各自圆锥面上的方位，a_t和b_t、a_r和b_r值有如下定义：

a_t＝R·tanT_steer，b_t＝R (公式6)

a_r＝R·tanR_steer，b_r＝R (公式7)

在公式6和公式7中，R为单位波束长度，同时接收双曲线进行角度为δ进行二维旋转，其中δ表示为：

对接收双曲线进行大小为δ进行二维旋转，并联立发射双曲线参数方程，得到最终的发射与接收双曲线方程组：

4.根据权利要求3所述的一种近底多波束坐标转换处理方法，其特征在于，在步骤S3中，其具体步骤为：根据步骤S2中求出的波束向量，利用已知的声速剖面数据、波束旅行，然后根据Snell定律计算出声线在每层的垂直位移和水平位移，继而叠加每层波束位移，得到波束脚印在局部坐标系下坐标，采用基于层内常梯度的声线跟踪算法，计算得出在层内的水平位移y_i和时间t_i：

公式10中R_i为该弧段的曲率半径，θ_i为该层的入射角度，p为Snell法则中的Snell常数，在该式中等于p＝sinθ_iC_i，ΔZ_i为相邻两层之间的深度差，g_i在公式10中为

根据公式10计算声线传播的时间总和，由迭代法得到波束在最后一层内的水深与水平位移，再与前面各层的计算值相加，完成声线跟踪过程。

5.根据权利要求4所述的一种近底多波束坐标转换处理方法，其特征在于，在步骤S4中，其具体步骤为：对GNSS偏心改正是将换能器坐标系原点与当地水平坐标系原点之间的偏移旋转改正，最后将当地水平坐标系下波束脚印坐标通过偏移旋转换至大地坐标系下。

6.根据权利要求5所述的一种近底多波束坐标转换处理方法，其特征在于，在步骤S4中，还包括如下步骤：对波束脚印的垂直方向位置进行转换，经声线跟踪后得到的坐标(X₁，Y₁，Z₁)，其中，纵坐标Z₁为换能器中心至水底点之间的水深值，综合换能器静态吃水、瞬时测量起伏和感生起伏，得到同时刻的水深值：

h＝Z₁+D_draft+δ_h (公式12)

最终将测深点水深换算至某一高程基准下，通过获取测区内潮位数据进行水位改正完成。

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