[发明专利]基于垂直波束水深的边缘波束水深数据声速改正方法

说明书

技术领域

多波束回声测深系统(Multi-beam Echo Sounder System，即MBES)波束折射改正技术方法。

背景技术

声速剖面是保障多波束声纳测量系统测量精度的一个重要因素。多波束声纳测深系统也是依赖计算声波在水中的传播时间来实现水深测量的，然而，与单波束测深相比，多波束声纳测深系统受声速的影响要比前者大的多。多波束声纳系统采取定向发射一组声波束，分别计算各个波束的旅行时间来得到多点的水深值。在这些同时发射的多个波束中，除了中间波束是垂直水平面发射外，其他波束都与水平面有一定的夹角。由声学斯涅尔定律知：这些斜入射的声波在不均匀的介质中传播时将会发生折射现象，这种折射现象随着入射角的加大而加剧，继而对测量精度产生较大的影响。这种影响表现在以下三个方面：

①声速对传播距离的影响

②声速对波束发射角的影响

③表层声速(换能器发射、接收表面附近的声速)对波束控制的影响

为了最大程度的减小因此而产生的测量误差，实际工作中要靠经常测量工作区域的声速剖面进行误差校正。通常是在正常的勘测过程中，将测量船停下来，利用声速剖面仪采集该位置从表面到海底的声速值。我们经常遇到的问题是，当我们在位置P1(x1 y1)完成声速剖面数据采集，直到下一个声速剖面采集点P2(x2 y2)，在此过程中，随着测量船不断的接近P2点，原来采集的声速剖面已经渐渐的与当前勘测位置的实际声速剖面出现了数值上的误差，从而使采集到的水深地形数据也出现误差，特别是边缘波束数据，误差更大。

为了解决此问题，目前只能在数据后处理时大量的删除边缘波束数据。这样做的后果，直接违背了我们使用多波束测深的初衷-实现高效率、全覆盖海底地形、地貌测量。由于删除了大量的边缘波束数据，使得波束覆盖宽度降低，甚至出现部分海底没有测量数据的情况，直接降低了多波束勘测效率。如若能找到一种方法，既能消除边缘波束数据较大的误差，又能保留边缘波束数据，将会极大的提高多波束勘测的精度和效率，节省大量的人力、物力和才力。

针对于上述情况，提出利用垂直波束的水深数据和其他的技术参数，反演出等效的声速剖面，对边缘波束水深数据进行改正，提高其精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种客观、有效的多波束边缘波束数据声线折射改正后处理方法。

本发明首先对多波束勘测的原始资料进行初处理，以垂直波束水深数据为基准，对比同一位置处边缘波束测量得到的水深数据，提取各波束水深数据对应的波束旅行时间、波束初始发射角以及该时刻的姿态数据，反演出一等效声速剖面，对边缘波束进行声线跟踪，解算出更为精确的水深和位置数据。

附图说明

图1多波束系统声线跟踪原理示意图

图2等效声速剖面示意图

图3计算方法流程图

具体实施方式

1  声线跟踪的基本原理

由于海水是非均匀的介质，声线在其中旅行时，由Snell定律知：其路径是不规则的连续曲线。为了精确的得到测点的水深值，必须对声线路径进行跟踪。其测点位置的计算原理几何图解如(附图1)所示。

从多波束声纳系统的换能器到海底对应波束测点的垂直距离Z、波束测点距离航迹线的垂直距离X可以表示成等式(1)的形式。

Z＝∑c_it_icosθ_i

X＝∑c_it_isinθ_i    (1)

式中，t_i为波束在第i层旅行时间，θ_i为第i层的波束指向角，c_i为计算点的声速。结合Snell定律(参见等式2)，对于任何多波束声纳系统，波束在水中的往返旅行时间t都是能被准确测定的基本量，波束声线的初始入射角θ₀可以由系统给定。在已知声速剖面的情况下，可以根据声速剖面把海水分成n+1(0-n)层，层厚度为Δ_n，每层对应特定的声速。由Snell定律，可以计算出每一层中的波束指向角。即：