表层声速对多波束测深影响的研究

在多波束测深系统中,表层声速是线型接收换能器基阵对接收波束进行束控的重要参数。表层声速误差会直接造成接收波束的指向误差,也通过归算导致多波束脚印位置误差和回波图像的失真。在分析多波束信号处理流程和接收波束束控原理基础上,探讨表层声速对多波束指向和测深影响规律。

表层声速误差对多波束测深数据的影响分析

针对多波束水深测量中未明确定义表层声速限差范围,导致在数据采集过程中无法实时监控表层声速误差的问题,结合多波束数据采集与归算流程,分析并推导了SSP误差影响下的波束指向角与点位归算误差模型。结合数值计算,研究了不同水深下测深误差随SSP之间的变化规律与量级大小,从而针对SSP限差范围提出合理化建议,对提高数据质量具有一定应用价值。

关于表层声速对多波束测深影响及改正的探讨

通过分析波束形成的原理与实测数据处理得出结论:表层声速误差将对多波束测量产生不可挽回的错误;而当表层声速正确、声速剖面误差时,在后处理可以通过适当的声速剖面加以改正。

基于遥感数据和表层声速的全海深声速剖面反演

海洋声速剖面严重影响着水下声传播特性,近实时地获取声速剖面对水下声通信、水下定位、鱼群探测等都有重要意义。单经验正交函数回归(single Empirical Orthogonal Function regression,sEOF-r)方法通过建立声速剖面的经验正交系数与海面遥感数据之间的线性回归关系来反演声速剖面。但是,海洋是一个复杂的动力系统,声速与海面遥感数据并不是简单的线性关系,因此,本文基于Argo历史网格数据,通过自组织映射(Self-Organizing Map,SOM)生成海平面高度异常(Sea Level Anomaly,SLA)、海表面温度(Sea Surface Temperature,SST)等海表遥感数据以及表层声速仪测量的表层声速与声速剖面异常之间的非线性映射;然后利用近实时的海表遥感数据和表层声速反演三维海洋声速场。声速剖面反演的结果表明,在多源信息融合的优势下,本文方法的反演性能最稳定且精度最高,声速剖面的平均反演精度比经典sEOF-r方法提高约2 m/s,比未考虑表层声速的经典SOM方法提高约1 m/s。

表层声速对多波束系统测量的影响

根据多波束系统通过声线跟踪反演波束测点的空间位置。在声线弯曲改正中换能器表层声速对波束指向角、波束脚印在船体坐标系下的平面位置和水深、测量覆盖宽度等都有着直接的影响,尤其是对边缘波束的测量精度影响特别大。在从理论上分析表层声速对多波束系统测量影响的基础上,利用实际测量的数据论述表层声速对多波束系统的重要性,以及在实际测量中应实时采集表层声速的必要性。

多波束表层声速装置极地环境下应用案例分析

表层声速装置为多波束测量系统提供表层声速数据,其数据的准确性直接关系到相关地形测量数据的精度。“雪龙”号搭载了国内首套破冰型多波束测量系统,在最初设计时表层声速装置采用竖井式结构,声速计安装在竖井底部,在极地冰区应用时由于船舶破冰过程中会产生很多碎冰进入井道内,竖井内会发生冰堵,并导致表层声速数据出现误差,严重影响表层声速数据的获取。为了解决竖井式结构存在的问题,后续对“雪龙”号表层声速装置进行了优化设计,采用泵式结构,将多波束换能器平面海水抽入到泵腔内,过滤掉海水内的碎冰,新的表层声速获取装置经过中国第9次北极科学考察的现场使用,有效解决了表层声速井道冰堵及声速数据误差的现象。

顾及表层声速和坐标先验信息的海底控制点定位方法

基于圆走航法,针对传统海底控制网点定位方法依赖于频繁实测声速剖面精确确定控制点绝对坐标的事实,提出了一种顾及表层声速和平面坐标先验信息的海底控制点三维坐标精密定位方法。将压力传感器测得的水深值视为新的观测量,并将该水深值的先验方差根据经验值给定为水深观测值的0.1%,采用广义最小二乘原理进行解算海底待求控制点的三维坐标。模拟50 m和1500 m水深定位实验,与使用声速剖面的三维约束平差方法进行了对比,二者达到了同等精度的定位结果。结果表明,在海底控制点定位过程中,不使用声速剖面的条件下,仅顾及表层声速和平面坐标先验信息,同样能够取得较高精度的定位结果。

多波束测深表层声速误差的动态影响及改正方法

表层声速不准确会对多波束测深波束的归位产生影响,对于平面换能器阵,使波束角产生偏差,从而影响波束最终位置,但Snell常数保持不变;对于曲面换能器阵,虽然波束未束控不产生波束角偏差,但Snell常数发生改变,会使波束在传播过程中出现折射误差,对深水环境测量不利。对于表层声速误差带来的水深误差,外部波束比内部波束受到的影响更严重。当表层声速无法实时准确获取时,根据内外部波束对水深的影响大小识别表层声速误差的存在,通过逐步调整表层声速值,计算波束指向角差值,再重新进行声线跟踪,计算改正后的波束位置,消除其带来的水深的影响,完成表层声速误差的改正。文中用实测数据进行了验证,对多波束测深数据质量的改善有一定的参考意义。

基于QINSy软件的声速剖面改正模型研究

由声速误差所引起的测深误差是多波束测深误差的主要因素之一,声速剖面的不稳定会引起多波束测深条带发生畸变的现象,导致多波束测深数据精度差甚至无法使用。通过对QINSy软件中声速剖面改正模型的研究,提出了一种多波束测量声速几何修正模型和方法,从几何意义上着手,分析了表层声速及声速剖面误差对测深条带的影响,总结了多波束测深条带随着声速剖面变化而发生对称弯曲的情况。通过模型建立,给出了表层声速及分层声速误差对波束测深值影响的量化值,从而在多波束数据后处理过程中可更好的进行定量分析。

声速对多波束校准精度影响分析

多波束校准是多波束测量过程中最重要的步骤之一,校准精度在很大程度上影响着多波束测深数据的质量。通过分析表面声速与声速剖面测量误差对多波束姿态校准的影响,得出声速对横摇偏差、纵摇偏差、艏向偏差校准精度的影响规律。

基于等效声速剖面法及其改进模型的声速改正方法研究

针对声线弯曲对多波束测深数据精度影响较大的问题,文中研究了具有高效、高精度等特点的声线弯曲改正方法---等效声速剖面法。针对该方法忽略表层声速误差影响的问题,本文提出加入时间修正参数对等效声速剖面法模型进行改进,并利用实测数据进行试验分析,验证了改进模型较之与等效声速剖面计算精度明显提高。