NO309589B1 - Fremgangsmåte for å bestemme vanndybden - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for å bestemme vanndybden med et viftelodd som angitt i inn-ledningen til krav 1.

Viftelodd anvendes på forsknings- og oppmålingsfartøy for kartlegging og undersøkelse av vannområder. Et viftelodd, som er anordnet under fartøyet, registrerer og måler samtidig en opptil 150° stor vinkelsektor. I denne vinkelsektoren stråles ut ultralydpulser og mottas i mange enkelte smale sektorer i tett buntete mottaksretninger med en vifteformet retningskarakteristikk. Da det overveiende antallet av mottakerretninger ikke er utrettet loddrett, men skrått nedover, mottas loddpulsene som er spredt hhv. reflektert fra et treffpunkt og som utbreder seg ikke-lineært, men på en krummet bane på grunn av lydbøyning. Årsaken til det krummede lydstrålingsforløpet er som følge av lydbøyningen frembrakt av forskjellige lydhastighetssjikt. Ut fra den umiddelbart ved omformeren målbare retningen til lydinnfallsvinkelen kan det ikke sluttes at dette er lineært på treffpunktet til lydstrålen på grunn av at krummingen avviker betydelig fra treffpunktet til lydinnfallsvinkelen. Ved ytterligere bestemmelse av lydhastigheten i de forskjellige vannsjiktene, f.eks. ved hjelp av en fra fartøyet nedsenket lydmålesonde, kan lydhastigheten måles i de forskjellige sjiktene og således kan en gjennomsnittlig lydhastighet bestemmes, som ville forefinnes ved en lineær utbredelse av loddpulsen fra treffpunktet i sjøbunnen til omformeren. En slik målemetode for den gjennomsnittlige lydhastigheten er svært komplisert ved på hverandre følgende målinger av bunnprofiler i et vannområde, da fartøyet må redusere hastigheten hhv. redusere den til stillstand, for anvendelse av lydhastighetsmåleson-den.

Foreliggende oppfinnelse har derfor til oppgave å forbedre bestemmelsen av vanndybden med viftelodd og øke nøyaktigheten ved vann-bunnprofilmål.

Denne oppgaven løses ved hjelp av en fremgangsmåte av den innledningsvis nevnte art hvis karakteristiske trekk fremgår av krav 1.

Ved fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse blir for hver loddvifte målt en rekke med lydgangtider og ut av disse beregnes dybdeverdiene, som er tilordnet hver viftestråle. Denne tilordningen kan også foretas med hensyn til avstanden fra fartøyets lodd til treffpunktet for de respektive viftestrålene. Vesentlig for den riktige bestemmelsen av dybdeverdien og avstanden er derved en riktig bestemmelse av gjennomsnittlig lydhastighet. Da det på ene siden kan antas at den gjennomsnittlige lydhastigheten ikke endrer seg, eller kun ubetydelig endrer seg fra mottaksretning til mottaksretning, og på den andre siden kan antas at sjøbunnen har stort sett et jevnt forløp, kan bunnprofilen tilnærmes av et utligningspolynom, som inneholder mottaksretningen som foranderlige varianter. Ved hjelp av lineær regresjon bestemmes så utligningsfunksjonen, som optimalt tilnærmes den bunnprofilen som er vunnet ved den målte dybdeverdien. Ved egnet valg av utligningspolynom fremkommer en korrekturverdi for den gjennomsnittlige lydhastigheten slik at den på denne måten kan forbedres uten ytterligere målinger. Ved den således korrigerte lydhastigheten kan det ut fra den målte gangtiden bestemmes dybdeverdier med betydelig større nøyaktighet.

En slik målemetode er hurtig og sikker og unngår enhver form for stopp i fartøyets bevegelse for en ytterligere sensor-måling. Det ville endog være mulig å foreta forbedring og korrektur av dybdemåleverdien ved slutten av et måleforløp, og dermed kunne dette også utføres senere i et laboratorium.

Ytterligere fordeler av fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse fremgår av underkravene.

Foreliggende oppfinnelse skal i det påfølgende beskrives nærmere med henvisning til tegningen, hvor:

Fig. 1 viser målegeometrien.

Fig. 2 viser en skisse av modellfunksjonen.

Fig. 3 viser et flytdiagram.

Fig. 4 viser et blokkretsdiagram av et viftelodd.

For å beskrive målegeometrien er på fig. 1 vist et målefartøy 10 på vannoverflaten 20 av et vannområde 30. Dybden eller dybdeverdien Ti av vannområdet 30 ved de respektive måle-punktene bestemmes av bunnprofilen 40. Målefartøyet 10 er utrustet med et viftelodd, hvis vifte prinsipielt er kjennetegnet ved de delvis viste sektorer. De enkelte sektorene er betegnet ved tallverdien for indeksen i. Det er vist til høyre for den loddrette loddlinjen 15 sektorene 1 til 7 og til venstre for loddlinjen 50 sektorene -1 til -3. Sektorene i betegnes i det påfølgende som mottaksretninger.

Målefartøyet 10 stråler ut en sendepuls, som spredes hhv. reflekteres ved sjøbunnen i området av mottakssektoren 5 og på lydstrålen 60 når mottaksomformeren på målefartøyet 10. Tangenten 61 på lydstrålen 60 har ved fartøyets kjøl den målte vinkelen a(i) i forhold til loddretningen 50. Den målbare eller innstillbare vinkelen a(i) korrigeres som gjennomsnittlig mottaksvinkel am(i) i forhold til lydhastigheten ved kjølen og den gjennomsnittlige lydhastigheten cm i vannet og tilordnes den korrigerte mottaksretning i, altså her er i=5. Sammenhengen er gitt ved ligningen 1.

Under antagelse for en gjennomsnittlig lydhastighet cma, f.eks. cma = 1500 m/sek., kan den gjennomsnittlige mottaksvinkelen am(i) for hver sektor til vifteloddet og dermed for hver mottaksretning i beregnes til:

Under hensyntagen til den for hver mottaksretning i målte gangtid t(i) til loddpulsen fremkommer så tilsvarende tilordnet dybden T(i) og avstanden A(i):

På fig. 2 er vist delfunksjonene som setter seg sammen av de for den flere ganger lineære regresjon nødvendige modellfunk-sjon. Viftens mottaksretning i er også her den uavhengige variabel for de enkelte delfunksjonene. Den avhengige variabelen for delfunksjonen utgjør dybdeverdi hhv. dybdeforskjellen.

Den første delfunksjonen 21 forløper i en konstant avstand fra vannoverflaten 20 fra f.eks. 1 m og beskrives av ligningen:

Dette betyr at det blir for alle retninger definert og lagret dybdeverdi fra én meter.

Den andre delfunksjonen 22 har en konstant stigning i forhold til vannoverflaten fra her f.eks. 1°. Dens verdier gir seg av følgende formel:

Den tredje delfunksjonen 23 har et krummet forløp og tar hensyn til den for lydstråleforløpet relevante gjennomsnittlige lydhastighet. Ved hjelp av delfunksjonen 23 tas hensyn til dybdeforskjellen, som beregnes ifølge ligningen 7:

Dette betyr imidlertid at for bestemmelse av dybdeforskjellen X3(i) blir den tidligere dybden T(i) subtrahert fra en ny dybdeverdi Tn(i), som på grunn av en ifølge ligning 8 med lm/s redusert gjennomsnittlig lydhastighets cma blir beregnet på nytt. Den endrede nye mottaksvinkelen ocn(i), som det må tas hensyn til, kan beregnes ifølge ligning 9, som er blitt utviklet fra ligning 2 med hensyn til den gjennomsnittlige lydhastigheten cma. Sammensetningen av disse tre delfunksjonene x^(i), XgCi) og X3(i) til modellfunksjonen fører til bunnprofilen vist ved kurven 41 etter beregning med sine tilordnede koeffisienter , K2, K3 ved addisjon. Ytterligere skissert er forskjellige mottaksretninger i mottakssektoren 1 til 4 og -1 til -3.

Ved hjelp av flytskjemaet på fig. 3 er tydeliggjort forløpet til fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen.

I forhold til utstrålt sendepuls blir i hver av de 80 mottakssektorene mottatt den fra sjøbunnen reflekterte loddpuls. Derved blir for hver mottaksretning i målt gangtiden t(i) til loddpulsen. Ut fra gangtiden t(i) og den gjennomsnittlige lydhastigheten cma kan beregnes en avstand til treffpunktet ved sjøbunnen og ut fra dette kan det via de geometriske forholdene, som er tilnærmet vist på fig. 1, bestemmes dybden T(i) ved treffpunktet ifølge ligning 3 og dens avstand A(i) fra loddlinjen ifølge ligning 4 i en dybde-avstandsberegner 110. Ved mottaksretningen blir så i modellberegneren 120 for de angitte del- eller modell-funksjoner x1(i) til x3(i) ifølge ligningene 5 til 7 tilpasset dybdeverdien til den antatte bunnprofilmodellen for mottaksretningen i beregnet og lagret i lagerområdet til regresjonsprosessoren 130 for beregning av lineær regresjon.

De lagrede data for denne funksjonen for alle måleverdiene danner et system av ligninger, hvilke parametre bestemmer koeffisientene , Kg, K3 i regresjonsprosessoren 130, slik at de målte dybdeverdiene T(i) er en optimal tilnærming. Ved denne kjente metoden for flere gangers lineær regresjon blir ligningen frembrakt av summen av de med koeffisientene , Kg, K3 multipliserte delfunksjoner x^(l) til x3(i): tilpasset antall M av måledata og koeffisientene K^, Kg, K3 bestemmes slik at uttrykket ifølge ligning 11 minimaliseres:

Dette betyr at de med modellfunksjonen bestemte dybder er derved tilpasset optimalt total til den såkalte målevektor, som er de av gangtidsmålingen t(i) tilveiebrakte dybdeverdier T(i). Dessuten skal i tillegg til dybdeverdiene beregnes variasjonen og eventuelt en korrelasjonsfaktor, som gir et mål for nøyaktighet av løsningen. En slik metode er f.eks. kjent innenfor litteraturen beskrevet av Muller/Kick i publikasjonen "Basic-Programme flir de angewandte Statistik", 1985, på R.Oldenbourg Verlag, side 77 osv.

Ifølge en plausibilitetstest 135, ved hvilken gyldigheten til lydhastighetstilveiebringelsen av tidsmessig på hverandre følgende viftelodd overprøves, og ekstremdata for lydhastigheten for cma utelukkes, blir så på grunn av korrelasjonsfaktoren eller variasjonen, når de f.eks. er mindre enn en på forhånd gitt verdi, avgjort i avgjørelsesblokken 140 at regneforløpet skal avsluttes og resultatet tilføres av-lever ingsenheten 145 eller gjentas i et ytterligere itera-sjonstrinn. Den endrede lydhastigheten cma, som er tilveiebrakt ved regresjon over andelen av delfunksjonen X3(i) anvendes derved for beregning av en forbedret måldatavektor. Avgjørende for endring av den midlere lydhastigheten cma er koeffisienten K3, da K3 multiplisert med den ifølge ligning 8 gjennomførte reduksjon av lydhastigheten, i dette eksempelet 1 m/s, frembringer umiddelbart korrekturverdien for bestemmelse av den korrigerte midlere lydhastigheten. Med den korrigerte gjennomsnittlige lydhastigheten cma bestemmes korrigert dybde T(i) og avstandsverdien A(i) ut fra den målte gangtiden t(i) i dybde-avstand-beregningsenheten 110 og ved hjelp av den i flytskjemaet ifølge fig. 3 viste bearbeidel-sesprosess gjennomgås den på nytt iterativt.

Ved flere gangers gjennomføring av denne iterasjonsprosessen ifølge fig. 3 er det mulig å tilveiebringe en svært høy nøyaktighet for korrekturen av målingen. Tilsvarende simulering har imidlertid vist at allerede to gangers iterasjon gir den innenfor måleteknikken nødvendige høye nøyaktighet.

Det prinsipielle blokkskjemaet på fig. 4 viser et vifte-loddanlegg på et målefartøy. En sendeomformer 80, en mottaksomformer 81 og en lydhastighetsføler 82 for måling av lydhastigheten ck er ved kjølen til fartøyet forbundet med et viftelodd 85. Vanligvis må vifteloddet 85 ha samtlige navigasjons- og fartøydata for å muliggjøre en kartlegging av måleresultatet. Disse dataene tilføres via navigasjons-grensesnittet 86. Med vifteloddet 85 er dessuten forbundet en dataavgivelsesinnretning i form av en fremvisningsinnretning 87. Dessuten er det anordnet en regresjonsberegningsenhet 90, i hvilken bestemmes korrekturen ifølge oppfinnelsen for bunnprofiltilveiebringelsen.

Sendeomformeren 80 har en retningskarakteristikk som er rettet på tvers av fartøyets kjøreretning for å bestråle hele sektoren, som er dekket av mottaksviftene hos mottaksomformeren 81. I fartøyets lengderetning er sendeomformeren 80 kraftig buntet for å konsentrere lydutstrålingen i nytteom-rådet.

Som mottaksvifte hos mottaksomformeren 81 er på forhånd gitt alle mottaksretningene, dvs. tilnærmet 2° smale mottaks-sektorer, som prinsipielt er vist på fig. 1, og som dekker området fra den venstre til den høyre fartøysiden. Ved tilsvarende retningsdannelse er valg av de smale mottakssektorene i sikkerhet. Som det fremgår av fig. 1 er mottakssektorene i treffpunktet på sjøbunnen tilordnet med forskjellige avstander. Derved fremkommer for de spredte loddpulsene i avhengighet av mottaksvinkelen forskjellige gangtider t(i), som måles av vifteloddet 85.

En ytterligere sensor 82 ved fartøyets bunn måler lydhastigheten cjj i umiddelbar nærhet av mottaksomf ormeren 81 for å bestemme den ved omformeren 81 innstilte mottaksvinkel a(i). Under hensyntagen til de geometriske forholdene og den gjennomsnittlige lydhastigheten cma kan dybdeverdien T(i) bestemmes umiddelbart ved de respektive treffpunktene og kan fremstilles som målbunnprofil på fremvisningsinnretningen 87.

Disse dybdeverdiene T(i) overføres til regresjonsberegningsenheten 90. Regresjonsberegningsenheten 90 bestemmer først de tre delfunksjonene X^(i) til X3(i) ifølge fig. 2 for bunnprofilmodellen, og så blir de respektive koeffisientene Kj_, Kg, K3, tilpasset ved modellen til de "målte" dybdeverdiene T( i ).

Med hver ytterligere vifteberegning opptas et nytt bunn-profilsnitt slik at det fremkommer et utall av verdier for den gjennomsnittlige lydhastigheten. Da disse verdiene ikke kan avvike spranglignende fra hverandre anvendes målingen for plausibilitetsprøving 145 ifølge fig. 3, og ved betydelig måleverdiavvik utelukkes de eller de forbedres hhv. erstattes fra andre måleverdirekker bestemte gjennomsnittlige lyd-hastigheter .

Claims (5)

1. Fremgangsmåte for å bestemme vanndybde med et viftelodd, som mottar på grunn av hver utløst sendepuls for et antall på forhånd gitte mottaksretninger fra sjøbunnens spredte hhv. reflekterte loddpulser, måler gangtiden og tilveiebringer de respektive dybdeverdier ut fra gangtid, mottaksretning og gjennomsnittlig lydhastighet, karakterisert ved at dybdeverdiene T(i) tilordnet de respektive mottaksretninger i eller avstander A(i) tilføres som inngangsdata til en regresjonsberegningsenhet (90), at ved flere gangers lineær regresjon beregnes koeffisientene , Kg, K3 i en utligningsfunksjon, som utgjør modellfunksjonen av vannbunnprofilen (40) og som tilnærmer seg dybdeverdien T(i) med minimal feil, at minst en av de beregnede koeffisientene K3 er en beregningsfaktor for en av den gjennomsnittlige lydhastigheten cma avhengig delfunksjon Xs(i) til utligningsfunksjonen, og at ut fra den beregnede delfunksjonen x3(i) bestemmes en korrigert gjennomsnittlig lydhastighet for korrigert tilveiebrakt dybdeverdi.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at for minst en ytterligere iterasjon tilføres den korrigerte dybdeverdien som forbedret inngangsdata til regresjonsberegningsenheten (90).

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at utligningsfunksjonen dannes av et polynom av med koeffisientene K^, Kg, K3 beregnet delfunksjon Xi, x2, X3, at en første delfunksjon x^(i) bestemmes slik at den har en konstant dybde for alle mottakerretninger eller avstander A(i), at en andre delfunksjon xg(i) bestemmes slik at den derved modellerte bunnprofilen har en konstant stigning, og at en tredje delfunksjon x3(i) bestemmes slik at den for hver mottaksretning i eller avstand A(i) tilsvarer differansedybder hos den modellerte bunnprofilen til den tilveiebrakte dybdeverdien T(i) på grunn av en konstant endring av den gjennomsnittlige lydhastigheten cma.

4. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1 til 3, karakterisert ved at den konstante dybden hos den første delfunksjonen utgjør 1 m, den konstante stigningen hos den modellerte bunnprofilen i den andre delfunksjonen utgjør 1° og lydhastighetsendringen i den tredje delfunksjonen utgjør lm/s.

5 . Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1 til 4, karakterisert ved at variasjonen og/eller korrelasjonsfaktoren i den korrigerte dybdeverdien bestemmes, og at den iterative beregningen av den korrigerte dybdeverdien avsluttes med den korrigerte lydhastigheten når variasjon og/eller korrelasjonsfaktoren er mindre enn en på forhånd angivbar terskelverdi.