一种自适应多节点等效声速剖面的构建方法技术

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

Method for constructing adaptive multi node equivalent sound velocity profile

The invention discloses a method for constructing an adaptive multi node equivalent sound velocity profile, which belongs to the field of marine surveying and mapping data postprocessing, the first original sound velocity profile of the multi beam bathymetric surveying area of the collection, then the original sound velocity profile smoothing preprocessing, then according to the sound speed profiles are hierarchical Douglas Peucker algorithm principle. The velocity feature points by the layered thinning out drag to construct the ideal equivalent sound velocity profile, finally according to the initial incident angle and the result of delamination and known by the surface velocity measuring the surface acoustic speed, do the equivalent gradient ray tracing, observe the depth of the lateral projection velocity correction after correctly. The equivalent sound velocity profile can replace the original sound velocity profile of sound velocity correction, so it can be constructed by adaptive multi node equivalent sound velocity profile method to improve the efficiency of ray tracing, the invention not only reflects the highly adaptive, but also to ensure the accuracy of the late sound velocity correction.

【技术实现步骤摘要】
一种自适应多节点等效声速剖面的构建方法
本专利技术属于海洋测绘数据后处理领域，具体涉及一种自适应多节点等效声速剖面的构建方法。
技术介绍
多波束测深是目前国内海洋水深测量的主要技术手段之一，其具有高覆盖率、高精度、高效率等优点。多波束测深系统通过一组正交的发射基阵和接收基阵，向海底发射并接收反射或散射声波，根据声波入射角度和往返双程的时间基于Snell定律来计算海底测点的位置和深度。然而由于海洋环境的不均匀性和声线折射原理，使得声波在海水中传播时产生声速变化和声线弯曲现象，而声速变化和声线弯曲在很大程度上影响了多波束测深系统测量成果的质量和精度，是多波束测深数据系统误差的主要来源。所以想要获得高精度、高质量的多波束测深成果，就必须提出一种高效的、高精度的声速改正技术。传统的多波束声速改正方法，大多数还是依赖于实测的声速剖面根据时间最近原则或者位置最近原则进行改正的，而想要获取高精度的声速剖面数据是非常困难的。目前，声速剖面的获取方法主要有直接利用仪器测量获取和利用声速经验模型反演两种方法，而通过仪器测量声速剖面又有直接测量法(利用声速剖面仪直接测量声速)和间接测量法(利用CTD间接测量声速)，由CTD或声速剖面仪等声速剖面测量设备单次实测出的声速剖面节点的数据量可能会非常庞大，会大大降低数据处理的工作效率，甚至会导致一些多波束系统无法正常工作。针对这个问题，目前通常的解决办法是利用等间距分层的声线跟踪技术或者等效声速剖面法来改进声速改正模型。广泛采用的等间距分层方法随着分层密度的增加，越接近原声速剖面，得到的测深结果精度也就越高，但随之而来的是计算量也会大大增加。
技术实现思路
鉴于等间距分层中测深精度和计算量之间的矛盾，本专利技术提出了一种基于声线跟踪的自适应多节点等效声速剖面的构建方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种自适应多节点等效声速剖面的构建方法，能够实现任意声速剖面在满足测深精度条件下根据声速分布变化的自适应非等间距分层搜索，并能有效控制分层数量，包括以下步骤：步骤1，首先需要通过CTD或声速剖面仪等声速剖面测量设备按一定采样密度获取测区范围内的声速剖面，测量时尽量减小误差因素对声速剖面测量的影响，以获取比较优质的声速剖面；步骤2，通过CTD或声速剖面仪等声速剖面测量设备单次测得的声速剖面数据往往存在一定的测量误差，在使用前，需要对实测声速剖面进行平滑处理，处理掉一些测量时无法避免的观测误差；步骤3，根据Douglas-Peucker算法原理，需要在声速剖面上选取两个声速节点，实际操作中通常选取剖面曲线两端点，即第一个点P1(c(1),z(1))和最后一个点PN(c(N),z(N))，然后将两个端点连接成一条直线，然后按照公式(1)计算声速剖面上其他各点到这条直线的距离Di；其中，c(1)、z(1)为P1点对应的声速值和深度值，同理，c(N)、z(N)分别为PN点对应的声速值和深度值；步骤4，根据实际情况设定一定的阈值δ，若由上述距离公式计算出的距离Di中的最大值{Di}max<δ，则将中间所有的点都舍去，只保留两个端点；若{Di}max≥δ，则保留剖面点中到直线距离最大的中间点，并以该点为分界点，将整个声速剖面分成两部分，之后再对分开的每个部分分别重复步骤3、步骤4所述的过程，直到没有点再被舍弃为止；步骤5，将根据步骤4中经过Douglas-Peucker算法抽稀出的相邻声速特征点用线段连接起来，并设置成可拖动的节点，根据面积差为零的原理，左右拖动节点，使构建的声速剖面与坐标轴围成的面积尽量接近原声速剖面与坐标轴围成的面积，即原声速剖面分布于等效声速剖面两侧的面积之差接近于零，拖动声速节点的直观效果可通过以下方法来检验，在原声速剖面的测量区域范围内选择一处地形平坦的海底地形数据，在对数据做了一些简单的处理但是不做声速改正时，其海底地形的侧投影会表现出边缘波束上翘(或下弯)的现象，即每段地形呈现“笑脸”(或“哭脸”)形状，若声速节点调节合适，即使用理想的等效声速剖面对海底地形数据进行改正，其边缘波束便归于平整，实现地形间的无缝拼接，如果声速节点调节的不正确，则其边缘波束仍然会出现上翘(或下弯)的现象，则继续通过人工手动调节声速节点，使得边缘波束归于平整。使边缘波束归于平整时的声速剖面即为最终想要得到的等效声速剖面。步骤6，根据步骤4中得到的分层结果及初始入射角和表层声速仪测得的表层声速，做等效梯度声线跟踪，确定波束脚印相对船体坐标系的坐标，假设自适应分层的结果共为n层，则定义第i层(i＝1，2，…，n)的上层面深度值为zi-1，下层面深度值为zi，对应深度zi有掠射角αi和声速值ci。等梯度近似情况下，设第i层内声速梯度为gi，则任意深度处的声速c(z)便可以计算出来，声线在同一层内为曲率恒定的圆弧，圆弧的曲率半径对应为Ri，任意层内的水平位移xi可利用几何关系计算，累加即可得目标与基阵之间的水平距离x：优选地，所述的步骤1中，海水的声速可以通过声速剖面仪直接测量法和经验公式间接测量法两种方法求得。具体方式如下：a.其中，利用声速剖面仪获取声速剖面时为直接获取，在靠近声速仪探头顶端装有高频“环鸣”传感器和相关的反射器，这一对精确安置的配件依照它们已知的间距，发射和接收信号，从而量测水中的声速；b.利用CTD测量时是通过仪器各传感器获取海水的温度、盐度和深度，然后根据一定参数的声速经验公式计算出的各深度下的声速值。优选地，所述的步骤4中，实际过程通过编程实现，具体实施步骤为：a.比较各声速点到两端点(或两特征节点)连线的距离，将距离的最大值赋给Dmax；b.根据实际情况和想要分的层数确定阈值δ的大小；c.比较Dmax与阈值δ的大小；d.根据比较结果进行取舍，保留的特征点与两端点(或两特征节点)连线，重复以上步骤，直至没有满足条件的特征点出现。优选地，所述的步骤5中，具体实施步骤为：a.根据实际情况调节声速节点；b.然后将调整过的声速剖面载入多波束数据后处理软件中，对选取测区内仍未做声速改正的测深数据做声速改正；c.通过观察做完声速改正之后的地形侧投影情况，调节声速节点，以不出现“哭脸”、“笑脸”地形为标准，使两ping间的地形完美平整的拼接在一起。优选地，所述的步骤6中，实际过程通过编程实现，具体实施步骤为：a.根据保留的相邻两节点的声速值ci-1、ci，计算层内梯度gi；b.计算曲率半径R；c.根据ci处入射角和曲率半径R确定层内圆弧圆心，以确定的圆心和半径画园弧，即得到第i层内等梯度声线跟踪结果。优选地，所述的步骤1中，利用声速剖面仪根据脉冲循环法直接获取声速剖面的方法基于公式其中，C为测得的声速值，d为声速剖面仪发射、接收换能器之间的精确距离，t为测量脉冲信号传播的时间。脉冲循环法是目前应用最广的声速测量方法，此类声速仪的精度一般可以达到每秒亚米级。利用CTD间接测量时，直接测得海水的温度、盐度和压力随深度的变化，进而通过经验公式来计算声速。根据不同实际情况选择不同参数的经验公式。优选地，所述的步骤6中，层内梯度gi的计算公式为其中，ci-1、ci分别为第i层上层面声速值和下层面声速值；任意深度处的声速c(z)的计算本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自适应多节点声速剖面的构建方法，采用包括声速剖面仪或CTD在内的声速剖面测量设备、多波束以及安装在多波束上的表层声速仪，其特征在于，按照如下步骤进行：步骤1：通过声速剖面测量设备获取测区范围内的声速剖面数据；步骤2：对步骤1中的声速剖面数据进行平滑处理；步骤3：根据Douglas‑Peucker算法原理，在声速剖面上选取两个声速节点，并将这两个声速节点连接成一条直线，然后按照公式(1)，计算出声速剖面上其余各点到上述直线的距离D

【技术特征摘要】
1.一种自适应多节点声速剖面的构建方法，采用包括声速剖面仪或CTD在内的声速剖面测量设备、多波束以及安装在多波束上的表层声速仪，其特征在于，按照如下步骤进行：步骤1：通过声速剖面测量设备获取测区范围内的声速剖面数据；步骤2：对步骤1中的声速剖面数据进行平滑处理；步骤3：根据Douglas-Peucker算法原理，在声速剖面上选取两个声速节点，并将这两个声速节点连接成一条直线，然后按照公式(1)，计算出声速剖面上其余各点到上述直线的距离Di其中，c(1)、z(1)分别为声速剖面上的第一个点对应的声速值和深度值，c(N)、z(N)分别为声速剖面上的最后一个点对应的声速值和深度值；步骤4：根据Douglas-Peucker算法抽稀出声速特征点，具体包括如下步骤：步骤4.1：根据公式(1)计算出距离Di中的最大值{Di}max；步骤4.2：确定阈值δ的大小；步骤4.3：比较{Di}max与阈值δ的大小；若：比较结果为{Di}max<δ，则只保留声速剖面的两个端点；或比较结果为{Di}max≥δ，则保留声速剖面的两个端点以及{Di}max对应的声速节点，并以{Di}max对应的声速节点为分界点，将整个声速剖面分成两部分；步骤4.4：对步骤4.3中分开的每个部分分别重复步骤3、步骤4，直到没有声速节点再被舍弃为止；步骤5：将步骤4中经过Douglas-Peucker算法抽稀出的声速特征点连接起来，并设置成可拖动的声速节点，根据面积差为零的原理，左右拖动声速节点，构建等效声速剖面，即使构建的等效声速剖面与坐标轴围成的面积与原声速剖面与坐标轴围成的面积之差接近于零；步骤6：根据步骤4中得到的分层结果及初始入射角和表层声速仪测得的表层声速，做等梯度声线跟踪。2.根据权利要求1所述的自适应多节点等效声速剖面的构建方...

【专利技术属性】
技术研发人员：阳凡林，胡浩，闫循鹏，石波，卜宪海，宿殿鹏，卢秀山，冯成凯，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东,37