專利名稱：一種測(cè)深聲納系統(tǒng)偏差校正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測(cè)深聲納技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種測(cè)深聲納 系統(tǒng)偏差4交正方法。
背景技術(shù)：
目前常用的測(cè)深聲納有三類， 一類是多波束測(cè)深系統(tǒng)，另一類就是高分 辨率測(cè)深側(cè)掃聲納，第三類是干涉合成孔徑聲納。多波束測(cè)深系統(tǒng)出現(xiàn)的較
早，應(yīng)用范圍更廣一些；高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納出現(xiàn)較晚，目前正在推廣過(guò) 程中；干涉合成孔徑聲納系統(tǒng)最為復(fù)雜，目前正在發(fā)展過(guò)程中，因此下面主 要介紹前兩類測(cè)深聲納。 '
高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納是一種能夠探測(cè)高分辨率海底地形和地貌的聲 學(xué)設(shè)備。它由常規(guī)測(cè)深側(cè)掃聲納發(fā)展而來(lái)，常規(guī)測(cè)深側(cè)掃聲納使用兩條平行 接收線陣，通過(guò)測(cè)量海底回波達(dá)到兩聲納陣間延時(shí)來(lái)估計(jì)回波達(dá)到方向，從 而得到海底相對(duì)聲納陣的位置。常規(guī)測(cè)深側(cè)掃聲納的缺點(diǎn)是不能測(cè)量同時(shí)到 達(dá)聲納陣的多個(gè)目標(biāo)，聲納的正下方測(cè)深精度差。
高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納通過(guò)采用多條間距為半波長(zhǎng)的平行接收線陣，再 利用專用信號(hào)處理算法，解決了常規(guī)測(cè)深側(cè)掃聲納的兩個(gè)問(wèn)題，擴(kuò)大了其使 用范圍，增強(qiáng)了聲納的適用性。
多波束測(cè)深聲納通過(guò)形成多個(gè)指向不同方向的波束，再利用 一定信號(hào)處 理方法估計(jì)每個(gè)波束海底回波到達(dá)的時(shí)延，從而得到海底相對(duì)聲納陣的位 置。高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納的測(cè)深原理與傳統(tǒng)的多波束測(cè)深系統(tǒng)不同，它對(duì) 已知時(shí)延的回波信號(hào)，通過(guò)一定的信號(hào)處理方法直接估計(jì)回波到達(dá)聲納陣的 方向，從而得到海底相對(duì)聲納陣的位置。這兩類聲納獲得入射角和時(shí)延后，都需要再利用各種傳感器獲得的載體 位置、載體姿態(tài)、聲速剖面、潮位等數(shù)據(jù)，以及聲納陣和各種傳感器在載體 上的空間位置關(guān)系數(shù)據(jù)，對(duì)獲得的時(shí)延和入射角進(jìn)行參數(shù)修正，并最終推導(dǎo) 出被測(cè)海底的經(jīng)瑋度坐標(biāo)和穩(wěn)態(tài)深度。
但是，在實(shí)際進(jìn)行上述工作前，為了得到更高精度的海底深度和位置數(shù) 據(jù)，需要采用 一定的系統(tǒng)偏差校正方法獲得會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的參數(shù)的偏差 量，以對(duì)實(shí)際使用的各種參數(shù)進(jìn)行校正。
針對(duì)多波束系統(tǒng)的系統(tǒng)偏差校正已有一定的研究，吳自銀，金翔龍的
文章"多波束測(cè)深邊緣波束誤差的綜合校正[J].海洋學(xué)報(bào)，2005， 27(4): 88-94."提出了在勘測(cè)前對(duì)橫搖偏差角的校正方法和在已勘測(cè)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上 對(duì)橫搖偏差角的校正方法；劉勝旋，關(guān)永賢的文章"多波束系統(tǒng)的參數(shù)誤差 判斷及校正[J].海洋測(cè)繪，2002， 22 (1): 33-37.，，提出了同 一 目標(biāo)探測(cè)法 和剖面重疊法進(jìn)行導(dǎo)航定位延遲校正的方法以及實(shí)測(cè)法和同 一 目標(biāo)探測(cè)法 進(jìn)行首搖偏差校正；李文杰，胡平，肖都，劉春雷的文章"多波束測(cè)深在海 洋工程勘察中的應(yīng)用[J].物探與化探，2004, 28 (4): 373-376."提出了校 正首搖偏差的線性目標(biāo)探測(cè)法；劉方蘭，張志榮，余平的文章"多波束系統(tǒng) 橫搖、縱傾參數(shù)的校正方法[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)地球科學(xué)版，2004， 34(4): 621-624."提出了實(shí)測(cè)法和剖面重合法校正橫搖和縱傾角偏差。
上述方法存在以下不足和缺陷'.1)上述的系統(tǒng)偏差校正方法，本質(zhì)是希 望盡量降低其它參數(shù)影響，突出被校參數(shù)的影響，以進(jìn)行偏差校正。但實(shí)際 上測(cè)深誤差是多種參數(shù)綜合影響的結(jié)果，所以單一的系統(tǒng)偏差校正方法只能 在一定程度上去除顯著的系統(tǒng)偏差影響。2)上述的系統(tǒng)偏差校正方法是基 于多波束測(cè)深聲納的，沒(méi)有考慮到其它一些測(cè)深聲納的特點(diǎn)，例如高分辨率 測(cè)深側(cè)掃聲納具有下述特點(diǎn) 一是高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納主要的估計(jì)參數(shù)是 回波的到達(dá)方向；二是高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納一般不采用波束穩(wěn)定技術(shù)；三 是高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納多通道的不一致性，它會(huì)引起計(jì)算入射角的系統(tǒng)偏差；四是高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納左右舷各釆用一個(gè)聲納陣，需要使用兩組獨(dú) 立的聲納陣安裝參數(shù)。因此現(xiàn)有的系統(tǒng)偏差校正方法難以直接用于高分辨率 測(cè)深側(cè)掃聲納中。
為了提高測(cè)深聲納的測(cè)深精度，使它獲得更廣泛的應(yīng)用，并考慮高分辨 率測(cè)深側(cè)掃聲納的特點(diǎn)，提出了一套切實(shí)可行的系統(tǒng)偏差校正方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)不足，將首搖、橫搖、縱傾、時(shí)延等多 方面的偏差進(jìn)行系統(tǒng)地綜合處理，從而提供一種適合于測(cè)深聲納，并特別 適合于高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納的切實(shí)可行的系統(tǒng)偏差^f交正方法。
為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的測(cè)深聲納系統(tǒng)偏差校正方法，包
括如下步驟
1) 通過(guò)海上校準(zhǔn)試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)，得出各個(gè)待校準(zhǔn)參量的初始值；所述 校準(zhǔn)參量至少包括橫搖偏差；
2) 選取一個(gè)待校準(zhǔn)參量，根據(jù)各個(gè)待校準(zhǔn)參量的當(dāng)前值，計(jì)算出所選 取的待校準(zhǔn)參量的修正量；
3) 判斷所選取的待校準(zhǔn)參量的當(dāng)前修正量是否小于預(yù)設(shè)的門限值或收 斂于某一數(shù)值；如判斷為是，則將待校準(zhǔn)參量當(dāng)前修正量做為該待校準(zhǔn)參量 的最終修正量；如判斷為否，則待校準(zhǔn)參量的值用該待校準(zhǔn)參量當(dāng)前值與當(dāng) 前修正量之和替換，返回步驟2);
4) 當(dāng)所有待校準(zhǔn)參量都得到最終修正量時(shí)，校正過(guò)程結(jié)束。
上述技術(shù)方案中，所述待校準(zhǔn)參量還包括入射角系統(tǒng)偏差。 上述技術(shù)方案中，所述待校準(zhǔn)參量還包括首搖偏差。 上述技術(shù)方案中，所述待校準(zhǔn)參量還包括縱傾偏差。 上述技術(shù)方案中，所述待校準(zhǔn)參量還包括定位延遲。上述技術(shù)方案中，所述的測(cè)深聲納系統(tǒng)是高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納系統(tǒng)， 所述橫搖偏差和入射角系統(tǒng)偏差同步進(jìn)行校正，得出橫搖和入射角偏差的綜 合修正量。
上述技術(shù)方案中，所述橫搖和入射角偏差的綜合修正量的計(jì)算方法如
下
a) 在海上校準(zhǔn)試驗(yàn)中，沿預(yù)定測(cè)線航行，采集測(cè)深數(shù)據(jù)；采集試驗(yàn)前后 的聲速剖面數(shù)據(jù)；
b) 分別對(duì)右舷測(cè)深數(shù)據(jù)和左舷測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分別得到右舷橫搖和 入射角偏差綜合修正量以及左舷橫搖和入射角偏差綜合修正量，對(duì)測(cè)深數(shù)據(jù) 進(jìn)4亍處理方法如下
bl)對(duì)于第i幀測(cè)深數(shù)據(jù)，讀取其中的正下方散射信號(hào)到達(dá)時(shí)間，再根 據(jù)聲速剖面數(shù)據(jù)計(jì)算出正下方深度d;
b2)在每個(gè)測(cè)深點(diǎn)的深度都等于d的假設(shè)條件下，擬合計(jì)算出第i幀右 舷數(shù)據(jù)中每個(gè)時(shí)延t對(duì)應(yīng)的理論入射角W;
b3)計(jì)算在第i幀測(cè)深數(shù)據(jù)中直接讀取的每個(gè)時(shí)延T對(duì)應(yīng)的實(shí)際入射角
6與它對(duì)應(yīng)的理論入射角6"'的差值A(chǔ),(",將該差值A(chǔ),(司作為第i幀的橫搖和
入射角偏差綜合修正量；
b4)計(jì)算出單條航跡上所有幀的橫搖和入射角偏差綜合修正量的平均
值A(chǔ)的；
b5)根據(jù)垂直航跡方向的平均坡度，以及不同航跡上計(jì)算出的橫搖和入 射角偏差綜合修正量平均值，得出修正后的橫搖和入射角偏差綜合修正量。 上述技術(shù)方案中，所述校準(zhǔn)參量還包括運(yùn)動(dòng)傳感器輸出延時(shí)偏差，獲得
8所述運(yùn)動(dòng)傳感器輸出延時(shí)偏差的修正量的方法如下
c 1)取一段在平坦區(qū)域得到的測(cè)深數(shù)據(jù)作為校正的原始數(shù)據(jù)； c2)把已有的系統(tǒng)校準(zhǔn)參量的修正量代入，根據(jù)原始數(shù)據(jù)計(jì)算深度和位 置，擬合計(jì)算出每一次發(fā)射得到的測(cè)深數(shù)據(jù)的斜率，將第i幀數(shù)據(jù)的斜率^;
c3)讀取每一幀的橫搖r,和時(shí)間t;,得到r,(i;); c4)計(jì)算由于運(yùn)動(dòng)傳感器輸出延時(shí)造成的每一幀的橫搖偏差
AiR(r。HlHR,(7:)
按最小均方誤差準(zhǔn)則選取最優(yōu)的r。值，取使得Z(AiR(r。)-r,)2最小的r。
為最終運(yùn)動(dòng)傳感器延時(shí)修正量。
上述技術(shù)方案中，所述步驟2)中，首先對(duì)各待校準(zhǔn)參量的偏差的嚴(yán)重 程度進(jìn)行排序，得出各待校準(zhǔn)參量進(jìn)行校正的優(yōu)先級(jí)，然后按優(yōu)先級(jí)依次選 取各待校準(zhǔn)參量以對(duì)各待校準(zhǔn)參量的修正量進(jìn)行計(jì)算。
上述技術(shù)方案中，所述步驟2)中，選取各待校準(zhǔn)參量的順序依次為 首搖偏差、縱傾偏差、定位延遲、橫搖偏差和入射角系統(tǒng)偏差。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于 (1 )本發(fā)明的系統(tǒng)偏差校正方法考慮了高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納的各項(xiàng) 特點(diǎn)，因此特別適合應(yīng)用于高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納；但本發(fā)明也可以用于常 規(guī)測(cè)深側(cè)掃聲納、多波束測(cè)深系統(tǒng)和干涉合成孔徑聲納等聲納的參數(shù)校正 中。
(2 )本發(fā)明的系統(tǒng)偏差校正方法提出了針對(duì)高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納特 點(diǎn)的^f黃搖和入射角系統(tǒng)偏差綜合^^交正方法；該方法也可以用于常MJ則深側(cè)掃 聲納、多波束測(cè)深系統(tǒng)和干涉合成孔徑聲納等聲納的參數(shù)校正中。。
(3 )本發(fā)明的系統(tǒng)偏差校正方法提出了針對(duì)測(cè)深聲納的運(yùn)動(dòng)傳感器延 時(shí)校正方法。
9(4 )本發(fā)明的系統(tǒng)偏差校正方法每一步獲得的系統(tǒng)偏差修正量會(huì)代入 到下一步的數(shù)據(jù)處理中，而最后獲得的橫搖和入射角系統(tǒng)偏差修正量代入最 先的首搖數(shù)據(jù)校正后處理中再次進(jìn)行處理，形成反饋，從而增加了各系統(tǒng)偏 差^^正量的準(zhǔn)確性。


以下，結(jié)合附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例，其中
圖1是平坦區(qū)域測(cè)線；
圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)偏差校正方法流程圖3是使用本發(fā)明的系統(tǒng)偏差校正前后測(cè)深圖的對(duì)比示意圖；左側(cè)為 系統(tǒng)偏差校正前的測(cè)深結(jié)果(等深線圖)，右側(cè)為系統(tǒng)偏差校正后的測(cè)深 結(jié)果(等深線圖)；二者使用同樣的標(biāo)尺；
圖4是使用本發(fā)明的系統(tǒng)偏差校正前后深度誤差比較圖，左圖為系統(tǒng) 偏差校正前的深度誤差圖，右圖為系統(tǒng)偏差校正后的的深度誤差圖。兩圖 使用同樣的標(biāo)尺；
圖5是橫搖偏差引起的地形變化示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的基本構(gòu)思如下
由于測(cè)深聲納系統(tǒng)所有需要校正的參數(shù)在進(jìn)行參數(shù)修正過(guò)程中是相互影 響和相互作用的，因此對(duì)某個(gè)單一參數(shù)的校正方法無(wú)法排除其它參數(shù)偏差的 影響，從而帶來(lái)新的誤差。因此本發(fā)明提出循環(huán)數(shù)據(jù)處理的方法，其原理是 把每一步獲得的系統(tǒng)偏差修正量代入到下一步的數(shù)據(jù)處理中，而最后獲得的 系統(tǒng)偏差修正量代入最先的系統(tǒng)偏差數(shù)據(jù)校正后處理中再次進(jìn)行處理，形成 反饋。反饋的目的是再一次降低各系統(tǒng)偏差之間的影響，反饋的中止條件是 各個(gè)系統(tǒng)偏差的修正量的變化值達(dá)到預(yù)設(shè)的門限值或收斂于某一值。
實(shí)施例l高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納在獲得入射角和時(shí)延后，還需要利用各種傳感器 獲得的載體位置、載體姿態(tài)、聲速剖面、潮位等數(shù)據(jù)，以及聲納陣和各種傳 感器在載體上的空間位置關(guān)系數(shù)據(jù)，對(duì)獲得的時(shí)延和入射角進(jìn)行參數(shù)修正， 并最終推導(dǎo)出被測(cè)海底的經(jīng)煒度坐標(biāo)和穩(wěn)態(tài)深度。表l是影響高分辨率測(cè)深 側(cè)掃聲納誤差的主要參數(shù)的列表。
表l
參數(shù)影響深度影響4立置
入射角e是是
時(shí)延T疋曰 疋
橫搖(R)是是
縱傾(p)是是
首搖(H)否是
聲速(c)是是
載體定位數(shù)據(jù) (L。n羅"Lat J否是
定位天線與換能器相 對(duì)位置(x。，y。，z。)否是
換能器吃水(Draft)是否
起伏(Heave)是否
載體水深(DO)是否
潮沙(WaterLevel)是否
發(fā)射波束水平開(kāi)角^是
從表l中可以看出，系統(tǒng)根據(jù)其自身特點(diǎn)，所需要進(jìn)行的偏差校正主要
包括以下幾個(gè)方面定位系統(tǒng)天線、運(yùn)動(dòng)傳感器和聲納陣之間的相對(duì)距離的
ii精細(xì)測(cè)量；首搖、縱傾、橫搖的安裝偏差校正；定位延遲校正和聲納通道不 一致性引起的入射角系統(tǒng)偏差校正。
本實(shí)施例主要是對(duì)首搖、縱傾、橫搖(只考慮安裝造成的橫搖偏差)以 及定位延遲進(jìn)行綜合校正。其步驟如下
第l步系統(tǒng)安裝時(shí)精細(xì)測(cè)量定位系統(tǒng)天線、運(yùn)動(dòng)傳感器和聲納陣之間的 相對(duì)距離，將這些數(shù)據(jù)記錄下來(lái)作為后續(xù)數(shù)據(jù)處理中的參數(shù)。
第2步進(jìn)行海上校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。首先按照常規(guī)方法獲得進(jìn)行首搖校正、縱傾 校正和定位延遲校正需要的數(shù)據(jù)。選擇一個(gè)孤立目標(biāo)，在它的一側(cè)直線航行， 用邊緣波束測(cè)量目標(biāo)，得到一數(shù)據(jù)文件；在目標(biāo)的另一側(cè)反向直線航行，用 同一聲納陣的邊緣波束測(cè)量標(biāo)志物，得到另一數(shù)據(jù)文件，獲得首搖校正所需
數(shù)據(jù)。找一個(gè)有斜坡的海域，沿一條垂直于等深線方向的測(cè)線往返測(cè)量，盡 量保持航速不變，得到縱傾校正所需數(shù)據(jù)。改變航速，在目標(biāo)的正上方同向 反復(fù)直線航行，得到定位延遲校正需要的數(shù)據(jù)。然后選擇盡量平坦的區(qū)域測(cè) 量以獲得橫搖校正所需要的數(shù)據(jù)，使用如圖l所示測(cè)線，測(cè)線長(zhǎng)度為聲納的 兩側(cè)的最大覆蓋范圍，測(cè)線間隔為單測(cè)的最大覆蓋范圍。校準(zhǔn)試驗(yàn)前后應(yīng)使 用聲速剖面儀對(duì)試驗(yàn)水域的聲速剖面進(jìn)行探測(cè)，所測(cè)聲納剖面值將在第3步 和第4步中使用。
第3步進(jìn)行首搖、縱傾和定位延遲校正數(shù)據(jù)后處理。首先從首搖校正 數(shù)據(jù)計(jì)算初步測(cè)深結(jié)果，獲得首搖修正量，然后修正縱傾校正數(shù)據(jù)中的首搖 值，并處理得到縱傾修正量，最后把首搖修正量和縱傾修正量代入定位延遲 校正數(shù)據(jù)，獲得定位延遲的值。首搖和縱傾校正數(shù)據(jù)后處理中對(duì)兩個(gè)聲納陣 的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理。
本步驟的首搖、縱傾和定位延遲校正數(shù)據(jù)后處理可參考"橫搖偏差和縱 傾偏差的校正方法劉方蘭，張志榮，余平，多波束系統(tǒng)橫搖、縱傾參數(shù)的 校正方法[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)地球科學(xué)版，2004, 34 (4): 621-624."以及"導(dǎo) 航定位延遲校正方法和首搖偏差的校正方法劉勝旋，關(guān)永賢，多波束系統(tǒng)的參數(shù)誤差判斷及校正[J].海洋測(cè)繪，2002, 22 (1): 33-37."
第4步進(jìn)行橫搖校正數(shù)據(jù)后處理。帶入首搖偏差、縱傾偏差和定位延遲 等修正量，利用平坦區(qū)域的探測(cè)數(shù)據(jù)采用擬合算法獲得橫搖系統(tǒng)偏差修正 量，利用同一側(cè)聲納陣對(duì)同一區(qū)域的經(jīng)過(guò)橫搖多次測(cè)量值的一致性作為判定 修正量是否正確的判據(jù)。橫搖校正要分左右舷分別進(jìn)行。
本步驟的橫搖校正數(shù)據(jù)后處理可參考"橫搖偏差和縱傾偏差的校正方法 劉方蘭，張志榮，余平，多波束系統(tǒng)橫搖、縱傾參數(shù)的校正方法[J].吉林 大學(xué)學(xué)報(bào)地球科學(xué)版，2004， 34 (4): 621-624."以及"橫搖偏差的校正方 法吳自銀，金翔龍，多波束測(cè)深邊緣波束誤差的綜合校正[J].海洋學(xué)報(bào)， 2005， 27 (4): 88-94"。
第5步將橫搖偏差修正量代入第3步，替換原有的橫搖數(shù)據(jù)，然后重新 按照第3步的方法，依次計(jì)算出新的首搖偏差、縱傾偏差和定位延遲修正量， 然后再把新的首搖偏差、縱傾偏差和定位延遲修正量代入第4步，再次計(jì)算 橫搖偏差修正量。如此反復(fù)上述的迭代計(jì)算過(guò)程，直到首搖偏差、縱傾偏差、 定位延遲和橫搖偏差修正量的變化量均小于預(yù)設(shè)的門限值或收斂于某一值 為止。當(dāng)然，這里停止迭代計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)也可以是其中某一個(gè)或多個(gè)參數(shù)修正 量的變化量小于預(yù)設(shè)的門限值或收斂于某一值，這是本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理 解的。
具體地說(shuō)，本步驟中，首先判斷所選取的待校準(zhǔn)參量的當(dāng)前修正量(如 橫搖偏差修正量的當(dāng)前值)是否小于預(yù)設(shè)的門限值或收斂于某一數(shù)值；如判 斷為是，則將待校準(zhǔn)參量當(dāng)前修正量做為該待校準(zhǔn)參量的最終修正量；如判 斷為否，則待校準(zhǔn)參量的值(即橫搖偏差的值)用該待校準(zhǔn)參量當(dāng)前值(即 當(dāng)前的橫搖偏差值)與當(dāng)前修正量(即當(dāng)前的橫搖偏差修正量)之和替換， 然后將新的待校準(zhǔn)參量的值(即新的橫搖偏差的值)代入第3步，重新計(jì)算 其它待校準(zhǔn)參量的修正量(如首搖偏差、縱傾偏差和定位延遲修正量)；這 樣不斷反復(fù)迭代計(jì)算并更新各待校準(zhǔn)參量(包括首搖偏差、縱傾偏差、定位
13延遲和橫搖偏差)的修正量，直至所有待校準(zhǔn)參量都符合上述判斷條件，從 而得到最終修正量。
第6步在海上選擇十字交叉測(cè)線進(jìn)行內(nèi)符合試驗(yàn)，用獲得的各修正量對(duì) 相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，并處理獲得測(cè)深結(jié)果進(jìn)行內(nèi)符合評(píng)估， 一全驗(yàn)系統(tǒng)偏差校 正的效果。
對(duì)內(nèi)符合評(píng)估結(jié)果的分析表明，所有測(cè)深點(diǎn)中，96. 6%的點(diǎn)的誤差小于 0. 2712米，測(cè)量精度超過(guò)IHO—級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。本發(fā)明提出的高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲 納系統(tǒng)偏差校正方法通過(guò)了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，可以獲得高精度的測(cè)深圖。
實(shí)施例2
本實(shí)施例的1至3步以及第5 、第6步與實(shí)施例1一致，其區(qū)別在于為 獲得更精確的偏差修正數(shù)據(jù)，本實(shí)施例的第4步考慮到聲納通道不一致性引 起的入射角系統(tǒng)偏差，對(duì)橫搖和入射角偏差同時(shí)進(jìn)行才交正。下面詳細(xì)描迷本 實(shí)施例第4步的原理及實(shí)施步驟。
對(duì)于高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納，由于各通道間的不一致性，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理 之后得到的入射角存在固定的偏差。它的大小隨e的值而改變，在S取值處于 一定區(qū)間的時(shí)候會(huì)有較大值。這一偏差在測(cè)深圖上表現(xiàn)為平行于航跡方向的 溝狀或脊?fàn)罴俚匦?。由于入射角偏差的存在，?dǎo)致實(shí)測(cè)法中的海底垂直航跡 方向的平均坡度的計(jì)算產(chǎn)生很大誤差，單純調(diào)整橫搖角也無(wú)法使剖面重合。 因此橫搖的安裝偏差和入射角的偏差對(duì)深度和位置的影響是疊加在一起的， 對(duì)它們的校正必須同時(shí)完成，稱為橫搖和入射角偏差綜合校正。
橫搖和入射角偏差綜合校正，在一個(gè)平坦的海底進(jìn)行校正試驗(yàn)，采集數(shù) 據(jù)。采用一定的擬合算法獲得橫搖安裝偏差和入射角系統(tǒng)偏差的修正量，利 用同 一側(cè)聲納陣對(duì)同 一 區(qū)域的經(jīng)過(guò)^f黃搖和入射角校正后的多次測(cè)量值盡可 能一致作為判定修正量是否正確的判據(jù)。橫搖和入射角系統(tǒng)偏差綜合校正要 分左右舷分別進(jìn)行。使用如上圖所示測(cè)線在平坦區(qū)域釆集數(shù)據(jù)，測(cè)線長(zhǎng)度為聲納的兩側(cè)的最 大覆蓋范圍，測(cè)線間隔為單測(cè)的最大覆蓋范圍。
實(shí)際工作中采用如下步驟獲得橫搖和入射角偏差綜合修正量
1. 沿圖l所示測(cè)線航行，釆集測(cè)深數(shù)據(jù)，取AB段和CD段的右舷測(cè)深數(shù) 據(jù)作為右舷橫搖和入射角偏差綜合校正的原始數(shù)據(jù)，CD段和EF段的左 舷測(cè)深數(shù)據(jù)作為左舷橫搖和入射角偏差綜合校正的原始數(shù)據(jù)。試驗(yàn)前 后要采集聲速剖面數(shù)據(jù)。
2. 取AB段的右舷測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。取一次發(fā)射得到的右舷測(cè)深數(shù) 據(jù)(假設(shè)為第i幀右舷測(cè)深數(shù)據(jù))，讀取其中的正下方散射信號(hào)到達(dá)時(shí) 間，再根據(jù)聲速剖面數(shù)據(jù)計(jì)算出正下方深度d。
3. 在每個(gè)測(cè)深點(diǎn)的深度都等于d的假設(shè)條件下，擬合出第i幀右舷數(shù) 據(jù)中每個(gè)時(shí)延T對(duì)應(yīng)的理論入射角W。擬合算法使用各種測(cè)深參數(shù)和 聲速剖面按照聲線跟蹤法的公式進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)過(guò)層層遞推，直到深度 等于d,最終得到每個(gè)時(shí)延T對(duì)應(yīng)的理論入射角W。
4. 每個(gè)時(shí)延T對(duì)應(yīng)的實(shí)際入射角^ (即在第i幀右舷數(shù)據(jù)中讀取的入 射角^)與它對(duì)應(yīng)的理論入射角W (即第3步中擬合得到的入射角W) 的差值A(chǔ), (0)即為第i幀的右舷橫搖和入射角偏差綜合修正量。
5. 對(duì)AB段的每一幀右舷測(cè)深數(shù)據(jù)計(jì)算An的，求它們的平均值A(chǔ)的。
6. 考慮到海底一般總會(huì)有一定的固有傾斜，把A的代入到參數(shù)修正 公式中，根據(jù)CD段右舷測(cè)深數(shù)據(jù)計(jì)算深度和位置，然后得出垂直航跡
方向的平均坡度- , A的減去f得到右舷橫搖和入射角偏差綜合修正 量。
7. 對(duì)右舷橫搖和入射角偏差綜合修正量進(jìn)行微調(diào)，直到AB段和CD段 的右舷測(cè)深結(jié)果盡可能一致。
8. 參考上述2至7步驟，對(duì)CD段和EF段的左舷測(cè)深數(shù)據(jù)做同樣的處理得到左舷橫搖和入射角偏差綜合修正量。 實(shí)施例3
本實(shí)施例是在實(shí)施例2的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮運(yùn)動(dòng)傳感器輸出延時(shí)， 從而對(duì)各系統(tǒng)偏差進(jìn)4亍更加精確的校正。
除安裝偏差以外，橫搖、縱傾和首搖角還存在運(yùn)動(dòng)傳感器輸出延時(shí)所 造成的偏差。采用一定的方法得到運(yùn)動(dòng)傳感器輸出延時(shí)即可校正這個(gè)偏差。 一般運(yùn)動(dòng)傳感器輸出延時(shí)是一個(gè)固定的系統(tǒng)參數(shù)，由運(yùn)動(dòng)傳感器生產(chǎn)廠家給 出。但是在實(shí)際工作中，由于數(shù)據(jù)傳輸或者計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的延時(shí)，導(dǎo)致實(shí) 際的運(yùn)動(dòng)傳感器輸出延時(shí)與廠家給出的值不符。這個(gè)值的測(cè)量比較困難，本 文通過(guò)數(shù)據(jù)后處理進(jìn)行運(yùn)動(dòng)傳感器輸出延時(shí)校正，其原理是幾何上可以證明 對(duì)于平坦區(qū)域的測(cè)深結(jié)果，其中某一幀的斜率等于這一幀的橫搖偏差。具體
才交正方法々o下
1. 取一段在平坦區(qū)域得到的測(cè)深數(shù)據(jù)作為校正的原始數(shù)據(jù)；
2. 把已有的系統(tǒng)偏差修正量代入到參數(shù)修正公式中，根據(jù)原始數(shù)據(jù) 計(jì)算深度和位置，然后擬合出每一次發(fā)射得到的測(cè)深數(shù)據(jù)(假設(shè)為第 i幀數(shù)據(jù))的斜率。；
3. 讀取每一幀的橫搖R,和時(shí)間T,,它們是——對(duì)應(yīng)的，得到R,(Ti);
4. 由下式計(jì)算由于運(yùn)動(dòng)傳感器輸出延時(shí)造成的每一幀的橫搖偏差
AiR(r。卜R,(7;—r。) — R,(r,)
按最小均方誤差準(zhǔn)則選取最優(yōu)的r。值，即取使得Z (A,R(r。)- 。)2最
小的t。為最終運(yùn)動(dòng)傳感器延時(shí)修正量。 本實(shí)施例中，將所述運(yùn)動(dòng)傳感器延時(shí)修正量代入第4步(即實(shí)施例1 中進(jìn)行橫搖校正數(shù)據(jù)后處理的步驟)的計(jì)算，用以提高橫搖和入射角偏差綜 合校正的準(zhǔn)確性。
另外，由于運(yùn)動(dòng)傳感器延時(shí)對(duì)縱傾和首搖偏差同樣會(huì)造成一定影響，因此，也可以同時(shí)在第3步(即實(shí)施例1中進(jìn)行首搖、縱傾和定位延遲才交正 數(shù)據(jù)后處理的步驟)的計(jì)算中代入所述運(yùn)動(dòng)傳感器延時(shí)修正量。
實(shí)施例4
本實(shí)施例與前三個(gè)實(shí)施例的區(qū)別在于對(duì)各參數(shù)偏差才交正的順序選擇
上，其余部分與實(shí)施例1或2或3—致。本實(shí)施例的步驟如下
第l步系統(tǒng)安裝時(shí)盡可能精確的測(cè)量定位系統(tǒng)天線、運(yùn)動(dòng)傳感器和聲 納陣之間的相對(duì)距離，減小由于相對(duì)距離引起的系統(tǒng)偏差。
第2步進(jìn)行海上校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。校準(zhǔn)試驗(yàn)包含兩部分 一是按照常規(guī)方法 獲得進(jìn)行首搖校正、縱傾校正和定位延遲校正需要的數(shù)據(jù)；二是選擇盡量平 坦的區(qū)域測(cè)量以獲得橫搖和入射角系統(tǒng)偏差校正所需要的數(shù)據(jù)，使用如圖l 所示測(cè)線，測(cè)線長(zhǎng)度為聲納的兩側(cè)的最大覆蓋范圍，測(cè)線間隔為單測(cè)的最大測(cè)。
第3步對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)修正，得到初步測(cè)深結(jié)果。對(duì)初步測(cè)深結(jié) 果進(jìn)行分析，根據(jù)對(duì)測(cè)深結(jié)果的影響大小，對(duì)各系統(tǒng)參數(shù)偏差的嚴(yán)重程度進(jìn) 行排序，從而得出各系統(tǒng)參數(shù)偏差進(jìn)行校正的優(yōu)先級(jí)。這里的需要進(jìn)行優(yōu)先 級(jí)排序的系統(tǒng)參數(shù)至少包括首搖、縱傾、定位延遲和橫搖。
第4步根據(jù)所述各系統(tǒng)參數(shù)偏差進(jìn)行校正的優(yōu)先級(jí)，依照優(yōu)先級(jí)由高 到低的順序依次進(jìn)行校正數(shù)據(jù)后處理，得到它們的修正量。每一步獲得的系 統(tǒng)參數(shù)偏差修正量要代入到下 一 步的優(yōu)先級(jí)較低的系統(tǒng)參數(shù)偏差的數(shù)據(jù)處 理中。
第5步將第4步獲得的優(yōu)先級(jí)最低的系統(tǒng)參數(shù)偏差的修正量重新代入 優(yōu)先級(jí)最高的系統(tǒng)參數(shù)偏差修正量的數(shù)據(jù)處理，再次執(zhí)行第4步，依照優(yōu)先 級(jí)由高到低的順序依次進(jìn)行校正數(shù)據(jù)后處理，得出各系統(tǒng)參數(shù)偏差修正量， 獲得更準(zhǔn)確的系統(tǒng)偏差修正量。如此反復(fù)上述過(guò)程，直到各參數(shù)變化量小于
17預(yù)設(shè)的門限值或收斂于某一值為止。
第6步在海上選擇十字交叉測(cè)線進(jìn)行內(nèi)符合評(píng)估試驗(yàn)，用獲得的各系
統(tǒng)偏差修正量校正系統(tǒng)偏差，進(jìn)行參數(shù)修正和內(nèi)符合評(píng)估，檢驗(yàn)系統(tǒng)偏差校
正的效果。
以上所述的具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案以及有益效果進(jìn)行了 詳細(xì)的說(shuō)明。所應(yīng)理解的是，上述內(nèi)容僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不 用于限制本發(fā)明。凡在本發(fā)明的精神與原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替 換以及改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)深聲納系統(tǒng)偏差校正方法，包括如下步驟1)通過(guò)海上校準(zhǔn)試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)，得出各個(gè)待校準(zhǔn)參量的初始值；所述校準(zhǔn)參量至少包括橫搖偏差；2)選取一個(gè)待校準(zhǔn)參量，根據(jù)各個(gè)待校準(zhǔn)參量的當(dāng)前值，計(jì)算出所選取的待校準(zhǔn)參量的修正量；3)判斷所選取的待校準(zhǔn)參量的當(dāng)前修正量是否小于預(yù)設(shè)的門限值或收斂于某一數(shù)值；如判斷為是，則將待校準(zhǔn)參量當(dāng)前修正量做為該待校準(zhǔn)參量的最終修正量；如判斷為否，則待校準(zhǔn)參量的值用該待校準(zhǔn)參量當(dāng)前值與當(dāng)前修正量之和替換，返回步驟2)；4)當(dāng)所有待校準(zhǔn)參量都得到最終修正量時(shí)，校正過(guò)程結(jié)束。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)深聲納系統(tǒng)偏差校正方法，其特征在于， 所述待校準(zhǔn)參量還包括入射角系統(tǒng)偏差。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的測(cè)深聲納系統(tǒng)偏差校正方法，其特征在于， 所述待校準(zhǔn)參量還包括首搖偏差。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的測(cè)深聲納系統(tǒng)偏差校正方法，其特征在于， 所述待校準(zhǔn)參量還包括縱傾偏差。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的測(cè)深聲納系統(tǒng)偏差校正方法，其特征在于， 所述待校準(zhǔn)參量還包括定位延遲。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)深聲納系統(tǒng)偏差校正方法，其特征在于， 所述的測(cè)深聲納系統(tǒng)是高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納系統(tǒng)，所述橫搖偏差和入射角 系統(tǒng)偏差同步進(jìn)行校正，得出橫搖和入射角偏差的綜合修正量。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的測(cè)深聲納系統(tǒng)偏差校正方法，其特征在于，所述橫搖和入射角偏差的綜合修正量的計(jì)算方法如下a) 在海上校準(zhǔn)試^r中，沿預(yù)定測(cè)線航行，采集測(cè)深數(shù)據(jù)；釆集試驗(yàn)前后 的聲速剖面數(shù)據(jù)；b) 分別對(duì)右舷測(cè)深數(shù)據(jù)和左舷測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分別得到右舷橫搖和 入射角偏差綜合修正量以及左舷橫搖和入射角偏差綜合修正量，對(duì)測(cè)深數(shù)據(jù) 進(jìn)^f亍處理方法如下bl)對(duì)于第i幀測(cè)深數(shù)據(jù)，讀取其中的正下方散射信號(hào)到達(dá)時(shí)間，再根 據(jù)聲速剖面數(shù)據(jù)計(jì)算出正下方深度d;b2)在每個(gè)測(cè)深點(diǎn)的深度都等于d的假設(shè)條件下，擬合計(jì)算出第i幀右 舷數(shù)據(jù)中每個(gè)時(shí)延t對(duì)應(yīng)的理論入射角6>';b3)計(jì)算在第i幀測(cè)深數(shù)據(jù)中直接讀取的每個(gè)時(shí)延T對(duì)應(yīng)的實(shí)際入射角e與它對(duì)應(yīng)的理論入射角"的差值A(chǔ)i的，將該差值A(chǔ)j的作為第i幀的橫搖和入射角偏差綜合修正量；b4)計(jì)算出單條航跡上所有幀的橫搖和入射角偏差綜合修正量的平均b5)根據(jù)垂直航跡方向的平均坡度，以及不同航跡上計(jì)算出的橫搖和入 射角偏差綜合修正量平均值，得出修正后的橫搖和入射角偏差綜合修正量。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的測(cè)深聲納系統(tǒng)偏差校正方法，其特征在于， 所述校準(zhǔn)參量還包括運(yùn)動(dòng)傳感器輸出延時(shí)偏差，獲得所述運(yùn)動(dòng)傳感器輸出延 時(shí)偏差的修正量的方法如下c 1)取一段在平坦區(qū)域得到的測(cè)深數(shù)據(jù)作為校正的原始數(shù)據(jù)；c2)把已有的系統(tǒng)校準(zhǔn)參量的修正量代入，根據(jù)原始數(shù)據(jù)計(jì)算深度和位 置，擬合計(jì)算出每一次發(fā)射得到的測(cè)深數(shù)據(jù)的斜率，將第i幀數(shù)據(jù)的斜率r,;c3)讀取每一幀的橫搖r,和時(shí)間t,，得到r,(t;);c4)計(jì)算由于運(yùn)動(dòng)傳感器輸出延時(shí)造成的每一幀的橫搖偏差A(yù),r(r》r,d)-r,(7;)按最小均方誤差準(zhǔn)則選取最優(yōu)的r。值，取使得Z(A,r(r。)-r,)2最小的r。為最終運(yùn)動(dòng)傳感器延時(shí)修正量。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的測(cè)深聲納系統(tǒng)偏差校正方法，其特征在于， 所述步驟2)中，首先對(duì)各待校準(zhǔn)參量的偏差的嚴(yán)重程度進(jìn)行排序，得出各 待校準(zhǔn)參量進(jìn)行校正的優(yōu)先級(jí)，然后按優(yōu)先級(jí)依次選取各待校準(zhǔn)參量以對(duì)各 待校準(zhǔn)參量的修正量進(jìn)行計(jì)算。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的測(cè)深聲納系統(tǒng)偏差校正方法，其特征在于， 所述步驟2)中，選取各待校準(zhǔn)參量的順序依次為首搖偏差、縱傾偏差、 定位延遲、^f黃搖偏差和入射角系統(tǒng)偏差。
全文摘要
本發(fā)明提供一種測(cè)深聲納系統(tǒng)偏差校正方法，包括如下步驟1)通過(guò)海上校準(zhǔn)試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)，得出各個(gè)待校準(zhǔn)參量的初始值；2)選取一個(gè)待校準(zhǔn)參量，根據(jù)各個(gè)待校準(zhǔn)參量的當(dāng)前值，計(jì)算出所選取的待校準(zhǔn)參量的修正量；3)判斷所選取的待校準(zhǔn)參量的當(dāng)前修正量是否小于預(yù)設(shè)的門限值或收斂于某一數(shù)值；如判斷為否，則待校準(zhǔn)參量的值用該待校準(zhǔn)參量當(dāng)前值與當(dāng)前修正量之和替換，返回步驟2)，直至所有待校準(zhǔn)參量的修正量均符合上述判定條件。本發(fā)明綜合考慮系統(tǒng)中的各校準(zhǔn)參量，利用反饋機(jī)制，降低了各系統(tǒng)偏差之間的影響，增加了各系統(tǒng)偏差修正量的準(zhǔn)確性。同時(shí)本發(fā)明考慮了高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納的各項(xiàng)特點(diǎn)，因此特別適合應(yīng)用于高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納。
文檔編號(hào)G01S7/52GK101587187SQ20081011248
公開(kāi)日2009年11月25日 申請(qǐng)日期2008年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月23日
發(fā)明者劉曉東, 孫宇佳, 張方生, 朱維慶, 高俊濤 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所