一种顾及换能器瞬时姿态耦合效应的水深改正方法技术

本发明专利技术一种顾及换能器瞬时姿态耦合效应的水深改正方法，通过计算不同波束角测深仪换能器的波束脚印的宽度、计算声波传播范围内中心定标点的坐标、确定测线方向上的局部水底地形的坡度、计算波束角和换能器瞬时姿态耦合效应下的波束相对水底的相对侧滚角和相对俯仰角，以确定实际最短回波点与垂直方向的夹角；计算所述实际最短回波点相对所述中心定标点在船体坐标系的位移；该方法针对不同发射角的单波束测深系统具有通用性，易于采用计算机编程实现，不增加计算步骤的复杂性；采用本方法进行数据处理，能显著提升在水下地形的陡坡区域的测量精度和可靠性。精度和可靠性。精度和可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种顾及换能器瞬时姿态耦合效应的水深改正方法


[0001]本专利技术涉水深测量领域，尤其涉及一种顾及换能器瞬时姿态耦合效应的水深改正方法。

技术介绍

[0002]水深测量是海洋测绘的基本内容，是制作水下地形图的基本依据，准确的水深测量数据直接影响地形图精度，对航行安全、工程设计、施工和工作量计量至关重要，而常见的水深测量的设备是回声测深仪。
[0003]在水深测量过程中，受水流和波浪等因素的影响，测深仪换能器的姿态每时每刻都在变化，导致换能器发出的声波一般都不是垂向发射到水底，而是呈现一定的角度射向水底，在水底某个区域内被反射后由测深仪换能器接受，计算出声波传播的时间和距离。理想情况下，换能器发射的声波是窄波束，波束角越窄越好，实际上，限于制作工艺，换能器总是存在一个波束角θ,导致声波总是覆盖一定区域的河床底部，被换能器接受和数字化成水深的是最先接收到的最短路径上的声波，声波反射点的实际位置和水深与换能器的波束角、反射点位置的地形坡度、换能器的瞬时姿态相关。如何最大限度地削弱波束角和姿态耦合的影响从而得到精确的测点位置和水深一直是一个难题，当水底不平坦的时候，这个问题变得更加复杂了，在陡坡区域，若不考虑以上的因素，将给测量精度带来严重的影响。从目前来看，一般的水深数据处理软件只考虑其中的一个因素，数据处理的精度和可靠性受到限制。因此，研究在水底呈现一定坡度条件下，针对顾及波束脚印宽度和波束角与换能器瞬时姿态耦合效应的水深改正方法的研究就显得非常有必要和意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种顾及换能器瞬时姿态耦合效应的水深改正方法，能较大程度地削弱换能器波束角和水底坡度的影响，提高水深测量特别是陡坡水域水深测量的精度和可靠性。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：本专利技术提供了一种顾及换能器瞬时姿态耦合效应的水深改正方法，包括以下步骤：S1、计算不同波束角测深仪换能器的波束脚印的宽度，所述波束脚印的宽度为：（1）其中，为声波发射角，为固定值；为换能器中心至中心定标点的距离；S2、计算声波传播范围内中心定标点的坐标，从而确定计算局部水底坡度的前后两个点的位置；所述中心定标点的坐标的计算为：
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（2）
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（3）（4）（5）（6）（7）其中，为换能器中心至中心定标点的距离，中心定标点显示出的水深值；为GNSS相位中心到换能器中心的距离；和分别为中心定标点的瞬时俯仰角和横滚角；为船体轴线与测量坐标系纵轴的夹角；和分别为中心定标点的瞬时GNSS相位中心的北方向和东方向坐标；为中心定标点相对于船体坐标系纵向的位移；为中心定标点相对于船体坐标系横向的位移；为中心定标点相对于测量坐标系纵向的位移；为中心定标点相对于测量坐标系横向的位移；S3、确定测线方向上的局部水底地形的坡度；S4、计算波束角和换能器瞬时姿态耦合效应下的波束相对水底的相对侧滚角和相对俯仰角，以确定实际最短回波点与垂直方向的夹角；S5、计算所述实际最短回波点相对所述中心定标点在船体坐标系的位移、；S6、计算所述实际最短回波点相对所述中心定标点在测量坐标系下的相对偏移；S7、计算所述实际最短回波点在测量坐标系下的坐标和改正后的水深。
[0006]进一步，根据所述中心定标点的坐标和波束脚印的宽度，以所述中心定标点的坐标为圆心、以为半径，搜索水深采样点前后的测点，前进方向靠近搜索边缘的测点记为，尾部方向最靠近搜索边缘的测点记为，和的水深分别为、，和间的距离记为；则，
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（8）其中，为局部水底地形的坡度；的取值在
‑
90度与90度之间；
‑
90度表示下坡；90度表示上坡。
[0007]进一步，所述相对侧滚角和相对俯仰角为：
设，其中，为瞬时俯仰角与水底坡度角之差；若，则实际最短回波点在轴线方向上为波束后边缘，此时，相对俯仰角；若，则实际最短回波点在轴线方向上为波束前边缘，此时，相对俯仰角；若，则实际最短回波点不在波束边缘，而在波束中的某个位置，此时，相对俯仰角；若，相对侧滚角；其中，为代表换能器测量过程中某时刻的横滚角；若，相对侧滚角；若，相对侧滚角；根据所述相对俯仰角和所述相对横滚角，重新计算位置偏移值：
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（9）。
[0008]进一步，所述实际最短回波点的坐标和测量水深值分别为：
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（10）。
[0009]本专利技术的有益效果为：该方法针对不同发射角的单波束测深系统具有通用性，易于采用计算机编程实现，不增加计算步骤的复杂性；采用本方法进行数据处理，能显著提升在水下地形的陡坡区域的测量精度和可靠性。
附图说明
[0010]图1为一种顾及换能器瞬时姿态耦合效应的水深改正方法的原理图；图2 为实施例一中测量区域的示意图。
具体实施方式
[0011]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0012]请参阅图1，其中，为换能器声学中心；为GPS的定位中心，、、三点共线；为铅垂线方向；为声波传播范围内的中心线；为波束角；为测船俯仰角；为局部地形坡度；为不考虑波束角与姿态耦合效应条件下最短声波反射点；为考虑波束角与姿态耦合效应条件下实际最短声波反射点；、为不考虑波束角与姿态耦合效应的波束边缘；、为实际的波束边缘；、为测线上一系列的声波反射点；、为分别为靠近波束边缘附近的某一声波反射点。
[0013]测深仪声波如同一束手电筒的光波一样，从测深仪换能器被发射出去，其传播被限制在一个一定角度（所谓的波束角）的区域内，到达水底时，其声波覆盖的范围为一个一定范围的圆或者椭圆区域，此区域即为所谓的“波束脚印”，波束脚印的形状与换能器的物理构造有关，波束脚印范围内声波如同无数束宽度为“零”的“光”，遇到障碍物时被反射，反射回的所有声波都被换能器所接收，换能器通过声波发射到反射时传播的时间，结合声波在水体中的实际传播速度，测量出传播路径长度，路径最短的声波最先被水底反射和换能器接收，测深仪记录的是最先到达的声波的传播路径长度。当声波垂直发射并被垂直反射时，此路径长度就是实际的水深。
[0014]以上只是理想下的情况，由于换能器安装、测船姿态变化和波浪等因素的影响，测深仪发射的声波多数情况下并不垂直向下发射，河床底部也常常有一定的坡度，如图1所示，当换能器垂直发射声波时，声波被限制在与间的区域传播（和的夹角为，即所谓的波束角），当水底是水平时，从最近点N点被反射和接收，所测量的距离即为水深，由于有俯仰角的存在（先讨论船艏方向俯仰角对声波传播的影响），实际声波传播的区域被限制在和之间，由于河床底部的不平坦，声波的实际最先被反射的点为，本专利技术的核心即为如何合理地计算反射的点的坐标。
[0015]从图1可以看出，G是定位设备GPS的中心，、、三点共线，想要计算出实际最短回波点本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种顾及换能器瞬时姿态耦合效应的水深改正方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、计算不同波束角测深仪换能器的波束脚印的宽度，所述波束脚印的宽度为：（1）其中，为声波发射角，为固定值；为换能器中心至中心定标点的距离；S2、计算声波传播范围内中心定标点的坐标，从而确定计算局部水底坡度的前后两个点的位置；所述中心定标点的坐标的计算为：
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（2）
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（3）（4）（5）（6）（7）其中，为换能器中心至中心定标点的距离，中心定标点显示出的水深值；为GNSS相位中心到换能器中心的距离；和分别为中心定标点的瞬时俯仰角和横滚角；为船体轴线与测量坐标系纵轴的夹角；和分别为中心定标点的瞬时GNSS相位中心的北方向和东方向坐标；为中心定标点相对于船体坐标系纵向的位移；为中心定标点相对于船体坐标系横向的位移；为中心定标点相对于测量坐标系纵向的位移；为中心定标点相对于测量坐标系横向的位移；S3、确定测线方向上的局部水底地形的坡度；S4、计算波束角和换能器瞬时姿态耦合效应下的波束相对水底的相对侧滚角和相对俯仰角，以确定实际最短回波点与垂直方向的夹角；S5、计算所述实际最短回波点相对所述中心定标点在船体坐标系的位移、；S6、计算所述实际最短回波点相对所述中心定标点在测量坐标系下的相对偏移；S7、计算所述实际最短回波点在测量坐标系下的坐标和改正后的水深。2.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴敬文，刘传杰，杜亚南，陈建民，盛青，王露，付五洲，唐敏炯，
申请(专利权)人：长江水利委员会水文局长江口水文水资源勘测局长江水利委员会水文局长江口水环境监测中心，
类型：发明
国别省市：