一种船体涌动频谱相关性的多波束条纹测深影响消除方法技术

本发明专利技术提供一种船体涌动频谱相关性的多波束条纹测深影响消除方法，用于获取高精度的多波束测深数据和水下地形，利用多波束沿航迹异常条纹测深结果与船体涌动Heave在频段上的相关性来消除其影响，解决多波束测深中异常条纹影响的消除难题。本发明专利技术专利填补了该问题解决方法的空白，理论方法严密，具有高精度、高质量、低成本、低风险和实施方便等优点。低风险和实施方便等优点。低风险和实施方便等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种船体涌动频谱相关性的多波束条纹测深影响消除方法


[0001]本专利技术涉及水文测量领域，尤其涉及一种船体涌动频谱相关性的多波束条纹测深影响消除方法。

技术介绍

[0002]水下地形是最基础的地理要素，在河床演变、河势监测、水域治理、水资源利用等领域具有重要的应用价值。目前，水下地形常借助单波束测深系统或多波束测深系统，通过水下地形测量方式来获得，相较单波束测深系统，多波束测深系统一次测量可以获得100～500个测深点，可对水下地形实现条带式、全覆盖扫测，显著提高了测深效率，已成为当前水下地形测量的主要手段。
[0003]多波束测深系统是一个由多元传感器组成的综合系统，换能器安装偏差、姿态传感器安装偏差、罗经校准偏差、声速误差、时间同步误差等均会给最终的测深结果带来显著的系统性误差影响。这些因素的影响存在各自的特点，但其影响一般均呈现测深误差随着波束入射角和深度的增大而增大的特点。为了最大限度地削弱或控制上述误差对多波束测深的影响，在测量前，需要对设备进行严格的校准。但在浅水多波束测量结果中一种影响常常出现，即沿着测线实测地形中常出现条纹状异常测深结果。不同于水下波纹地形或沙波地形，这种条纹状结果是与航迹向垂直，且在多波束测量的断面地形中呈现一定规律性的、整体的起伏变化，这种变化特点不同于声速误差、传感器安装偏差等带来随角度变化的系统性影响特点。不同于沙波等引起的水下条纹地形，多波束条纹状异常测深常出现在Ping即，一次测量形成的断面地形间，其影响幅度相对较小，一般只有20～40cm，在深水测量中这种影响基本淹没在其它测深误差中，而在浅水多波束测量中该影响尤其明显。现有的研究主要针对多波束测深数据中的粗差和由声速等引起的随角度变化的系统误差的影响削弱，而对常出现的沿航迹向的条纹状异常测深结果的消除研究却少有文献。
[0004]通过研究发现，多波束沿航迹条纹测深异常在Ping断面地形内呈现整体的变化，在Ping断面间呈现随机的变化特点，与涌浪传感器监测的船体垂直涌动具有很强的相关性。据此，利用这种相关性，提出对船体涌动数据Heave开展频谱分析，提取其涌动变化的频段范围，然后从实测的多波束沿航迹向断面地形数据中去除该部分频段信息的影响，进而实现沿航迹异常条纹地形的消除。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种船体涌动频谱相关性的多波束条纹测深影响消除方法，解决了多波束沿航迹测深异常的消除难题，确保了浅水多波束测深成果对水下地形的正确反映。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
[0007]本专利技术提供了一种船体涌动频谱相关性的多波束条纹测深影响消除方法，包括以下步骤：
[0008]S1、对船体涌动参数Heave进行高通滤波，由于船体的涌动变化主要因素是船体操纵和波浪，且在匀速船速下主要受波浪的影响，即设置截至频率为1/30Hz，截至周期为0.5分钟：
[0009]Heave0＝HFFT(Heave,1/30) (1)
[0010]其中，Heave0为消除系统误差后的船体涌动数据；Heave为原始观测的船体涌动数据；HFFT为设计的高通滤波器；
[0011]S2、对Heave0开展频谱分析，提取有效频段范围；
[0012]S3、提取沿航迹向的地形断面，以形成波束序列集；
[0013]S4、对所述波束序列集中的每个序列构建地形趋势二次多项式函数，并借助2σ/3σ原则，实现各个序列中粗差的剔除，其中σ为模型的标准差；
[0014]S5、对剔除粗差的序列分别进行频谱转换，并将频率在[C1,C2]中的能量谱赋予0，以得到的频域内结果开展逆FFT变换，则消除所述序列中异常起伏变换的影响，其中，C1,C2为比例阈值；
[0015]S6、沿着测线，一次排放测深序列，跟新所述波束序列集给出的原始序列中的水深值。
[0016]进一步，所述S2中，有效频段范围的提取方法为：
[0017]S201、判断Heave0数据频谱的峰值范围所在的小区间[yz1,yz2]，即[0,0.1]作为参考区间，在所述参考区间内部进行下一步的搜索；
[0018]S202、计算频谱数据在[yz1,yz2]上的积分，记为S
yz
：
[0019][0020]其中，P为对应频率f的能量谱；S
yz
为在频段[yz1,yz2]的积分结果；
[0021]S203、确定峰值范围的左侧端点，记为n1，使所述左侧端点由yz1为起点，逐步增大至yz2，计算频谱数据在[n1，yz2]上的积分值，记为S1，并计算S1与整个区间内频谱积分值的比值，记为p1＝S1/S
yz
，显然初始值为1，同时给出左侧端点对应的比例阈值C1；
[0022]当p1＜C1时，记录截止频率，取此时的n1为左侧端点；
[0023]S204、计算峰值范围的右侧端点，记为n2，使所述右侧端点由yz2逐步减小至yz1，计算频谱数据在[yz1,n2]上的积分值，记为S2，计算S2与整个区间内频谱积分值的比值，记为p2＝S2/S
yz
，并给出比例阈值C2；
[0024]当p2＜C2时，记录截止频率，取此时的n1为右侧端点；
[0025][n1,n2]为得到的Heave数据频谱的峰值分别范围。
[0026]进一步，所述S3中，波束序列集的形成方法为：
[0027]多波束一次测量存在2m+1个波束，将航迹线位置的波束测深点序列标为0序列，即Sort0；往左侧波束(
‑
1，
‑
2，
…‑
m)形成的序列依次为Sort
‑1，Sort
‑2，
…
Sort
‑
m
；往右侧波束(1，2，
…
m)形成的序列依次为Sort1，Sort2，
…
Sort
m
，即所述波束序列集为：
[0028][0029]其中，n为沿航迹时序观测的ping号，m为波束号；
‑
1～
‑
m为左侧波束号；1～m为右侧波束号，中央波束号为0。
[0030]进一步，所述S4中，所述地形趋势二次多项式函数的形式为：
[0031]F(d)＝D＝a0+a1d+a2d2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0032]其中，F为建立的沿航迹地形断面趋势函数；自变量d为ping编号，d∈[1,n]，则据此建立如下方差组：
[0033][0034]形成如下矩阵形式：
[0035]D＝AX+ε
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0036]其中，D＝[D1,D2,
…
,D
n
‑1,D
n
],
[0037]根据最小二乘原理解算X＝[a0,a1,a2]为：
[0038]X＝(A
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种船体涌动频谱相关性的多波束条纹测深影响消除方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、对船体涌动参数Heave进行高通滤波，由于船体的涌动变化主要因素是船体操纵和波浪，且在匀速船速下主要受波浪的影响，即设置截至频率为1/30Hz，截至周期为0.5分钟：Heave0＝HFFT(Heave,1/30)
ꢀꢀꢀ
(1)其中，Heave0为消除系统误差后的船体涌动数据；Heave为原始观测的船体涌动数据；HFFT为设计的高通滤波器；S2、对Heave0开展频谱分析，提取有效频段范围；S3、提取沿航迹向的地形断面，以形成波束序列集；S4、对所述波束序列集中的每个序列构建地形趋势二次多项式函数，并借助2σ/3σ原则，实现各个序列中粗差的剔除，其中σ为模型的标准差；S5、对剔除粗差的序列分别进行频谱转换，并将频率在[C1,C2]中的能量谱赋予0，以得到的频域内结果开展逆FFT变换，则消除所述序列中异常起伏变换的影响，其中，C1,C2为比例阈值；S6、沿着测线，一次排放测深序列，跟新所述波束序列集给出的原始序列中的水深值。2.根据权利要求1所述的一种船体涌动频谱相关性的多波束条纹测深影响消除方法，其特征在于，所述S2中，有效频段范围的提取方法为：S201、判断Heave0数据频谱的峰值范围所在的小区间[yz1,yz2]，即[0,0.1]作为参考区间，在所述参考区间内部进行下一步的搜索；S202、计算频谱数据在[yz1,yz2]上的积分，记为S
yz
：其中，P为对应频率f的能量谱；S
yz
为在频段[yz1,yz2]的积分结果；S203、确定峰值范围的左侧端点，记为n1，使所述左侧端点由yz1为起点，逐步增大至yz2，计算频谱数据在[n1，yz2]上的积分值，记为S1，并计算S1与整个区间内频谱积分值的比值，记为p1＝S1/S
yz
，显然初始值为1，同时给出左侧端点对应的比例阈值C1；当p1＜C1时，记录截止频率，取此时的n1为左侧端点；S204、计算峰值范围的右侧端点，记为n2，使所述右侧端点由yz2逐步减小至yz1，计算频谱数据在[yz1,n2]上的积分值，记为S2，计算S2与整个区间内频谱积分值的比值，记为p2＝S2/S
yz
，并给出比例阈值C2；当p2＜C2时，记录截止频率，取此时的n1为右侧端点；[n1,n2]为得到的Heave数据频谱的峰值分别范围。3.根据权利要求2所述的一种船体涌动频谱相关性的多波束条纹测深影响消除方法，其特征在于，所述S3中，波束序列集的形成方法为：多波束一次测量存在2m+1个波束，将航迹线位置的波束测深点序列标为0序列，即Sort0；往左侧波束(
‑
1，
‑
2，
…‑
m)形成的序列依次为Sort
‑1，Sort
‑2，
…
Sort
‑
m
；往右侧波束(1，2，
…
m)形成的序列依次为Sort1，Sort2，
…
Sort
m
，即所述波束序列集为：Sort
‑
m
＝{D1,D2,
…
,D
n
‑1,D
n
}
‑
m
Sort
‑
(m
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1)
＝{D1,D2,
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n
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…ꢀꢀꢀ…
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‑2＝{D1,D2,
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n
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}
‑2Sort
‑1＝{D1,D2,
…
,D
n
‑1,D
n
}
‑1Sort0＝{D1,D2,
…

【专利技术属性】
技术研发人员：梅军亚，董先勇，郑亚慧，秦蕾蕾，白亮，袁晶，杨柳，杜泽东，师义成，邹红梅，刘陈飞，
申请(专利权)人：中国三峡建工集团有限公司，
类型：发明
国别省市：