温盐深变化对波束脚印坐标的影响规律分析

在多波束测深中,温盐深剖面数据的准确性对测量精度起到非常重要的作用,而在实际测量中,温盐深误差又不可避免地存在。为了分析温盐深变化对波束脚印坐标的影响规律并将其影响值量化,本文在声速剖面间接测量数据的基础上,选择精度较高、适应性较强的声速经验公式推导其误差公式,计算温盐深变化所引起的声速误差值,并且在常梯度声线跟踪模型的基础上推导出声波旅行轨迹的水平位移和垂直位移误差公式,然后结合声速剖面计算出声速误差对波束脚印坐标的影响程度。实验结果表明,温度变化对声速的影响最大,盐度和深度依序次之;温度、盐度、深度3个参量的变化引起波束脚印Z坐标的变化量均大于X、Y坐标,最高可达变化前深度的0.6%。温度和盐度的变化引起的三轴坐标值变化量随入射角的增大而减小,而深度变化引起的三轴坐标值变化量几乎不随入射角的变化而变化。本文研究结果可为温盐深误差对多波束测深精度评估工作提供借鉴作用。

顾及传播曲面的多波束波束脚印高精度快速归位算法

针对传统多波束波束脚印位置归算方法忽视收/发换能器位置差异给深水测深带来的显著影响,以及新算法虽顾及收/发差异但效率偏低的问题,本文提出一种顾及传播曲面的高精度快速波束脚印位置归算算法:①基于多波束测量和声线传播原理,提出波束传播曲面模型;②将扇区内波束分为插值结点和待插值点;针对前者,提出采用迭代搜索和插值的方法避免建立完整的传播曲面;③针对后者,利用插值结点参数,提出基于多项式插值的方法获取其发射单程时间和声线俯角、方位角;④综合完成所有波束脚印位置归算。浅水和中深水区试验表明,本文方法的交叉线检验精度与Caris相近,且均优于传统算法;相较Caris计算结果,本文同号波束脚印的深度偏差分别为0.35‰水深和0.11‰水深,且计算效率分别提高了8%和35%。

多波束波束脚印坐标的两种计算方法对比分析

针对目前两种船体坐标系下多波束波束脚印坐标计算方法的争论,即其一,先根据船体姿态角确定波束初始入射角后,再通过声线跟踪模型获取海底波束脚印坐标值;其二,先假设换能器处于水平状态,根据波束导向角结合声线跟踪模型计算海底波束脚印坐标,再乘以船体姿态角矩阵,最终获得实际传播的波束脚印坐标值。为了证明上述两种方法是否具有等价性,对两者分别建立了波束脚印计算的数学模型,并通过相同序号波束的方位角、X坐标、Y坐标及Z坐标四维参数的对比分析,证明了这两个模型的非等价性。这个证明也能够为实际的多波束测深工程应用提供有用的参考依据。

多波束系统在水下探测中的应用

由于单波束在水下探测的局限性,因此为实现大范围,全覆盖和高精度的探测,本文对多波束系统在水下探测中的应用进行研究。在介绍多波束系统的构成与测量的基础上,结合水下探测项目,通过多波束系统波束脚印归位、数据检测、数据改正和数据结构统一,对精度进行评估。通过分析成果精度得出,应用多波束系统的成果精度更满足实际需求,有一定的先进性和实用性。

顾及姿态角的多波束声线精确跟踪方法

传统声线跟踪方法中波束初始入射角的计算采用理想状态下多波束提供的波束分配角,未顾及或未完全顾及船体姿态角的影响进而导致波束海底投射点归位计算带入显著性误差问题。针对此问提出了一种顾及姿态角影响的声线精确跟踪方法,该方法通过研究船体姿态影响下的多波束换能器状态,给出了波束声线实际传播面,并推导出了传播面内波束声线的实际初始入射角,结合声速剖面,最终根据常梯度声线跟踪得到了准确的测深点三维坐标。通过实验比较传统声线跟踪方法和精确声线跟踪方法计算波束在海底投射点的坐标精度,验证了精确声线跟踪方法克服了传统声线跟踪的不足,显著地提高了多波束测深的精度。

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。

多波束测深波束归位近似转换模型研究

多波束测深波束位置计算精度取决于波束归位模型优劣。现有波束归位大多采用严密的转换模型,虽然计算精度高,但转换繁琐;少数采用近似的转换模型以简化转换过程,但由于仅考虑子午线收敛角的影响而忽视了高斯投影时距离变形的影响,计算精度较低。针对上述问题,本文提出一种近似转换模型,顾及投影变形对测量距离的影响,并给出距离改化近似公式以简化计算过程。实验结果表明,与严密转换模型相比,该近似转换模型计算结果平面偏差最大约1cm,满足现有相关测量规范规定的精度要求。

GNSS船姿测量方法及对多波束测深精度的影响分析

GNSS船姿测量以其观测误差不随时间累积的特点得到了广泛研究和应用,本文基于三天线GNSS船姿测量方式,构建了波束脚印误差与姿态误差间的关系模型,设计仿真实验分析了基线长度对姿态误差的影响,以及不同水深环境下姿态误差与GNSS定位误差的关系。为突破传统RTK在测量距离上的限制,本文采用PPP、PPK、MBD (动态参考站差分)三种方法进行GNSS船姿计算,并通过海上实验与高精度惯性导航系统进行对比分析,结果表明使用MBD测姿结果要优于PPK和PPP模式,得到的航偏角、横摇角、纵摇角标准差均在0.1°左右,可满足通常情况下多波束测深对姿态精度的要求。

一种基于同心双曲线相交的多波束测深归位算法

针对现有波束归位算法大多忽略了波束往返期间换能器姿态和航向的变化且部分模型相对复杂,给计算结果带来误差问题,本文提出一种基于同心双曲线相交的波束归位算法。将发射和接收波束能量以2个顶点相同的规则圆锥面表示,波束脚印则为两圆锥面在海底投影形成的2个相交双曲线的交点,通过求解相交双曲线方程来获得波束脚印坐标。通过实验比较常规波束归位算法、虚拟同心阵算法、本文算法对浅水和中深水实测数据的计算结果以及各方法条带重叠区域数据的深度不符值,实验表明:本文算法与虚拟同心阵算法计算结果基本一致,精度处于同一水平,较常规算法精度更高,对多波束数据处理研究具有一定的参考价值。

基于相干原理的多波束测深新算法

为了改善多波束声纳的分辨率,提出了一种基于相干原理的测深新算法,对每一个波束脚印内的信号进行相干处理,获得了大量的海底深度值。在此基础上,采用新算法对仿真数据和某型号多波束测深声纳湖上实验数据进行处理。结果表明,相对于传统多波束测深算法,该算法可显著提高声纳海底测量的分辨率,获得大量的海底深度测量值。

基于S-44不同测量等级的测线间距确定方法

新版国际海道测量规范(IHO S-44 5thEdition)只给出了1b等和二等测量的推荐测线间距,而对于特等和1a等测量的测线间距并无具体说明。据此在推导波束脚印横纵宽度计算模型的基础上,建立基于IHO S-445thEdition的测线间距确定方法,并针对Seabat8101多波束测深仪给出特等和1a等的测线间距控制指标。

常梯度声线跟踪中平均声速的改进算法

在对多波束测深常用声线跟踪算法进行分析的基础上,提出了一种改进的声线跟踪算法,即沿声线传播的圆弧路径进行积分来求取层内的平均声速,进而推导了严密的多波束测深波束脚印位置的计算公式。理论推导表明,常用的声线跟踪算法的平均声速是将声线的圆弧传播路径当作对应弧段弦时的改进算法平均声速的近似解。实验表明,改进的声线跟踪算法比常用的声线跟踪算法更严密。

一种基于常梯度模板插值的声线跟踪算法

常梯度声线跟踪在计算波束脚印位置时精度高,但过程复杂、效率低,应用于深海测量时尤为严重,因此提出了一种基于常梯度声线跟踪模板的波束点插值计算方法。首先研究了基于常梯度声线跟踪模板进行波束点位插值计算的理论基础,发现通过模板差值可以确定波束足迹;然后提出了基于常梯度模板插值的声线跟踪算法,主要包括常梯度声线跟踪模板构建、过跟踪和欠跟踪算法、吃水影响及补偿模型,并在此基础上,将该算法应用于浅水、中水和深水声线跟踪计算。实验结果表明,该方法在确保跟踪精度的同时,可以大幅度提高计算效率。