RU2521127C2 - Method for real-time determination of depth during bottom topography survey with side-scan sonar - Google Patents

Method for real-time determination of depth during bottom topography survey with side-scan sonar Download PDF

Info

Publication number
RU2521127C2
RU2521127C2 RU2012144838/28A RU2012144838A RU2521127C2 RU 2521127 C2 RU2521127 C2 RU 2521127C2 RU 2012144838/28 A RU2012144838/28 A RU 2012144838/28A RU 2012144838 A RU2012144838 A RU 2012144838A RU 2521127 C2 RU2521127 C2 RU 2521127C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
time
value
topography
depths
points
Prior art date
Application number
RU2012144838/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2012144838A (en
Inventor
Сергей Борисович Курсин
Константин Георгиевич Ставров
Юрий Николаевич Жуков
Андрей Федорович Зеньков
Денис Михайлович Жилин
Владимир Васильевич Чернявец
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Государственный научно-исследовательский навигационно-гидрографический институт" (ОАО "ГНИНГИ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Государственный научно-исследовательский навигационно-гидрографический институт" (ОАО "ГНИНГИ") filed Critical Открытое акционерное общество "Государственный научно-исследовательский навигационно-гидрографический институт" (ОАО "ГНИНГИ")
Priority to RU2012144838/28A priority Critical patent/RU2521127C2/en
Publication of RU2012144838A publication Critical patent/RU2012144838A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2521127C2 publication Critical patent/RU2521127C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

FIELD: physics, acoustics.
SUBSTANCE: invention relates to hydroacoustics. The method for real-time determination of depth during bottom topography survey with side-scan sonar, with subsequent reconstruction thereof, includes measuring the delay time of in-phase signals of bottom reverberation received by two antennae, spaced apart on the vertical by several wavelengths of elastic vibrations, and resolving measurement uncertainty, calculating depth, wherein to achieve the technical result, the instantaneous frequency of the signal in a lower channel is recorded each time phases interfering signals match, measuring the delay time of the appearance of a signal in the upper channel with the same instantaneous frequency value; multiplying the measured value of delay time with the value of the operational frequency of the interferometer; determining the sequence numbering of the series of measurements of the delay in arrival of in-phase signals in the period of each probing in real time; calculating depths which correspond to each interference band; and subsequent reconstruction of the bottom topography based on the depth measurements includes estimating representativeness (significance) critical points of the topography by presenting a smooth continuous surface of the bottom topography using a Kronrod-Rib tree. The side-scan sonar includes a probing pulse generator 1, a receiving-transmitting upper antenna 2, a time tn measuring circuit 3, a receiving-transmitting lower antenna 4, an interferometer 5, a time Δtn measuring circuit 6, a selector 7, a frequency detector 8, a reference generator 9, a storage device 10, an amplitude comparing circuit 11, a frequency detector 12, a computer 13, an antenna switch 14, a display and recording device 15.
EFFECT: high accuracy of determining depth using side-scan sonar and subsequent reconstruction of the bottom topography based on the depth measurements.
7 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к области гидроакустики, а более конкретно к способам измерения глубин с последующей пространственной интерполяцией восстановления рельефа морского дна при дискретных измерениях глубин посредством гидроакустических средств, и может быть использовано при измерении параметров водной среды при решении прикладных задач, включая анализ ветровых полей, анализ радиологического и химического загрязнения, топографические исследования и т.д.The invention relates to the field of hydroacoustics, and more particularly to methods for measuring depth with subsequent spatial interpolation of the restoration of the seabed topography with discrete depth measurements using hydroacoustic means, and can be used to measure the parameters of the aquatic environment in solving applied problems, including analysis of wind fields, radiological analysis and chemical pollution, topographic studies, etc.

Известен способ определения глубин в стороне от судна посредством гидролокатора бокового обзора (интерферометра) путем измерения дальностей и направлений на элементы отражения донного рельефа на основе использования явления интерференции сигналов донной реверберации, принимаемых на две антенны, разнесенные по вертикали на величину нескольких длин волн упругих колебаний, возбуждаемых одной из антенн интерферометра. В результате выделения и фиксации времени задержки прихода на обе приемные антенны ряда синфазных сигналов, например, на самописце, формируется семейство интерференционных полос, содержащих информацию о направлениях прихода ряда синфазных сигналов и соответствующих им наклонных дальностей до дна (О некоторых особенностях обработки интерференционных эхограмм//Записки по гидрографии. Л.: ГУНиО МО СССР, №203, 1979, с.11-16, [1]. Тарасюк Ю.Ф. Дистанционный промер глубин//Судостроение за рубежом, 1975, №1, с.104-105, [2]. Наумов Е.А. Использование явления интерференции звуковых волн для определения угла наклона дна//Судовождение. Сборник научных трудов ЛВИМУ им. С.О.Макарова, 1974, вып.14, с.252-255, [3]).There is a method of determining depths away from the vessel by means of a side-scan sonar (interferometer) by measuring the ranges and directions to the reflection elements of the bottom topography based on the use of the phenomenon of interference of bottom reverb signals received on two antennas spaced vertically by several wavelengths of elastic vibrations, excited by one of the antennas of the interferometer. As a result of isolating and fixing the arrival delay time at both receiving antennas of a series of common-mode signals, for example, on a recorder, a family of interference strips is formed containing information about the directions of arrival of a series of common-mode signals and their slant ranges to the bottom (On some features of processing interference echograms // Notes on hydrography. L .: GUNiO of the Ministry of Defense of the USSR, No. 203, 1979, pp. 11-16, [1]. Tarasyuk Yu.F. Remote measurement of depths // Shipbuilding Abroad, 1975, No. 1, pp. 104-105 , [2]. Naumov EA Use of the phenomenon of inter sound waves ference for determining the bottom inclination angle // Navigation. Collection of scientific works of Leningrad State University of Economics named after SO Makarov, 1974, issue 14, p. 252-255, [3]).

Глубины Zn и соответствующие им горизонтальные отстояния Yn от антенн интерферометра вычисляются по формулам [1]:Depths Z n and the corresponding horizontal distances Y n from the antennas of the interferometer are calculated by the formulas [1]:

Z n = D n sin Θ n = C t n n / 2 N = D n n / N ,                                      ( 1 )

Figure 00000001
Z n = D n sin Θ n = C t n n / 2 N = D n n / N , ( one )
Figure 00000001

Y n = D n cos Θ n = D n 1 ( n / N ) 2 ,                                             ( 2 )

Figure 00000002
Y n = D n cos Θ n = D n one - ( n / N ) 2 , ( 2 )
Figure 00000002

где Θn - углы от горизонта до направления прихода синфазных сигналов;where Θ n are the angles from the horizon to the direction of arrival of the in-phase signals;

Dn - наклонные дальности до дна в направлении прихода ряда синфазных сигналов;D n - the inclined range to the bottom in the direction of arrival of a number of in-phase signals;

С - скорость распространения звука в воде;C is the speed of sound propagation in water;

n - порядковый номер интерференционной полосы;n is the serial number of the interference band;

N=b/λ - максимальное число ряда регистрируемых интерференционных полос;N = b / λ is the maximum number of a number of recorded interference bands;

λ - длина волны акустических колебаний;λ is the wavelength of acoustic vibrations;

b - величина базового разноса антенн по вертикали;b is the magnitude of the base vertical antenna spacing;

tn - время задержки прихода ряда синфазных сигналов.t n - delay time of arrival of a number of common-mode signals.

Из формул (1) и (2) следует, что величины углов Θn функционально связаны с номерами интерференционных полос, которые непосредственно не определяются, что обуславливает возможность только качественной оценки характера изменения глубины в стороне от судна, а не количественное определение значений глубин.It follows from formulas (1) and (2) that the angles Θ n are functionally related to the numbers of interference fringes that are not directly determined, which makes it possible to only qualitatively assess the nature of changes in depth away from the vessel, and not to quantify the depths.

Известен также способ определения номеров интерференционных полос, основанный на визуальном дешифровании предвычисленных совпадений полос с заданными номерами из двух семейств интерференционных полос, полученных, например, при использовании двух разных, но близких по величине антенных баз (О некоторых особенностях обработки интерференционных эхограмм//Записки по гидрографии. Л.: ГУНиО МО СССР, №203, 1979, с.11-16, [1]).There is also a method for determining the numbers of interference fringes, based on visual decoding of the pre-calculated coincidences of fringes with given numbers from two families of interference fringes obtained, for example, when using two different but similar in magnitude antenna bases (On some features of processing interference echograms // Notes on hydrography. L .: GUNiO of the Ministry of Defense of the USSR, No. 203, 1979, pp. 11-16, [1]).

Основным недостатком способа является невозможность определения глубин непосредственно во время измерений, а также высокая вероятность ошибки на единицу в оцифровке ряда интерференционных полос при визуальном дешифровании совпадающих полос на зашумленной эхограмме при камеральной обработке. Ошибка в оцифровке полос на единицу приводит к недопустимым погрешностям в определении Zn и Yn. Кроме того, очевидна низкая производительность способа в силу необходимости получения двух семейств интерференционных полос и большой трудоемкости камеральной обработки и, как следствие этого, невысокая достоверность восстановления рельефа дна по измеренным глубинам посредством гидролокатора бокового обзора.The main disadvantage of this method is the impossibility of determining depths directly during measurements, as well as the high probability of an error per unit in the digitization of a number of interference bands when visually decrypting the matching bands on a noisy echogram during cameral processing. An error in the digitization of the bands per unit leads to unacceptable errors in the determination of Z n and Y n . In addition, the low productivity of the method is obvious due to the need to obtain two families of interference bands and the high complexity of cameral processing and, as a result, the low reliability of the restoration of the bottom topography from the measured depths using a side-scan sonar.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение достоверности определения глубин посредством гидролокатора бокового обзора и последующего восстановления рельефа дна по измеренным глубинам посредством гидролокатора бокового обзора.The objective of the proposed technical solution is to increase the reliability of determining depths using a side-scan sonar and subsequent restoration of the bottom topography from the measured depths using a side-scan sonar.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе определения глубин в реальном масштабе времени при обследовании рельефа дна гидролокатором бокового обзора с последующим его восстановлением, включающим измерения времени задержки синфазных сигналов донной реверберации, принимаемых двумя антеннами, разнесенными по вертикали на несколько длин волн упругих колебаний, и разрешение неоднозначности измерений, вычисление глубин, в котором в отличие от прототипа при каждом совпадении фаз интерферирующих сигналов регистрируют мгновенное значение частоты сигнала в нижнем канале, измеряют время запаздывания появления сигнала в верхнем канале с тем же значением мгновенной частоты, измеренное значение времени запаздывания умножают на значение рабочей частоты интерферометра, определяют порядковую нумерацию ряда измерений задержки прихода синфазных сигналов в период каждого зондирования в реальном масштабе времени, глубины вычисляют, соответствующие каждой интерференционной полосе, а при последующем восстановлении рельефа дна по измеренным глубинам выполняют оценку репрезентативности (значимости) критических точек рельефа путем представления гладкой непрерывной поверхности рельефа дна деревом Кронрода-Риба.The problem is solved due to the fact that in the method for determining depths in real time when examining the bottom topography with a side-scan sonar and then restoring it, including measuring the delay time of the common-mode bottom reverb signals received by two antennas spaced apart vertically by several wavelengths of elastic vibrations , and the resolution of the ambiguity of measurements, the calculation of depths, in which, unlike the prototype, at each coincidence of the phases of the interfering signals, they instantly the specified value of the signal frequency in the lower channel, measure the delay time of the appearance of the signal in the upper channel with the same instantaneous frequency, the measured value of the delay time is multiplied by the value of the operating frequency of the interferometer, determine the ordinal numbering of a number of measurements of the arrival delay of common-mode signals during each sounding in real scale time, depths are calculated corresponding to each interference band, and upon subsequent restoration of the bottom topography from the measured depths, an estimate the representativeness (significance) of critical relief points by representing a smooth, continuous bottom surface relief of the Kronrod-Riba tree.

Новые отличительные признаки, заключающиеся в том, что при каждом совпадении фаз интерферирующих сигналов регистрируют мгновенное значение частоты сигнала в нижнем канале, измеряют время запаздывания появления сигнала в верхнем канале с тем же значением мгновенной частоты, измеренное значение времени запаздывания умножают на значение рабочей частоты интерферометра, определяют порядковую нумерацию ряда измерений задержки прихода синфазных сигналов в период каждого зондирования в реальном масштабе времени, глубины вычисляют, соответствующие каждой интерференционной полосе, а при последующем восстановлении рельефа дна по измеренным глубинам выполняют оценку репрезентативности (значимости) критических точек рельефа путем представления гладкой непрерывной поверхности рельефа дна деревом Кронрода-Риба, позволяют достичь поставленного технического результата путем выполнения дополнительных измерений времени относительного запаздывания прихода сигналов с одинаковыми мгновенными частотами на разнесенные антенны (Δtn), при этом относительное запаздывание сигналов всегда будет наблюдаться в канале верхней антенны.New distinctive features, namely, that at each coincidence of the phases of the interfering signals, the instantaneous value of the signal frequency in the lower channel is recorded, the delay time of the appearance of the signal in the upper channel with the same instantaneous frequency is measured, the measured value of the delay time is multiplied by the value of the operating frequency of the interferometer, they determine the serial numbering of a series of measurements of the delay in-phase arrival of signals in the period of each sounding in real time, the depths are calculated, respectively which are associated with each interference band, and during subsequent restoration of the bottom topography from the measured depths, the representativeness (significance) of critical points of the topography is assessed by presenting a smooth continuous surface of the bottom topography by the Kronrod-Riba tree, and this allows achieving the technical result by performing additional measurements of the time of the relative delay of the arrival of signals from the same instantaneous frequencies to the separated antennas (Δt n ), while the relative delay of the signal s will always be observed in the channel of the upper antenna.

Для повышения достоверности измерений величины Δtn в условиях помех они производятся в пределах строба длительностью τ=b/с, а результаты измерений по каждой интерференционной полосе накапливаются за несколько циклов зондирования и осредняются. Повышение точности измерений величины Δtn обеспечивается тем, что в момент выделения синфазных сигналов фиксируется мгновенная частота сигнала на нижней антенне в момент формирования n-й полосы и относительное запаздывание определяется по времени запаздывания прихода сигнала той же частоты на верхнюю антенну.To increase the reliability of measurements of Δt n under interference conditions, they are performed within a strobe of duration τ = b / s, and the measurement results for each interference band are accumulated over several sensing cycles and averaged. Improving the accuracy of measurements of Δt n is ensured by the fact that at the moment of isolation of the common-mode signals, the instantaneous signal frequency is fixed on the lower antenna at the time of formation of the nth band and the relative delay is determined by the delay time of arrival of the signal of the same frequency to the upper antenna.

Измерение времени запаздывания осуществляется по каждой полосе. Основанием к этому служит известное теоретическое положение о том, что сигнал донной реверберации на входе антенны представляет собой узкополосный гауссовский шум с нормальным законом распределения мгновенной частоты в пределах спектра сигнала. Ширина спектра сигнала донной реверберации примерно равна ширине спектра излученного импульса. Плотность вероятности мгновенных значений частоты такого сигнала на выходе предварительного усилителя приемника с высокой степенью точности соответствует также нормальному закону распределения (Ольшевский В.В. Статистические методы в гидролокации. Л.: Судостроение, 1983, с.100-130).The delay time is measured in each lane. The basis for this is the well-known theoretical position that the bottom reverb signal at the antenna input is a narrow-band Gaussian noise with the normal distribution of the instantaneous frequency within the signal spectrum. The spectral width of the bottom reverb signal is approximately equal to the spectral width of the emitted pulse. The probability density of the instantaneous frequency values of such a signal at the output of the receiver pre-amplifier with a high degree of accuracy also corresponds to the normal distribution law (Olshevsky VV Statistical methods in sonar. L .: Sudostroenie, 1983, p.100-130).

При этом ширина спектра у сигналов донной реверберации, принимаемых интерферометром, зависит от длительности излучаемых импульсов и лежит в пределах 1500÷500 Гц. Мгновенная частота сигнала принимает значение fT±(0÷750)·10-3 кГц, распределенное по нормальному закону. Дисперсия процесса определяется соотношением сигнал/шум.The width of the spectrum of the bottom reverb signals received by the interferometer depends on the duration of the emitted pulses and lies in the range of 1500 ÷ 500 Hz. The instantaneous signal frequency takes the value f T ± (0 ÷ 750) · 10 -3 kHz, distributed according to the normal law. The dispersion of the process is determined by the signal to noise ratio.

При условии, что расстояние между антеннами значительно меньше интервала корреляции сигналов (обычно b<50λ), можно утверждать, что разность хода синфазных сигналов пропорциональна времени запаздывания появления в верхнем канале сигнала с мгновенной частотой, фиксированной в нижнем канале на момент стробирования. Очевидно, что Δ t n = b / c sin Θ n .                                                       ( 3 )

Figure 00000003
Provided that the distance between the antennas is much less than the signal correlation interval (usually b <50λ), it can be argued that the difference in phase of the common-mode signals is proportional to the delay time of the appearance of the signal in the upper channel with an instantaneous frequency fixed in the lower channel at the time of gating. It's obvious that Δ t n = b / c sin Θ n . ( 3 )
Figure 00000003

Подставим в (3) значение sin Θn из формулы (1), получим Δ t n = b n / c N .                                                                                           ( 4 )

Figure 00000004
We substitute in (3) the value sin Θ n from formula (1), we obtain Δ t n = b n / c N . ( four )
Figure 00000004

Отсюда n = F 0 Δ t n ,                                                                      ( 5 )

Figure 00000005
From here n = F 0 Δ t n , ( 5 )
Figure 00000005

где F0 - рабочая частота интерферометра.where F 0 is the operating frequency of the interferometer.

В случае получения дробных значений n из-за погрешности измерений полученные числа округляются до ближайшего целого.In the case of obtaining fractional values of n, due to the measurement error, the obtained numbers are rounded to the nearest integer.

Критерием достоверности оцифровки является регулярность полученных порядковых номеров. Отдельные выбросы могут быть сразу исправлены без повторных измерений.The criterion for the reliability of digitization is the regularity of the received serial numbers. Individual outliers can be immediately corrected without repeated measurements.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами.The essence of the proposed technical solution is illustrated by drawings.

Фиг.1. Блок-схема гидролокатора бокового обзора. Гидролокатор бокового обзора включает генератор 1 зондирующих импульсов, приемо-передающую верхнюю антенну 2, схему 3 измерения времени tn, приемо-передающую нижнюю антенну 4, интерферометр 5, схему 6 измерения времени Δtn, селектор 7, частотный детектор 8, опорный генератор 9, запоминающее устройство 10, схему 11 сравнения амплитуд, частотный детектор 12, вычислитель 13, антенный коммутатор 14, устройство 15 отображения и документирования.Figure 1. Block diagram of side-scan sonar. The side-scan sonar includes a probe pulse generator 1, an upper-transmitting and receiving antenna 2, a t n time measuring circuit 3, a lower receiving and transmitting antenna 4, an interferometer 5, a Δt n time measuring circuit 6, a selector 7, a frequency detector 8, and a reference oscillator 9 , a storage device 10, an amplitude comparison circuit 11, a frequency detector 12, a calculator 13, an antenna switch 14, a display and documentation device 15.

Фиг.2. Пример получения интервалов устойчивости (persistence intervals) для одномерной кривой. 16 - уровни сечения, 17 - отрезки сечения, 18 - интервалы устойчивости.Figure 2. An example of obtaining persistence intervals for a one-dimensional curve. 16 - sectional levels, 17 - sectional sections, 18 - stability intervals.

Фиг.3. График поверхности: а) - соответствующие изолинии высот и дерева Кронрода-Риба; б) - 18 критических точек.Figure 3. Surface graph: a) - corresponding contours of heights and the Kronrod-Riba tree; b) - 18 critical points.

Фиг.4. Вертикальное представление для поверхности дерева Кронрода-Риба фиг.2а. Первая цифра в прямоугольнике - номер критической точки на фиг.26, вторая - высота критической точки.Figure 4. A vertical view of the surface of a Kronrod-Riba tree of FIG. 2a. The first digit in the rectangle is the critical point number in Fig. 26, the second is the height of the critical point.

Фиг.5. Дерево Кронрода-Риба для репрезентативных точек поверхности, изображенной на фиг.2а.Figure 5. The Kronrod-Reeb tree for representative points of the surface depicted in figa.

Фиг.6. Дерево Кронрода-Риба для зашумленной поверхности, изображенной на фиг.2а. (88 критических точек).6. The Kronrod-Reeb tree for a noisy surface depicted in FIG. 2a. (88 critical points).

Фиг.7. Дерево Кронрода-Риба для поверхности, изображенной на фиг.2а, и дерево Кронрода-Риба для зашумленной поверхности.7. The Kronrod-Rib-tree for the surface depicted in Fig. 2a, and the Kronrod-Rib-tree for the noisy surface.

Предлагаемый способ реализуется посредством гидролокатора бокового обзора (фиг.1). С генератора 1 зондирующих импульсов в момент времени t0 импульс с несущей частотой F0 через антенный коммутатор 14 поступает на приемо-передающую антенну 2. Одновременно передним фронтом этого импульса запускается схема 3 измерения времени tn. За период приема сигналов донной реверберации антеннами 2 и 4, в моменты совпадения фаз сигналов на этих антеннах с выхода интерферометра 5 на схему 3 поступает импульс для снятия очередного отсчета времени tn, на запуск схемы 6 измерения времени Δtn и на селектор 7. В селекторе 7 в момент tn производится выборка значения напряжения сигнала, поступающего с частотного детектора 8, при этом значение выборки пропорционально уходу мгновенной частоты сигнала от частоты опорного генератора 9. Значение выборки напряжения сигнала мгновенной частоты фиксируется в запоминающем устройстве 10 в своей ячейке памяти для каждой интерференционной полосы и подается на схему 11 сравнения амплитуд. В момент появления на втором входе схемы 11 сравнения амплитуд такого же значения напряжения сигнала, вырабатываемого частотным детектором 12, с выхода схемы 11 сравнения амплитуд на схему 6 поступает импульс для снятия отсчета времени Δtn.The proposed method is implemented by means of a side-scan sonar (Fig. 1). From the generator 1 of the probe pulses at time t 0, the pulse with the carrier frequency F 0 through the antenna switch 14 is supplied to the transceiver antenna 2. At the same time, the leading edge of this pulse starts the circuit 3 for measuring time t n . During the period of reception of bottom reverberation signals by antennas 2 and 4, at the moments of the coincidence of the phases of the signals from these antennas from the output of interferometer 5, a pulse is sent to circuit 3 to take the next time t n , to start the time measurement circuit 6 Δt n and to selector 7. B selector 7 at the time t n sampled values of the signal voltage supplied from the frequency detector 8, the sample value proportional care instantaneous signal frequency from the frequency of the reference voltage generator 9. The signal sample value the instantaneous frequency f CSIRO in the memory 10 in the memory cell to each of the interference fringe and supplied to the comparison circuit 11 amplitudes. At the moment of appearance at the second input of the amplitude comparison circuit 11 of the same signal voltage value generated by the frequency detector 12, an output is sent to the circuit 6 from the output of the amplitude comparison circuit 11 to take the time Δt n .

Измеренные значения tn и соответствующие им значения Δtn подаются на вычислитель 13, реализованный на базе микроЭВМ, где последовательно вычисляется заданный ряд величин Dn и n и соответствующие им значения Zn и Yn. Значения Zn и Yn, увязанные со временем, поступают на устройство отображения и документирования 15.The measured values of t n and the corresponding values of Δt n are supplied to a computer 13 implemented on the basis of a microcomputer, where a predetermined series of values of D n and n and the corresponding values of Z n and Y n are successively calculated. The values of Zn and Yn, linked to time, go to the display and documentation device 15.

По результатам измерений посредством устройства отображения и документирования строят рельеф морского дна, который на карте описывается гладкой поверхностью. Форма этой поверхности существенно связана с наличием особых точек поверхности: точек локальных экстремумов (минимумов, максимумов) и седловых точек. Совокупность таких точек, их местоположение и высота являются важными характеристиками в отображении формы поверхности рельефа, так как они играют роль дискретной структуры, репрезентативно представляющей непрерывную поверхность.According to the results of measurements by means of a display and documentation device, the relief of the seabed is built, which on the map is described by a smooth surface. The shape of this surface is substantially related to the presence of special points on the surface: points of local extrema (minima, maxima) and saddle points. The combination of such points, their location and height are important characteristics in displaying the shape of the surface of the relief, since they play the role of a discrete structure that is representative of a continuous surface.

Построение поверхности рельефа на ЭВМ устройства отображения и документирования 15 по данным измерений всегда связано с наличием в исходных данных вычислительных и измерительных погрешностей, приводящих к искажениям в форме поверхности. Погрешности приводят как к искажению местоположения репрезентативных присутствующих в реальной поверхности рельефа критических точек, так и появлению нерепрезентативных ложных критических точек. Поэтому актуальна задача выявления репрезентативных критических точек в вычисленной поверхности. Решение этой задачи является необходимым условием для проведения фильтрации шумов и сглаживания вычисленной поверхности.The construction of the relief surface on a computer of the display and documentation device 15 according to the measurement data is always associated with the presence in the initial data of computational and measurement errors leading to distortions in the shape of the surface. Errors lead both to a distortion of the location of representative critical points present in the real surface of the relief, and to the appearance of unrepresentative false critical points. Therefore, the urgent task of identifying representative critical points in the calculated surface. The solution to this problem is a prerequisite for filtering noise and smoothing the calculated surface.

Решение этой задачи должно опираться на некоторую количественную характеристику, определяющую значимость критической точки для конкретной рассматриваемой поверхности. Пусть задан некоторый допустимый уровень значимости, а критические точки упорядочены в порядке убывания их величин значимости. Тогда репрезентативными будут те критические точки, которые имеют большую значимость, чем допустимый уровень. Алгоритм количественной оценки значимости критических точек основан на следующих определениях.The solution to this problem should be based on some quantitative characteristic that determines the significance of the critical point for the particular surface under consideration. Let a certain acceptable level of significance be given, and the critical points are ordered in descending order of their significance values. Then those critical points that are more significant than the acceptable level will be representative. The algorithm for quantifying the significance of critical points is based on the following definitions.

Так как величины абсолютной высоты (глубины) критических точек не позволяют судить, какие из них более репрезентативные, а какие нет, за исключением только точек с наибольшим значением минимума и максимума. Для определения понятия значимости критической точки поверхности в качестве подходящей основы воспользуемся широко используемым в зарубежной картографии понятием "топографической значимости" (topographic prominence) (Christopherson G.L. Using ARC/GRID to Calculate Topographic Prominence in an Archaeological Landscape. // Arc/INFO User Conference, 2003. - 15 pp. Podobnikar T. Method for Determination of the Mountain Peaks // 12th AGILE International Conference on Geographic Information Science, Leibniz Universitat Hannover, Germany, 2009, p.1-8).Since the values of the absolute height (depth) of critical points do not allow us to judge which of them are more representative and which are not, with the exception of only the points with the largest minimum and maximum values. To determine the significance of the critical point of the surface as a suitable basis, we will use the concept of “topographic prominence” (Christopherson GL Using ARC / GRID to Calculate Topographic Prominence in an Archaeological Landscape. // Arc / INFO User Conference, widely used in foreign cartography, // Arc / INFO User Conference, 2003. - 15 pp. Podobnikar T. Method for Determination of the Mountain Peaks // 12th AGILE International Conference on Geographic Information Science, Leibniz Universitat Hannover, Germany, 2009, p.1-8).

Топографическая значимость - это перепад высот между вершиной и самой высокой седловой точкой, которая отделяет эту вершину от любой более высокой вершины. Однако прямое использование этого понятия в наших целях невозможно. Дело в том, что, во-первых, оно рассматривает только точки локальных максимумов и седловые точки, но не включает в рассмотрение точки локальных минимумов рельефа, и, во-вторых, оно не опирается на математические понятия, что не гарантирует отсутствие логических и алгоритмических ошибок. Последнее проявляется, например, в том, что определение топографической значимости не позволяет сделать однозначный выбор седловой точки, относительно которой отсчитывается высота вершины.Topographic significance is the difference in elevation between a peak and the highest saddle point that separates this peak from any higher peak. However, the direct use of this concept for our purposes is impossible. The fact is that, firstly, it considers only the points of local maxima and saddle points, but does not include the points of local minima of the relief, and, secondly, it does not rely on mathematical concepts, which does not guarantee the absence of logical and algorithmic mistakes. The latter is manifested, for example, in that the determination of topographic significance does not allow an unambiguous choice of a saddle point, relative to which the height of the vertex is measured.

Вместе с тем, в отечественной географии существует схожее по смыслу понятие - "относительная высота", однако оно не совпадает с понятием "топографическая значимость". Относительная высота - это топографическое превышение какой-либо точки земной поверхности относительно другой точки, отсчитываемое по вертикали, равное разности абсолютных высот этих точек (например, высота горной вершины над уровнем дна ближайшей долины); расстояние по вертикали от указанного исходного уровня до уровня, точки или объекта, принятого за точку. Следовательно, понятие относительная высота имеет разный смысл в зависимости от контекста, что не позволяет им воспользоваться. Эта проблема может быть решена, если обобщить понятие топографической значимости путем включения в него локальных минимумов рельефа путем построения однозначного метода выявления для каждой седловой точки соответствующей ей точки минимума или максимума. Главная проблема на этом пути состоит в определении алгоритма выявления соответствия между седловыми точками и точками экстремумов. Эффективный метод оценки значимости можно получить, если использовать инструменты описания гладких функций, к которым относится картографическое представление поверхности рельефа (Жуков Ю.Н Математические инструменты описания картографического отображения рельефа Земли // Навигация и океанография. 2011, №32, стр.60-69).At the same time, in Russian geography there is a concept similar in meaning - "relative height", however, it does not coincide with the concept of "topographic significance". Relative height is the topographic excess of a point on the earth’s surface relative to another point, measured vertically, equal to the difference in the absolute heights of these points (for example, the height of a mountain peak above the bottom level of a nearby valley); the vertical distance from the specified initial level to the level, point or object taken as a point. Therefore, the concept of relative height has a different meaning depending on the context, which does not allow them to use. This problem can be solved if we generalize the concept of topographic significance by including local relief minima in it by constructing a unique method for identifying for each saddle point the corresponding minimum or maximum point. The main problem along this path is the definition of an algorithm for identifying the correspondence between saddle points and extreme points. An effective method for assessing significance can be obtained by using tools for describing smooth functions, which include a cartographic representation of a relief surface (Zhukov Yu.N. Mathematical tools for describing a cartographic representation of a relief of the Earth // Navigation and Oceanography. 2011, No. 32, p. 60-69) .

Картографическое представление рельефа есть аналог математического объекта - невырожденной функции Морса. Такая функция имеет только простые критические точки:The cartographic representation of the relief is an analogue of a mathematical object — the non-degenerate Morse function. Such a function has only simple critical points:

седла, минимумы и максимумы, ее топологические свойства описаны, например, в работе (Милнор Дж. Теория Морса. - М.: Издательство ЛКИ, 2011. - 184 с.). Для функций этого типа разработаны методы выявления и упорядочивания критических точек поверхности с использованием топологических характеристик. В вычислительной топологии этот метод носит название топологической значимости (topological persistence) (Bauer U. Persistence in discrete Morse theory. Dissertation zur Eriangung des mathematisch-naturwissenschaftlichen Doktorgrades Doctor rerum naturalium der Georg-August-Universitat GOttingen, 2011. - 109 p.).saddles, minima and maxima, its topological properties are described, for example, in (Milnor J. Theory of Morse. - M.: Publishing House of LCI, 2011. - 184 p.). For functions of this type, methods have been developed for identifying and organizing critical points of the surface using topological characteristics. In computational topology, this method is called topological persistence (Bauer U. Persistence in discrete Morse theory. Dissertation zur Eriangung des mathematisch-naturwissenschaftlichen Doktorgrades Doctor rerum naturalium der Georg-August-Universitat GOttingen, 2011 .-- 109 p.).

Естественно воспользоваться аналогом этого метода для решения нашей задачи нахождения соответствия между седловыми точками и точками экстремумов поверхности.It is natural to use an analog of this method to solve our problem of finding a correspondence between saddle points and surface extrema.

Не загружая текст математическими подробностями и деталями, приведем неформальное описание метода, адаптированное к нашей задаче, на примере получения интервалов устойчивости (persistence intervals) для одномерной кривой (фиг.2). Пусть дана гладкая одномерная кривая. Возьмем горизонтальную прямую, секущую данную кривую. На некотором уровне сечение кривой представляет собой набор несвязных горизонтальных интервалов (отрезков). Грубо говоря, целое число интервалов определяет топологический тип сечения на данном уровне. Рассмотрим, как изменяется топологический тип сечений кривой на каждом уровне при перемещении секущей прямой от минимального уровня кривой до наибольшего. При увеличении уровня сечения число интервалов меняется только в момент прохождении секущей через точку, соответствующую либо максимуму, либо минимуму. В диапазоне уровней между двумя последовательными экстремумами число интервалов сечения не меняется. Поэтому динамика числа интервалов сечения в процессе увеличения уровня сечения изменяется в соответствии со следующим простым правилом: если встречается минимум, то число интервалов увеличивается на единицу, если встречается максимум, то число интервалов уменьшается на единицу. В этом процессе всегда есть минимум, который создает интервал, и существует некоторый максимум, который этот интервал уничтожает. Более конкретно: текущий максимум является парой последнему предыдущему встреченному минимуму. Последовательные максимум и минимум являются сопряженной парой экстремумов. Сопряжение пары критических точек обусловлено собственно топологическими свойствами рассматриваемой кривой.Without loading the text with mathematical details and details, we give an informal description of the method adapted to our task, using the example of obtaining persistence intervals for a one-dimensional curve (Fig. 2). Let a smooth one-dimensional curve be given. Take a horizontal line cutting a given curve. At some level, the cross section of the curve is a set of disconnected horizontal intervals (segments). Roughly speaking, an integer number of intervals determines the topological type of section at a given level. Let us consider how the topological type of cross sections of a curve changes at each level as the secant line moves from the minimum level of the curve to the highest. As the cross-sectional level increases, the number of intervals changes only at the moment the secant passes through a point corresponding to either a maximum or a minimum. In the level range between two consecutive extrema, the number of section intervals does not change. Therefore, the dynamics of the number of intervals of the section in the process of increasing the level of the section changes in accordance with the following simple rule: if a minimum is found, then the number of intervals increases by one, if a maximum is found, then the number of intervals decreases by one. In this process, there is always a minimum that creates an interval, and there is some maximum that this interval destroys. More specifically: the current high is a pair of the last previous low seen. The successive maximum and minimum are a conjugate pair of extrema. The pairing of a pair of critical points is due to the topological properties of the curve under consideration.

Указанная процедура позволяет однозначно получить множество пар минимумов-максимумов, определяемых топологией кривой. Величина абсолютной разности высот критических точек Δ=|hmin-hmax|, составляющих сопряженную пару, определяет количественную оценку интервала устойчивости и соответствующих сопряженных точек. Полученные указанным методом интервалы устойчивости являются искомыми объектами для одномерного случая.This procedure allows you to uniquely obtain a set of pairs of minima-maxima determined by the topology of the curve. The magnitude of the absolute height difference of the critical points Δ = | h min -h max | constituting the conjugate pair determines the quantitative assessment of the stability interval and the corresponding conjugate points. The stability intervals obtained by the indicated method are the desired objects for the one-dimensional case.

Приведенный пример для одномерного случая дает основание ввести понятие "значимость" критической точки поверхности рельефа как меры топологической устойчивости той сопряженной пары критических точек, в которую она входит. Количественный критерий значимости ε определим следующим образом. Множеству пар критических точек П сопоставим множество разностей высот критических точек П={Δi} (i=1,…,N, N - число пар). Значимость конкретной пары критических точек в данном множестве пар П определим как отношение εiimax - максимальное значение среди {Δi}. Таким образом, каждая точка в паре имеет одну и ту же величину значимости. Величина ε всегда нормирована и лежит в диапазоне 0÷1.The given example for the one-dimensional case gives reason to introduce the concept of “significance” of the critical point of the relief surface as a measure of the topological stability of the conjugate pair of critical points into which it enters. A quantitative criterion for the significance of ε is defined as follows. To the set of pairs of critical points P, we associate the set of differences in the heights of the critical points P = {Δ i } (i = 1, ..., N, N is the number of pairs). The significance of a particular pair of critical points in a given set of pairs P is defined as the ratio ε i = Δ i / Δ max - the maximum value among {Δ i }. Thus, each point in a pair has the same significance value. The value of ε is always normalized and lies in the range 0–1.

Реализация аналогичной процедуры для двумерной поверхности значительно сложнее. Среди критических точек двумерной поверхности появляются седловые точки, которых нет в одномерном случае. Эти точки существенно осложняют дело, так как в седловых точках тоже происходит смена топологического типа горизонтального сечения поверхности, так же как и в точках экстремумов. Кроме того, седловые точки на вертикальной оси всегда лежат между наибольшими максимумом и минимумом. При подъеме плоскости сечения точки седел могут встречаться в любой последовательности по отношению друг к другу и неосновным экстремумам.The implementation of a similar procedure for a two-dimensional surface is much more complicated. Among the critical points of a two-dimensional surface, saddle points appear, which are not in the one-dimensional case. These points significantly complicate the matter, since the topological type of the horizontal section of the surface also changes at the saddle points, as well as at the points of extrema. In addition, saddle points on the vertical axis always lie between the largest maximum and minimum. When lifting the sectional plane, the saddle points can occur in any sequence with respect to each other and minor extrema.

В двумерном случае пара критических точек, образующих интервал устойчивости, всегда состоит либо из седла и минимума, либо из седла и максимума. Каждой такой паре критических точек сопоставим величину абсолютной разности высот критических точек Δ=|hs-he|, составляющих пару. Здесь hs - высота седловой точки, he - высота точки экстремума, минимума или максимума.In the two-dimensional case, a pair of critical points forming a stability interval always consists of either a saddle and a minimum, or a saddle and a maximum. To each such pair of critical points we associate the magnitude of the absolute height difference of the critical points Δ = | h s -h e | making up the pair. Here h s is the height of the saddle point, h e is the height of the point of extremum, minimum, or maximum.

Для вычисления множества пар критических точек для двумерных гладких поверхностей обычно применяют вспомогательный математический аппарат - дерево Кронрода-Риба (дКР). Картографическое описание рельефа можно представить математическим объектом - функцией Морса, для которой дКР является дискретным аналогом, однозначно описывающим положение, высоту точек седел и локальных экстремумов, и главное, дКР описывает связь между ними, которая определяется топологией рассматриваемой поверхности. Каждой поверхности однозначно соответствует некоторое дКР. К настоящему времени разработаны алгоритмы вычисления дКР для всех типов представления поверхности в ЭВМ (Doraiswamy H., Natarajan V. Efficient Algorithms for Computing Reeb Graphs // Computational Geometry: Theory and Applications, Volume 42, Issue 6-7, August, 2009, p.606-616. Kunii Т.L. Constructing a reeb graph automatically from cross sections. // IEEE Comput. Graph. Appl. 11,6 (1991), 44-51. Pascucci V. Loops in Reeb graphs of 2-manifolds. // Discrete and Computational Geometry 32, 2 (2004), 231-244), и поэтому на процедуре вычисления дКР останавливаться не будем. Отметим важное практическое обстоятельство: вершины дКР естественным образом оснащаются координатами местоположения и высотой соответствующих критических точек.To calculate the set of pairs of critical points for two-dimensional smooth surfaces, an auxiliary mathematical apparatus is usually used - the Kronrod-Reeb tree (DKR). A cartographic description of the relief can be represented by a mathematical object - the Morse function, for which the DKR is a discrete analogue that uniquely describes the position, height of the saddle points and local extremes, and most importantly, the DKR describes the relationship between them, which is determined by the topology of the surface under consideration. Each surface uniquely corresponds to a certain DKR. To date, algorithms have been developed for calculating the DKR for all types of surface representations in computers (Doraiswamy H., Natarajan V. Efficient Algorithms for Computing Reeb Graphs // Computational Geometry: Theory and Applications, Volume 42, Issue 6-7, August, 2009, p .606-616. Kunii T. L. Constructing a reeb graph automatically from cross sections. // IEEE Comput. Graph. Appl. 11.6 (1991), 44-51. Pascucci V. Loops in Reeb graphs of 2-manifolds . // Discrete and Computational Geometry 32, 2 (2004), 231-244), and therefore we will not dwell on the procedure for calculating DKR. We note an important practical circumstance: the vertices of the DKR are naturally equipped with the coordinates of the location and the height of the corresponding critical points.

Пример поверхности и соответствующая ей дКР представлены на фиг.3 и 4. В таблице 1 представлены интервалы устойчивости и величины значимости, вычисленные по дКР. Отметим, что в процессе вычисления дКР его вершины оснащаются пространственными и высотными координатами соответствующих критических точек, что дает возможность отображать дКР в плоскости изучаемой функции и в высотном изображении (фиг.4).An example of a surface and its corresponding DKR are presented in FIGS. 3 and 4. Table 1 presents the intervals of stability and significance values calculated from the DKR. Note that in the process of calculating the DKR, its vertices are equipped with spatial and altitudinal coordinates of the corresponding critical points, which makes it possible to display the DKR in the plane of the studied function and in the high-altitude image (Fig. 4).

Алгоритм вычисления пар критических точек по дКР очевиден, но достаточно громоздок, чтобы его приводить полностью. В алгоритме используется представление, что точки дКР, соответствующие седлам, являются точками тройного ветвления, а точки, соответствующие минимумам и максимумам, являются точками с одним примыкающим ребром. Приведем только основную схему алгоритма. Ключ алгоритма состоит в использовании динамически меняющегося дКР в соответствии с последовательностью выявляемых пар критических точек. Последовательно просматривается снизу вверх список упорядоченных по высоте критических точек, начиная со второй снизу. Если точка является минимумом или максимумом, то ищется ближайшее к ней в дКР седло. Они образуют пару седло-экстремум. Вершины экстремумов, седел и связывающее их ребро удаляются из дКР, а нарушенные удалением связи восстанавливаются в соответствии с порядком вершин до удаления. Если вершина является седлом и имеет двух нижележащих потомков, то выбирается ближайший по высоте минимум, и они образуют пару критических точек. Соответствующие вершины и ребра удаляются из дКР с последующим восстановлением связей. В результате такого процесса окончательное дКР будет иметь только две вершины, соответствующие наибольшим минимуму и максимуму, и одно соединяющее их ребро. Эта пара критических точек образует наиболее значимую пару с Δmax.The algorithm for calculating the pairs of critical points by DKR is obvious, but cumbersome enough to bring it completely. The algorithm uses the idea that the DKR points corresponding to the saddles are points of triple branching, and the points corresponding to the minima and maxima are points with one adjacent edge. We give only the basic scheme of the algorithm. The key to the algorithm is to use a dynamically changing DKR in accordance with the sequence of detected pairs of critical points. A list of critical points ordered by height is scanned from bottom to top, starting from the second from the bottom. If the point is a minimum or maximum, then the saddle closest to it in the DKR is searched. They form a saddle-extreme pair. The vertices of the extrema, the saddles, and the rib connecting them are removed from the DKR, and the bonds broken by removal of the bond are restored in accordance with the order of the vertices before removal. If the vertex is a saddle and has two underlying children, then the minimum minimum height is selected, and they form a pair of critical points. Corresponding vertices and edges are removed from the DKR with subsequent restoration of bonds. As a result of this process, the final DKR will have only two vertices corresponding to the largest minimum and maximum, and one edge connecting them. This pair of critical points forms the most significant pair with Δ max .

Заметим, что приведенный метод оценки значимости форм рельефа включает понятие топографической значимости, но в отличие от последнего дает однозначный алгоритм получения пар точек седло-экстремум.Note that the above method for assessing the significance of relief forms includes the concept of topographic significance, but unlike the latter, it gives a unique algorithm for obtaining pairs of saddle-extremum points.

Для поверхности, представленной на фиг.3, в соответствии с ее дКР вычислены пары критических точек и их значимость. Результаты представлены в таблице 1.For the surface shown in figure 3, in accordance with its DKR calculated pairs of critical points and their significance. The results are presented in table 1.

Таблица 1Table 1

Таблица значимости критических точек для поверхности, изображенной на фиг.3.The table of significance of critical points for the surface depicted in figure 3.

Номер точки соответствует номеру критических точек на фиг.3б.The point number corresponds to the number of critical points in figb.

Порядковый номер появления в списке парThe sequence number of the appearance in the list of pairs Тип точкиPoint type Номер точкиPoint number Номер точкиPoint number Тип точкиPoint type Величина интервала устойчивостиThe value of the stability interval Величина значимости парыThe significance of the pair Порядковый номер значимости парыThe sequence number of the significance of the pair 1one СедлоSaddle 18eighteen 1212 Макс.Max. 1,281.28 0,087960.08796 4four 22 СедлоSaddle 88 4four Макс.Max. 2,782.78 0,190860,19086 33 33 Мин.Min 1one 33 СедлоSaddle 0,00070,0007 0,000030.00003 77 4four Мин.Min 1717 1616 СедлоSaddle 0,030,03 0,002180,00218 66 55 Мин.Min 66 55 СедлоSaddle 0,00010.0001 0,0000080.000008 88 66 СедлоSaddle 14fourteen 1313 Макс.Max. 0,00000.0000 0,00000030.0000003 99 77 Мин.Min 15fifteen 11eleven СедлоSaddle 0,340.34 0,023550,02355 55 88 Мин.Min 77 22 СедлоSaddle 3,033.03 0,207850.20785 22 99 Мин.Min 1010 99 Макс.Max. 14,5714.57 1one 1one

Продемонстрируем применение введенного понятия значимости на простейшем примере влияния шума в исходных данных на вычисленную форму поверхности.Let us demonstrate the application of the introduced notion of significance on the simplest example of the influence of noise in the initial data on the calculated surface shape.

Например, из таблицы 1 следует, что для некоторых критических точек их значимость чрезвычайно мала, составляет менее процента. Это признак того, что соответствующие критические точки являются результатом вычислительного шума при расчете поверхности. Эти нерепрезентативные критические точки можно удалить из дКР, оставив только значимые. На фиг.5 показан дКР после удаления.For example, from table 1 it follows that for some critical points their significance is extremely small, less than a percent. This is a sign that the corresponding critical points are the result of computational noise when calculating the surface. These unrepresentative critical points can be removed from the DKR, leaving only significant ones. Figure 5 shows the DKR after removal.

Введем случайный равномерный на интервале [-0.5 0.5] шум в высотные координаты функции, изображенной на фиг.3а. Результаты построения изолиний такой поверхности и вычисленное для нее дКР представлены на фиг.6.We introduce a random noise uniform over the interval [-0.5 0.5] into the altitudinal coordinates of the function depicted in Fig. 3a. The results of constructing the isolines of such a surface and the DKR calculated for it are presented in Fig.6.

Из последнего примера следует, что предложенный метод чувствителен к шумовой составляющей. Поэтому он может быть эффективным инструментом в алгоритме предварительного сглаживания поверхности рельефа дна, полученной по измеренным глубинам. Кроме того, приведенные примеры показывают, что подобие двух поверхностей одного участка рельефа можно в первом приближении установить, используя значимые критические точки. Если значимость и пространственные координаты имеют достаточно близкие (с точки зрения решаемой задачи) значения, то соответствующие поверхности подобны. Другие, более тонкие, методы сравнения следует применять после проверки этого соответствия. Для иллюстрации этого утверждения на фиг.6 отображены два дКР для репрезентативных критических точек поверхностей, изображенных на фиг.3 и фиг.6, а в таблице 2 представлены величины значимости для репрезентативных точек этих поверхностей. Последние незначительно меняются под действием шума (таблица 2).From the last example it follows that the proposed method is sensitive to the noise component. Therefore, it can be an effective tool in the algorithm for preliminary smoothing of the bottom topography obtained from the measured depths. In addition, the above examples show that the similarity of two surfaces of the same relief site can be established to a first approximation using significant critical points. If the significance and spatial coordinates have rather close (from the point of view of the problem being solved) values, then the corresponding surfaces are similar. Other, more subtle, comparison methods should be applied after checking this correspondence. To illustrate this statement, FIG. 6 shows two DCDs for representative critical points of the surfaces depicted in FIG. 3 and FIG. 6, and Table 2 shows the significance values for representative points of these surfaces. The latter changes slightly under the influence of noise (table 2).

Таблица 2table 2

Величины интервала устойчивости и значимости для репрезентативных критических точекThe values of the interval of stability and significance for representative critical points Номер точкиPoint number Величина интервала устойчивости критической точкиThe value of the stability interval of the critical point Величина интервала устойчивости критической точкиThe value of the stability interval of the critical point Величина значимости крити
ческой точки
Criticality
point
Величина значимости крити
ческой точки
Criticality
point
Без шумаNo noise С шумомWith noise Без шумаNo noise С шумомWith noise 1one 14,5714.57 14,6414.64 1one 1one 22 14,5714.57 14,6414.64 1one 1one 33 3,033.03 3,033.03 0,207860.20786 0,206910,20691 4four 3,033.03 3,033.03 0,207860.20786 0,206910,20691 55 2,782.78 2,672.67 0,190860,19086 0,182000.18200 66 2,782.78 2,672.67 0,190860,19086 0,182000.18200 77 1,281.28 1,301.30 0,087960.08796 0,088970,08897 88 1,2801,280 1,301.30 0,087960.08796 0,088970,08897

Определение репрезентативных критических точек представляет практическую ценность с точки зрения выявления шумовых возмущений в поверхности и сравнения двух поверхностей между собой. Дерево Кронрода-Риба является основным инструментом и структурой представления топологических и геометрических особенностей репрезентативных критических точек поверхности рельефа. Проблема выявления репрезентативности (значимости) критических точек рельефа с помощью ЭВМ решается путем использования представления гладкой непрерывной поверхности рельефа дна деревом Кронрода-Риба. Такая параметризация поверхности позволяет выявить значимые критические точки поверхности с учетом ее топологической структуры. Данный метод позволяет выявить шумовые возмущения в данных о поверхности и осуществить сравнение топологических свойств двух или нескольких поверхностей, полученных по результатам гидроакустических измерений. Совокупность общих с прототипом и отличительных признаков обеспечивает появление новых свойств у предлагаемого способа, а именно:The determination of representative critical points is of practical value from the point of view of detecting noise disturbances in a surface and comparing two surfaces with each other. The Kronrod-Riba tree is the main tool and structure for representing the topological and geometric features of representative critical points of the relief surface. The problem of identifying the representativeness (significance) of critical relief points using a computer is solved by using the representation of a smooth continuous surface of the bottom relief of the Kronrod-Riba tree. Such surface parametrization makes it possible to identify significant critical points of the surface, taking into account its topological structure. This method allows you to identify noise disturbances in the surface data and to compare the topological properties of two or more surfaces obtained from sonar measurements. The combination of common with the prototype and distinctive features provides the appearance of new properties of the proposed method, namely:

- повышение достоверности определения порядковой нумерации ряда наклонных расстояний, соответствующих интерференционным максимумам;- increasing the reliability of determining the ordinal numbering of a series of sloping distances corresponding to interference maxima;

- упрощен процесс разрешения неоднозначности измерений;- simplified the process of resolving the ambiguity of measurements;

- обеспечивается автоматизация определения глубин и их относительных координат в реальном масштабе времени без визуализации интерференционных полос и использования вспомогательной антенной базы;- provides automation of determining depths and their relative coordinates in real time without visualizing interference fringes and using an auxiliary antenna base;

- определение репрезентативных критических точек рельефа позволяет выявить шумовые возмущения в данных о поверхности и осуществить сравнение топологических свойств двух или нескольких поверхностей, полученных по результатам гидроакустических измерений. Техническая реализация способа осуществляется посредством гидролокатора бокового обзора, имеющего промышленную применимость и на отработанном программном математическом обеспечении. Источники информации.- determination of representative critical points of the relief reveals noise disturbances in the surface data and compares the topological properties of two or more surfaces obtained from hydroacoustic measurements. The technical implementation of the method is carried out by means of a side-scan sonar, which has industrial applicability and on well-developed mathematical software. Information sources.

1. О некоторых особенностях обработки интерференционных эхограмм//Записки по гидрографии. Л.: ГУНиО МО СССР, №203,1979, с.11-16.1. On some features of the processing of interference echograms // Notes on hydrography. L .: GUNiO of the Ministry of Defense of the USSR, No. 203.1979, pp. 11-16.

2. Тарасюк Ю.Ф. Дистанционный промер глубин//Судостроение за рубежом, 1975, №1, с.104-105.2. Tarasyuk Yu.F. Remote measurement of the depths // Shipbuilding abroad, 1975, No. 1, pp. 104-105.

3. Наумов Е.А. Использование явления интерференции звуковых волн для определения угла наклона дна//Судовождение. Сборник научных трудов ЛВИМУ им. С.О.Макарова, 1974, вып.14, с.252-255.3. Naumov EA Using the phenomenon of interference of sound waves to determine the angle of inclination of the bottom // Navigation. Collection of scientific papers LVIMU them. S.O. Makarova, 1974, issue 14, p. 252-255.

Claims (1)

Способ определения глубин в реальном масштабе времени при обследовании рельефа дна гидролокатором бокового обзора с последующим его восстановлением, включающий измерения времени задержки синфазных сигналов донной реверберации, принимаемых двумя антеннами, разнесенными по вертикали на несколько длин волн упругих колебаний, и разрешение неоднозначности измерений, вычисление глубин, отличающийся тем, что при каждом совпадении фаз интерферирующих сигналов регистрируют мгновенное значение частоты сигнала в нижнем канале, измеряют время запаздывания появления сигнала в верхнем канале с тем же значением мгновенной частоты, измеренное значение времени запаздывания умножают на значение рабочей частоты интерферометра, определяют порядковую нумерацию ряда измерений задержки прихода синфазных сигналов в период каждого зондирования в реальном масштабе времени, глубины вычисляют, соответствующие каждой интерференционной полосе, а при последующем восстановлении рельефа дна по измеренным глубинам выполняют оценку репрезентативности (значимости) критических точек рельефа путем представления гладкой непрерывной поверхности рельефа дна деревом Кронрода-Риба. A method for determining depths in real time when examining the bottom topography with a side-scan sonar and then recovering it, including measuring the delay time of common-mode bottom reverb signals received by two antennas spaced apart vertically by several wavelengths of elastic vibrations, and resolving the ambiguity of measurements, calculating depths, characterized in that at each phase matching of the interfering signals, the instantaneous value of the signal frequency is recorded in the lower channel, the time is measured I delay the appearance of the signal in the upper channel with the same instantaneous frequency value, the measured value of the delay time is multiplied by the value of the operating frequency of the interferometer, determine the serial numbering of a number of measurements of the arrival delay of common-mode signals during each sounding in real time, the depths are calculated corresponding to each interference band and during the subsequent restoration of the bottom topography from the measured depths, the representativeness (significance) of critical points of the topography is assessed and by presenting a smooth, continuous bottom topography with the Kronrod-Riba tree.
RU2012144838/28A 2012-10-22 2012-10-22 Method for real-time determination of depth during bottom topography survey with side-scan sonar RU2521127C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012144838/28A RU2521127C2 (en) 2012-10-22 2012-10-22 Method for real-time determination of depth during bottom topography survey with side-scan sonar

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012144838/28A RU2521127C2 (en) 2012-10-22 2012-10-22 Method for real-time determination of depth during bottom topography survey with side-scan sonar

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012144838A RU2012144838A (en) 2014-04-27
RU2521127C2 true RU2521127C2 (en) 2014-06-27

Family

ID=50515251

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012144838/28A RU2521127C2 (en) 2012-10-22 2012-10-22 Method for real-time determination of depth during bottom topography survey with side-scan sonar

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2521127C2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114627367B (en) * 2022-05-17 2022-07-26 国家海洋局北海海洋技术保障中心 Sea bottom line detection method for side-scan sonar image

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2272303C1 (en) * 2004-10-25 2006-03-20 Николай Аркадьевич Нестеров Method for determining depths of body of water and device for realization of said method
RU2326408C1 (en) * 2006-10-02 2008-06-10 Виктор Алексеевич Авдонюшкин Method of reconstruction of sea ground terrain at discrete depth measurements by means of hydroacoustics and device for its implementation
RU2429507C1 (en) * 2010-03-16 2011-09-20 Сергей Петрович Алексеев Method of reconstructing sea bottom relief in depth measurement by hydroacoustic means and device to this end
RU2434246C1 (en) * 2010-03-16 2011-11-20 Сергей Борисович Курсин Method of surveying bottom topography of water bodies and apparatus for realising said method
RU2461845C1 (en) * 2011-04-28 2012-09-20 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации Hydroacoustic system for imaging underwater space

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2272303C1 (en) * 2004-10-25 2006-03-20 Николай Аркадьевич Нестеров Method for determining depths of body of water and device for realization of said method
RU2326408C1 (en) * 2006-10-02 2008-06-10 Виктор Алексеевич Авдонюшкин Method of reconstruction of sea ground terrain at discrete depth measurements by means of hydroacoustics and device for its implementation
RU2429507C1 (en) * 2010-03-16 2011-09-20 Сергей Петрович Алексеев Method of reconstructing sea bottom relief in depth measurement by hydroacoustic means and device to this end
RU2434246C1 (en) * 2010-03-16 2011-11-20 Сергей Борисович Курсин Method of surveying bottom topography of water bodies and apparatus for realising said method
RU2461845C1 (en) * 2011-04-28 2012-09-20 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации Hydroacoustic system for imaging underwater space

Also Published As

Publication number Publication date
RU2012144838A (en) 2014-04-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Worcester et al. A test of basin-scale acoustic thermometry using a large-aperture vertical array at 3250-km range in the eastern North Pacific Ocean
RU2326408C1 (en) Method of reconstruction of sea ground terrain at discrete depth measurements by means of hydroacoustics and device for its implementation
RU2550588C1 (en) Method of formation of parametric antenna in marine conditions
Besedina et al. Estimation of the depth of a stationary sound source in shallow water
WO2010101490A1 (en) Method for marine electrical exploration of oil and gas deposits
Sime et al. Automated processing to derive dip angles of englacial radar reflectors in ice sheets
Maleika Development of a method for the estimation of multibeam echosounder measurement accuracy
CN104316160B (en) Underwater signal instantaneous frequency demodulation method based on Wavelet Ridge
US9733374B2 (en) Repeatability indicator based on shot illumination for seismic acquisition
Baker Determination of Far‐Field Characteristics of Large Underwater Sound Transducers from Near‐Field Measurements
Mitchell Processing and analysis of Simrad multibeam sonar data
RU2537472C1 (en) Hydroacoustic system for detecting submerged moving sound source and measuring coordinates thereof in shallow sea
Xu et al. Refraction error correction of Airborne LiDAR Bathymetry data considering sea surface waves
RU2521127C2 (en) Method for real-time determination of depth during bottom topography survey with side-scan sonar
WO2019049263A1 (en) Conversion program for simple profiling method (spm) and conversion method for simple profiling method (spm)
RU2304794C2 (en) Mode of hydrometeorologoacouctic observation over an area of water
Panyukov et al. The spectral statistical method for determining the location parameters of a dipole source of electromagnetic radiation
RU2300781C1 (en) Device for hydrometeorological observations of sea range water area
RU167401U1 (en) Side-View Interferometric Sonar
RU2541733C1 (en) Parametric profile recorder
RU2376612C1 (en) Method of hydrometeorological monitoring water body of sea test site and device to this end
RU2515419C1 (en) Method of measuring change in course angle of probing signal source
TAROUDAKIS Identifying modal arrivals in shallow water for bottom geoacoustic inversions
RU2515125C1 (en) Method of determining sound speed
Belcourt Bayesian geoacoustic inversion of seabed reflection data at the new england mud patch

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20171023