【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于海洋测绘，尤其涉及一种面向全海深环境的海量声呐波束高效声线跟踪方法及系统。
技术介绍
1、海底地形测量是海洋测绘专业最主要的研究方向之一。通过该工作所得的高精度、高分辨率、全覆盖的海底地形信息既服务于水运交通运输、港口建设、海上钻井，还为地球形状研究、海底构造和空间特征提供基础性信息，在认识海洋、开发海洋资源，从而构建数字海洋、发展水下实景三维中发挥着极其重要的作用。
2、目前，现代海底地形探测手段主要以船载多波束测深技术为主，该技术每ping（波束一次发射与接收过程）能测量出与航迹线相垂直方向一定宽度（3~12倍水深）内成百上千个测深点的水深值，可以高效地测量水下目标的大小、形状和高低变化，具有高效率、高精度、高分辨率和全覆盖等优势，因此广泛应用于浅海和深海各类海底资源勘察、航道测量和水下考古等诸多领域。由于多波束测深系统的复杂性，当前其对应的数据处理软件仍基本依赖国外进口，不利于我国海洋领域全面、自主和灵活发展。如何高效、精确处理海量且复杂的多波束测深数据，一直是当前海洋测绘领域内的研究热点。
3、声线跟踪是多波束测深数据处理中的关键环节，其跟踪结果直接影响最终海底地形的质量。虽然常规声线跟踪方法结果精确，但由于采用层追加的思想进行跟踪，在多波束测深数据量较大的情况下算法效率低，尤其是在中深水环境，在庞大数据的情况下，该技术的效率难以得到保证，生产效率低下，难以满足当前高效的内业数据处理需求。
4、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：常规声线跟踪方法在多波束测深数据量较
技术实现思路
1、为克服当前大水深环境下海量声呐波束处理中传统声线跟踪方法效率低的问题，本专利技术公开实施例提供了一种面向全海深环境的海量声呐波束高效声线跟踪方法及系统，设计合理，克服了现有技术的不足，所述技术方案如下：
2、本专利技术是这样实现的，面向全海深环境的海量声呐波束高效声线跟踪方法，该方法包括：
3、s1，利用道格拉斯-普克抽稀算法对复杂声速剖面进行压缩，得到简化后的声速剖面s；
4、s2，预设波束入射角度范围和波束角间隔，波束旅行时范围和波束旅行时间隔，利用常梯度声线跟踪算法对预设波束循环进行声线跟踪，计算每个波束的水深和偏移量；
5、s3，基于树数据结构对每一个预设波束入射角和旅行时、水深和偏移量进行组织，得到声线跟踪模板；
6、s4，根据真实波束入射角和旅行时，采用k近邻搜索附近声线跟踪模板点；
7、s5，根据搜索模板点，利用反距离加权计算波束的水深和水平偏移量，实现全海深环境波束高效声线跟踪。
8、在步骤s2中，计算每个波束的水深和偏移量，包括：
9、预设波束入射角度范围，波束角间隔为；波束旅行时范围为，波束旅行时间隔为；
10、计算每一个预设波束的入射角和旅行时；
11、；
12、；
13、式中，为波束角编号，取值范围；第个波束的波束旅行时编号，取值范围；根据简化后的声速剖面s，利用常梯度声线跟踪算法对每个预设波束进行跟踪，计算每个点的水深和偏移量。
14、在步骤s3中，基于树数据结构对每一个预设波束入射角和旅行时、水深和偏移量进行组织，得到声线跟踪模板，包括：
15、以波束入射角和波束旅行时为两个维度，计算两个维度数据方差，选择方差最大的维数作为分割轴；
16、；
17、；
18、式中，和为分割轴为波束入射角的均值和方差，和为分割轴为波束旅行时的均值和方差；将方差最大的维数作为分割轴，对分割轴上的数值进行排序，确定中值，分割轴数值大于的数值划分左子树空间，数值小于的数值划分右子树空间；
19、对左子空间和右子空间内的数据重复分割轴选择以及数值排序过程，将空间和数据集进行细分，直到空间中只包含一个数据点。
20、在步骤s4中，根据真实波束入射角和旅行时，采用k近邻搜索附近声线跟踪模板点，包括：
21、设定最近邻点的数量为；
22、根据真实波束入射角和旅行时执行k近邻搜索算法，以找到与查询点距离最近的个点和对应的水深和偏移量坐标。
23、在步骤s5中，根据搜索模板点，利用反距离加权计算波束的水深和水平偏移量，实现全海深环境波束高效声线跟踪，包括：
24、对于每个搜索到的模板点，计算与查询点之间的欧氏距离，查询点为真实波束的估计位置；
25、根据反距离加权原则，距离越近的模板点赋予越大的权重；
26、对水深和水平偏移量分别进行反距离加权计算；对于每个水深或水平偏移量属性，将搜索到的模板点的属性值乘以对应的权重，并将所有加权后的属性值相加；将加权和除以所有权重的总和，得到估计的水深和水平偏移量。
27、进一步，权重的计算公式为：
28、；
29、其中，是第个样点的权重，是样点与待插值位置距离，是可调参数。
30、进一步，可调参数p取值为2。
31、进一步，设已知样点的个数为，第s个样点的坐标为，权重为，对应水深和水平偏移量为，则待插值位置的水深和水平偏移量通过以下公式计算：
32、；
33、；
34、式中，为水深，为水平偏移量，为样点序号，为已知样点的个数，为权重。
35、本专利技术的另一目的在于提供一种面向全海深环境的海量声呐波束高效声线跟踪系统，该系统用于对所述面向全海深环境的海量声呐波束高效声线跟踪方法进行调控，该系统包括：
36、复杂声速剖面压缩模块，用于利用道格拉斯-普克抽稀算法对复杂声速剖面进行压缩，得到简化后的声速剖面s；
37、声呐波束属性计算模块，用于预设波束入射角度范围和波束角间隔，波束旅行时范围和波束旅行时间隔，利用常梯度声线跟踪算法对预设波束循环进行声线跟踪，计算每个波束的水深和偏移量；
38、声线跟踪模板构建模块，用于基于树数据结构对每一个预设波束入射角和旅行时、水深和偏移量进行组织，得到声线跟踪模板；
39、声线跟踪模板点搜索模块，用于根据真实波束入射角和旅行时，采用k近邻搜索附近声线跟踪模板点；
40、声线跟踪模块，用于根据搜索模板点(hs ,ls)，根据搜索模板点，利用反距离加权计算波束的水深和水平偏移量，实现全海深环境波束高效声线跟踪。
41、进一步，该系统应用在计算机可读存储介质上，当该计算机可读存储介质运行时，执行所述面向全海深环境的海量声呐波束高效声线跟踪方法的步骤。
42、结合上述的所有技术方案，本专利技术所具备的优点及积极效果为：
43、1.本专利技术采用多波束测深系统，系统水下测量采用固定在测量船底的多波束换能器，随测船运动获取海底地形的三维信息；定位本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种面向全海深环境的海量声呐波束高效声线跟踪方法，其特征在于，该方法包括：
2.根据权利要求1所述面向全海深环境的海量声呐波束高效声线跟踪方法，其特征在于，在步骤S2中，计算每个波束的水深和偏移量，包括：
3.根据权利要求1所述面向全海深环境的海量声呐波束高效声线跟踪方法，其特征在于，在步骤S3中，基于树数据结构对每一个预设波束入射角和旅行时、水深和偏移量进行组织，得到声线跟踪模板，包括：
4.根据权利要求1所述面向全海深环境的海量声呐波束高效声线跟踪方法，其特征在于，在步骤S4中，根据真实波束入射角和旅行时，采用K近邻搜索附近声线跟踪模板点，包括：
5.根据权利要求1所述面向全海深环境的海量声呐波束高效声线跟踪方法，其特征在于，在步骤S5中，根据搜索模板点，利用反距离加权计算波束的水深和水平偏移量，实现全海深环境波束高效声线跟踪，包括：
6.根据权利要求5所述面向全海深环境的海量声呐波束高效声线跟踪方法，其特征在于，权重的计算公式为：
7.根据权利要求6所述面向全海深环境的海量声呐波束高效声线跟踪方法，
8.根据权利要求6所述面向全海深环境的海量声呐波束高效声线跟踪方法，其特征在于，设已知样点的个数为，第s个样点的坐标为，权重为，对应水深和水平偏移量为，则待插值位置的水深和水平偏移量通过以下公式计算：
9.一种面向全海深环境的海量声呐波束高效声线跟踪系统，其特征在于，该系统用于对权利要求1-8任意一项所述面向全海深环境的海量声呐波束高效声线跟踪方法进行调控，该系统包括：
10.根据权利要求9所述的面向全海深环境的海量声呐波束高效声线跟踪系统，其特征在于，该系统应用在计算机可读存储介质上，当该计算机可读存储介质运行时，执行所述面向全海深环境的海量声呐波束高效声线跟踪方法的步骤。
...【技术特征摘要】
1.一种面向全海深环境的海量声呐波束高效声线跟踪方法，其特征在于，该方法包括：
2.根据权利要求1所述面向全海深环境的海量声呐波束高效声线跟踪方法，其特征在于，在步骤s2中，计算每个波束的水深和偏移量，包括：
3.根据权利要求1所述面向全海深环境的海量声呐波束高效声线跟踪方法，其特征在于，在步骤s3中，基于树数据结构对每一个预设波束入射角和旅行时、水深和偏移量进行组织，得到声线跟踪模板，包括：
4.根据权利要求1所述面向全海深环境的海量声呐波束高效声线跟踪方法，其特征在于，在步骤s4中，根据真实波束入射角和旅行时，采用k近邻搜索附近声线跟踪模板点，包括：
5.根据权利要求1所述面向全海深环境的海量声呐波束高效声线跟踪方法，其特征在于，在步骤s5中，根据搜索模板点，利用反距离加权计算波束的水深和水平偏移量，实现全海深环境波束高效声线跟踪，包括：
6.根据权...
【专利技术属性】
技术研发人员：卜宪海，赵宇杭，张婷，郑家超，宫业钦，马跃，李振博，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：
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