多层常梯度声速剖面的测深误差改正方法

声速剖面(SVP)是多波束测深重要参数。为提高观测数据质量,在复杂水域地带往往通过声速剖面加密观测法或数据内插法,但始终会产生不同程度的折射误差。本文通过分析声速对测深系统的影响和构建常梯度等效声速模型进行了推导,提出了常梯度声速剖面改正模型,较好地解决了声速代替误差或声速剖面不准确带来的影响。试验结果表明,该模型后处理解析的地形边缘数据具有更好的一致性,定量成果优于传统声速剖面改正算法。

关于多波束声速剖面改正问题的探讨

简要介绍了声线跟踪计算中比较精确的常梯度声线跟踪算法,针对实际声速剖面测量中可能出现的随机误差和整体偏差两种情况,分别设计了相对应的模拟声速剖面,然后采用常梯度声线跟踪算法计算波束脚印,分析声速剖面误差对波束脚印计算的影响,给出了实际多波束测量作业中声速剖面测定密度和间隔的建议。

K-Means++的声速剖面精简方法

在深海定位中,声线传播距离长、声速剖面层数多,采用常梯度声线跟踪虽然提高了定位精度,但明显降低了定位的计算效率。针对这一问题,本文引入优化聚类算法,提出了一种基于K-Means++的声速剖面精简方法。该方法将原始声速剖面的梯度分为正负2个部分,采用K-Means++对每部分进行初始聚类,再对聚类后的每一簇进行不同类别数的K-Means++聚类,将相邻相同类的层合并后得到精简声速剖面。采用精简声速剖面进行水下定位,并与原始声速剖面定位效果对比。实验结果表明:本文方法在确保原始声速剖面空间结构和水下定位精度的前提下,显著提高了定位计算效率,且在不同深度的定位精度与原始声速剖面定位精度保持一致。

顾及波束入射角的常梯度声线跟踪水下定位算法

海水声速的时空变化会使声波沿传播方向发生折射,有效消除声波的折射效应对提高水下声学定位精度至关重要。在声速剖面已知的情况下,声线跟踪是削弱折射效应的有效方法。但现有的声线跟踪方法要求波束入射角为已知,而基于距离交会原理的水下声学定位系统通常未对波束入射角进行直接观测。针对上述问题,提出了顾及波束入射角的常梯度声线跟踪水下定位算法,采用搜索法确定波束入射角,通过对声线跟踪与定位解算的迭代计算,实现波束入射角和目标坐标的渐次修正。为进一步提高计算效率,提出了迭代求解超越方程的解算法。试验结果表明,本文方法有效利用声速剖面消除了声线折射效应的影响,且解算法计算效率优于搜索法。

海洋混合层结构对表面声道中声传播特性的影响分析

利用WOA05气候态数据集和北黄海调查数据,应用BELLHOP高斯束射线模型分析了我国近海及西太平洋典型海区的混合层结构对表面声道中声传播特性的影响,结果表明:我国近海的混合层结构有显著的区域性和季节性变化;深海中主要表现为混合层深度变化,这种变化直接影响表面声道的空间分布,声波在混合层中的表面声道中传播与在混合层外的影区中传播产生的能量场差异较大;浅海中混合层深度与声速梯度的空间变化都很明显,声速梯度的增大和混合层的加深都能使更多声线以反转的形式传播,使表面声道声场增强。两组海上实验数据表明,在真实海洋中混合层可在短时间内出现生消变化或在局部海域出现非均匀分布。在浅海温跃层环境下,海-气边界特定的物理过程能够使混合层发生间歇性的变化,当表面声道出现时近表层声场明显增强。

聚类分析在主跃层识别中的应用

文章讨论了用有序样本聚类的方法来实现对主跃层的识别,文中建立了3种不同的分类函数和类直径的有序样本聚类模型。作者以中国海30分方区按月统计声速剖面历史数据为样本,分析了这3种不同的有序样本聚类方法的优劣。应用其中较优模型有效地提取了主跃层的厚度和平均梯度等信息,确定主跃层的起始点,有利于对声速剖面的特征提取,从而有效地对声速剖面进行分类。

超短基线水声定位的波束入射角迭代修正方法

海水介质的不均匀性导致声波传播过程会产生折射效应,采用平面声基阵的超短基线系统在测量过程中会受到该现象的影响,从而使测量结果产生较大的误差,通常采用声线跟踪的方法利用实测声速剖面进行声线修正。准确的波束入射角是确保声线跟踪精度的前提,超短基线系统是利用声学相位差推算得到近似波束入射角,而利用近似波束入射角进行声线跟踪会造成一定的精度损失。针对上述问题,本文提出了一种超短基线水声定位的波束入射角迭代修正方法,基于常梯度声线跟踪构建起了波束入射角与传播时间的迭代计算关系,采用埃特金加速法实现了波束入射角的非线性方程快速解算。通过仿真实验证明本文提出方法能够实现波束入射角与目标位置的准确计算,有效消除了折射效应对超短基线水下定位的影响。

顾及收发分置影响的海洋大地基准声线跟踪定位方法

海水声速变化引起的声波折射效应是影响海洋大地基准定位精度的关键因素之一,声线跟踪是已知准确声速剖面情况下消除折射效应的有效方法.然而现有的水声测距定位解算广泛基于收发同置假设,即认为声波的往返路径和测量载体的位置在较短的观测时延内不会发生变化,导致海洋大地基准的深海定位结果引入较大误差.针对上述问题,提出了顾及收发分置影响的海洋大地基准声线跟踪定位方法,基于往返时延差最小原则结合常梯度声线跟踪搜索得到目标最优坐标,进一步提出了基于声线距离分配往返时延的牛顿迭代解算法以提高计算效率,最后通过深海试验证明了顾及收发分置影响的海洋大地基准声线跟踪定位方法的有效性.