CN113591011A - 一种快速的多波束声速改正方法及实时处理终端 - Google Patents

一种快速的多波束声速改正方法及实时处理终端 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种快速的多波束声速改正方法及实时处理终端，属于多波束数据处理方法技术领域。本发明将层内常梯度声线改正的时间计算式拆分成两部分：与波束掠射角有关的固定项和无关的变化项，固定项仅与声速剖面有关，无论输入多少ping波束数据，每个声速剖面只需要计算一次作为固定参数，其它波束可以直接调用；并对时间的变化项采用麦克劳林展开得到其一阶近似项，原公式需要对数计算，而近似公式不需要，计算速度快且不丢失精度。本发明实现了精确快速的多波束声速改正，尤其对深水多波束测量，在声速剖面层数较多时，以不丢失计算精度为前提，大大提高了测深数据声速改正的运行速度，节省了数据处理时间。

Description

一种快速的多波束声速改正方法及实时处理终端
技术领域
本发明涉及多波束数据处理方法技术领域，具体涉及一种快速的多波束声速改正方法及实时处理终端。
背景技术
利用温盐深仪(Conductivity Temperature Depth,CTD)或声速剖面仪(SoundVelocity Profile,SVP)获取的声速剖面数据采用水层追加法计算多波束波束点坐标的过程叫做声速改正，声速改正是多波束数据处理的初始关键环节，错误的处理会导致产生较大的水深误差和位置误差，进而影响后续的水深资料和图像资料的解释和应用。目前关于声速改正的方法，主要有三角法、层内常声速法、层内常梯度法以及等效声速剖面法，其中三角法仅使用表层声速，计算误差大，不适合精密多波束水深测量；层内常声速法、层内常梯度法和等效声速剖面法均使用整个声速剖面数据，需要逐层计算各层的传播时间和水平位移，其中层内常梯度法计算公式最为严密，精度最高，是目前多波束数据采集和处理软件普遍采用的方法。
层内常梯度声速改正具体实现时需要根据波束实际总传播时间、波束初始入射角和输入声速剖面逐层计算层内传播时间和水平位移后累加得到波束的总水平位移和深度，声速剖面的层数越多，计算结果越精确，但是计算耗时也越大，最终会影响到多波束采集软件的数据刷新率(Ping率)。因此多波束实时采集软件会限制输入声速剖面的层数，例如Qinsy采集软件的实时声速改正模块将声速剖面层数限定在2000层，SIS采集软件限定为1000层，上述限制对中浅水多波束测量基本无影响，但是对于水深超过2000米的深水多波束测量，温盐深仪或声速剖面仪获取的声速剖面垂直分辨率可达1m(绞车下放速度一般为1m/s)，例如5000m水深的声速剖面层数就有5000层，远远超过多波束数据采集软件的输入上限，因此，需要在不降低声速剖面垂直分辨率和计算精度的前提下，提高声速改正的计算速度，以满足多波束数据处理终端的实时刷新率。
发明内容
本发明的技术任务是针对现有技术的不足，提供一种快速的多波束声速改正方法及实时处理终端，旨在解决现有声速改正方法在声速剖面层数较多时声速改正计算速度慢的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
1、本发明提供一种快速的多波束声速改正方法，包括如下步骤：
S1、获取声速剖面数据，采用常梯度声线跟踪方法计算波束垂直入射时在声速剖面各层内的传播时间；
S2、根据多波束换能器瞬时姿态、安装偏差参数和静吃水确定换能器的瞬时吃水，将瞬时吃水作为声线改正的起始层深度，并计算该起始层波束垂直入射时的传播时间；
S3、将常梯度声线跟踪时间计算式分解为波束垂直传播的固定项分量和与波束角有关的变化项分量，并对变化项采用麦克劳林展开得到其一阶近似式，利用近似式计算传播时间的变化项分量；
S4、综合近似式计算的时间变化项分量和步骤S1、S2中根据声速剖面计算的波束垂直传播的固定分量得到波束的总传播时间；
S5、采用水层追加法，根据步骤S2～S4对所有波束进行声速改正。
进一步，所述步骤S2中，声线改正的起始层深度Zsensor的计算需要知道多波束换能器和姿态传感器的安装偏差，具体计算公式如下：
Zsensor＝Z-Ds+Dd+H (公式1)
H＝Hatt+Hind (公式2)
Hind＝-Mysin(pitch)+Mxsin(roll)cos(pitch)+Mz(1-cos(roll)cos(pitch))(公式3)
其中Mx、My、Mz为换能器相位中心相对于姿态传感器的偏移量，需要注意的是对于发射换能器和接收换能器相位中心不重合的多波束需要分别量取其到MRU的偏移量然后取平均值，Ds为静吃水，Dd为动吃水，升沉H包括姿态传感器记录的heave值Hatt和横摇、纵摇引起的heave值Hind。
进一步，所述步骤S3中，将波束在层内的传播时间分解为与波束掠射角无关的固定项和有关的变化项，具体计算公式如下：
Figure BDA0003082435130000031
Figure BDA0003082435130000032
Figure BDA0003082435130000033
其中gi为层i的声速梯度，p为Snell常数，ci为层i的上层声速，ci+1为层i的下层声速。
固定项
Figure BDA0003082435130000034
仅与声速剖面有关，对于每个声速剖面仅需要计算一次，对变化项
Figure BDA0003082435130000035
进行变换，
将
Figure BDA0003082435130000036
代入公式6得：
Figure BDA0003082435130000037
当声速剖面层间距足够小时，声线穿越上下层的掠射角几乎保持不变，其正弦差值趋近于0，应用泰勒级数对
Figure BDA0003082435130000038
麦克劳林展开得到其一级近似：
Figure BDA0003082435130000039
因此：
Figure BDA00030824351300000310
根据公式4、公式5、公式8计算声线传播的时间总和，
在采用水层追加法，对于声线在最后一层内的传播距离不足以穿越完整个水层时，可以根据剩余传播时间Δt反算出声线在最后一层的掠射角αi+1，
Figure BDA00030824351300000311
再根据Snell定律可以求出声线在最后一层射出时的声速：
ci+1＝cosαi+1*ci/cosαi (公式10)
再根据梯度就可以得到该层水深：
Δz＝(ci+1-ci)/gi (公式11)
水平位移则直接根据公式(12)计算：
Figure BDA0003082435130000041
其中α为波束掠射角。
2、本发明另提供一种实时处理终端，其包括：
存储器，用于存储程序指令；
处理器，用于运行所述程序指令，以执行所述的一种快速的多波束声线改正方法的步骤。
本发明的一种快速的多波束声速改正方法及实时处理终端与现有技术相比，所产生的有益效果是，
本发明将层内常梯度声线改正的时间计算式拆分成两部分：与波束掠射角有关的固定项和无关的变化项，固定项仅与声速剖面有关，无论输入多少ping波束数据，每个声速剖面只需要计算一次作为固定参数，其它波束可以直接调用；并对时间的变化项采用麦克劳林展开得到其一阶近似项，原公式需要对数计算，近似公式不需要，计算速度快且不丢失精度。本发明克服了商用多波束数据采集软件声速剖面输入层数的限制，有效地提高了多波束声速改正的计算速度，能够很好地应用在海洋声学测量设备中和海洋地形地貌资料处理软件中，以提高声速改正和多波束数据处理的速度。
附图说明
图1为层内常梯度声线跟踪示意图；
图2所述发明的流程示意图；
图3为不同波束入射角下变化项的麦克劳林近似式与原始式的计算误差比；
图4为采用本发明的声线改正方法与常规声线改正方法在5000米水深时的精度对比；
图5为采用本发明的声线改正方法与常规声线改正方法的耗时对比；
图6为处理终端示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种快速的多波束声速改正方法及实时处理终端作以下详细地说明。
如图1～图6所示，本发明的一种快速的多波束声速改正方法，包括如下步骤：
S1、获取声速剖面数据，采用常梯度声线跟踪方法计算波束垂直入射时在声速剖面各层内的传播时间，具体计算公式为：
S11：
Figure BDA0003082435130000051
S2、根据多波束换能器瞬时姿态、安装偏差参数和静吃水确定换能器的瞬时吃水，将瞬时吃水作为声线改正的起始层深度，并计算该起始层波束垂直入射时的传播时间；
S21：起始层深度Zsensor的计算需要知道多波束换能器和姿态传感器的安装偏差，具体计算公式如下：
Zsensor＝Z-Ds+Dd+H (公式2)
H＝Hatt+Hind (公式3)
Hind＝-Mysin(pitch)+Mxsin(roll)cos(pitch)+Mz(1-cos(roll)cos(pitch))(公式4)
S22：得到起始层深度Zsensor后，根据声速剖面内插出该深度对应的声速或直接采用换能器表面声速，然后利用公式1计算该起始层波束垂直入射时的传播时间；
S3、将常梯度声线跟踪时间计算式分解为波束垂直传播的固定项分量和与波束角有关的变化项分量，并对变化项采用麦克劳林展开得到其一阶近似式，利用近似式计算传播时间的变化项分量；
S31：变化项分量的计算需要获取该层的波束掠射角和梯度，具体计算如下：
Figure BDA0003082435130000061
S4、综合近似式计算的时间变化项分量和步骤S1、S2中根据声速剖面计算的波束垂直传播的固定分量得到波束的总传播时间；
S5、采用水层追加法，根据步骤S2～S4对所有波束进行声速改正。
最终完成所有波束点的声速改正。
如图6所示，本发明还涉及到一种处理终端T00，其包括：
存储器T01，用于存储程序指令；
处理器T02，用于运行所述程序指令，以执行所述的一种快速的多波束声线改正方法的步骤。
本发明可广泛用于海洋声学探测系统的声速改正处理，例如多波束测深系统、超短基线水下定位系统、单波束测深系统等，通过近乎实时的处理速度能够满足任意场景下的实时声速改正。
本说明书所公开的实施例只是对本发明单方面特征的一个例证，本发明的保护范围不限于此实施例，其他任何功能等效的实施例均落入本发明的保护范围内。对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都因该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种快速的多波束声速改正方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、获取声速剖面数据，采用常梯度声线跟踪方法计算波束垂直入射时在声速剖面各层内的传播时间；
S2、根据多波束换能器瞬时姿态和静吃水确定换能器的瞬时吃水，将瞬时吃水作为声线改正的起始层深度，并计算该起始层波束垂直入射时的传播时间；
S3、将常梯度声线跟踪时间计算式分解为波束垂直传播的固定项分量和与波束角有关的变化项分量，并对变化项采用麦克劳林展开得到其一阶近似式，利用近似式计算变化项分量；
S4、综合近似式计算的时间变化项分量和步骤S1、S2中根据声速剖面计算的波束垂直传播的固定分量得到波束的总传播时间；
S5、采用水层追加法，根据步骤S2～S4对所有波束进行声速改正。
2.根据权利要求1所述的一种快速的多波束声速改正方法，其特征在于，所述步骤S1中，将声波在声速剖面各层内的垂直传播时间作为声速剖面的固定参数，具体计算方式如下：
Figure FDA0003082435120000011
其中
Figure FDA0003082435120000012
为固定项，gi为层i的声速梯度，ci为层i的上层声速，ci+1为层i的下层声速。
3.根据权利要求1所述的一种快速的多波束声速改正方法，其特征在于，所述步骤S2中，
换能器瞬时吃水包括升沉H，升沉H包括姿态传感器记录的heave值Hatt和横摇、纵摇引起的heave值Hind，其计算方式如下：
Zsensor＝Z-Ds+Dd+H (公式2)
H＝Hatt+Hind (公式3)
Hind＝-Mysin(pitch)+Mxsin(roll)cos(pitch)+Mz(1-cos(roll)cos(pitch)) (公式4)
其中Mx、My、Mz为换能器相位中心相对于姿态传感器的偏移量，对于发射换能器和接收换能器相位中心不重合的多波束需要分别量取其到MRU的偏移量然后取平均值，Ds为静吃水，Dd为动吃水。
4.根据权利要求1所述的一种快速的多波束声速改正方法，其特征在于，所述步骤S3中，波束垂直传播的固定项分量直接调用步骤S1和S2中已经计算的固定参数，无须重复计算。
5.根据权利要求1所述的一种快速的多波束声速改正方法，其特征在于，所述步骤S3中，对传播时间的变化项变形后进行麦克劳林展开得到其一阶近似式：
Figure FDA0003082435120000021
其中α为波束掠射角，gi为层i的声速梯度。
6.一种实时处理终端，其特征在于，其包括：
存储器，用于存储程序指令；
处理器，用于运行所述程序指令，以执行权利要求1-5任一项所述的一种快速的多波束声速改正方法的步骤。
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