本發(fā)明屬于海洋測(cè)繪數(shù)據(jù)后處理領(lǐng)域，具體涉及一種自適應(yīng)多節(jié)點(diǎn)等效聲速剖面的構(gòu)建方法。

背景技術(shù)：

多波束測(cè)深是目前國內(nèi)海洋水深測(cè)量的主要技術(shù)手段之一，其具有高覆蓋率、高精度、高效率等優(yōu)點(diǎn)。多波束測(cè)深系統(tǒng)通過一組正交的發(fā)射基陣和接收基陣，向海底發(fā)射并接收反射或散射聲波，根據(jù)聲波入射角度和往返雙程的時(shí)間基于snell定律來計(jì)算海底測(cè)點(diǎn)的位置和深度。然而由于海洋環(huán)境的不均勻性和聲線折射原理，使得聲波在海水中傳播時(shí)產(chǎn)生聲速變化和聲線彎曲現(xiàn)象，而聲速變化和聲線彎曲在很大程度上影響了多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量成果的質(zhì)量和精度，是多波束測(cè)深數(shù)據(jù)系統(tǒng)誤差的主要來源。所以想要獲得高精度、高質(zhì)量的多波束測(cè)深成果，就必須提出一種高效的、高精度的聲速改正技術(shù)。傳統(tǒng)的多波束聲速改正方法，大多數(shù)還是依賴于實(shí)測(cè)的聲速剖面根據(jù)時(shí)間最近原則或者位置最近原則進(jìn)行改正的，而想要獲取高精度的聲速剖面數(shù)據(jù)是非常困難的。目前，聲速剖面的獲取方法主要有直接利用儀器測(cè)量獲取和利用聲速經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头囱輧煞N方法，而通過儀器測(cè)量聲速剖面又有直接測(cè)量法(利用聲速剖面儀直接測(cè)量聲速)和間接測(cè)量法(利用ctd間接測(cè)量聲速)，由ctd或聲速剖面儀等聲速剖面測(cè)量設(shè)備單次實(shí)測(cè)出的聲速剖面節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量可能會(huì)非常龐大，會(huì)大大降低數(shù)據(jù)處理的工作效率，甚至?xí)?dǎo)致一些多波束系統(tǒng)無法正常工作。針對(duì)這個(gè)問題，目前通常的解決辦法是利用等間距分層的聲線跟蹤技術(shù)或者等效聲速剖面法來改進(jìn)聲速改正模型。廣泛采用的等間距分層方法隨著分層密度的增加，越接近原聲速剖面，得到的測(cè)深結(jié)果精度也就越高，但隨之而來的是計(jì)算量也會(huì)大大增加。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于等間距分層中測(cè)深精度和計(jì)算量之間的矛盾，本發(fā)明提出了一種基于聲線跟蹤的自適應(yīng)多節(jié)點(diǎn)等效聲速剖面的構(gòu)建方法，設(shè)計(jì)合理，克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，具有良好的效果。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種自適應(yīng)多節(jié)點(diǎn)等效聲速剖面的構(gòu)建方法，能夠?qū)崿F(xiàn)任意聲速剖面在滿足測(cè)深精度條件下根據(jù)聲速分布變化的自適應(yīng)非等間距分層搜索，并能有效控制分層數(shù)量，包括以下步驟：

步驟1，首先需要通過ctd或聲速剖面儀等聲速剖面測(cè)量設(shè)備按一定采樣密度獲取測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的聲速剖面，測(cè)量時(shí)盡量減小誤差因素對(duì)聲速剖面測(cè)量的影響，以獲取比較優(yōu)質(zhì)的聲速剖面；

步驟2，通過ctd或聲速剖面儀等聲速剖面測(cè)量設(shè)備單次測(cè)得的聲速剖面數(shù)據(jù)往往存在一定的測(cè)量誤差，在使用前，需要對(duì)實(shí)測(cè)聲速剖面進(jìn)行平滑處理，處理掉一些測(cè)量時(shí)無法避免的觀測(cè)誤差；

步驟3，根據(jù)douglas-peucker算法原理，需要在聲速剖面上選取兩個(gè)聲速節(jié)點(diǎn)，實(shí)際操作中通常選取剖面曲線兩端點(diǎn)，即第一個(gè)點(diǎn)p1(c(1),z(1))和最后一個(gè)點(diǎn)pn(c(n),z(n))，然后將兩個(gè)端點(diǎn)連接成一條直線，然后按照公式(1)計(jì)算聲速剖面上其他各點(diǎn)到這條直線的距離di；

其中，c(1)、z(1)為p1點(diǎn)對(duì)應(yīng)的聲速值和深度值，同理，c(n)、z(n)分別為pn點(diǎn)對(duì)應(yīng)的聲速值和深度值；

步驟4，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定一定的閾值δ，若由上述距離公式計(jì)算出的距離di中的最大值{di}max<δ，則將中間所有的點(diǎn)都舍去，只保留兩個(gè)端點(diǎn)；若{di}max≥δ，則保留剖面點(diǎn)中到直線距離最大的中間點(diǎn)，并以該點(diǎn)為分界點(diǎn)，將整個(gè)聲速剖面分成兩部分，之后再對(duì)分開的每個(gè)部分分別重復(fù)步驟3、步驟4所述的過程，直到?jīng)]有點(diǎn)再被舍棄為止；

步驟5，將根據(jù)步驟4中經(jīng)過douglas-peucker算法抽稀出的相鄰聲速特征點(diǎn)用線段連接起來，并設(shè)置成可拖動(dòng)的節(jié)點(diǎn)，根據(jù)面積差為零的原理，左右拖動(dòng)節(jié)點(diǎn)，使構(gòu)建的聲速剖面與坐標(biāo)軸圍成的面積盡量接近原聲速剖面與坐標(biāo)軸圍成的面積，即原聲速剖面分布于等效聲速剖面兩側(cè)的面積之差接近于零，拖動(dòng)聲速節(jié)點(diǎn)的直觀效果可通過以下方法來檢驗(yàn)，在原聲速剖面的測(cè)量區(qū)域范圍內(nèi)選擇一處地形平坦的海底地形數(shù)據(jù)，在對(duì)數(shù)據(jù)做了一些簡(jiǎn)單的處理但是不做聲速改正時(shí)，其海底地形的側(cè)投影會(huì)表現(xiàn)出邊緣波束上翹(或下彎)的現(xiàn)象，即每段地形呈現(xiàn)“笑臉”(或“哭臉”)形狀，若聲速節(jié)點(diǎn)調(diào)節(jié)合適，即使用理想的等效聲速剖面對(duì)海底地形數(shù)據(jù)進(jìn)行改正，其邊緣波束便歸于平整，實(shí)現(xiàn)地形間的無縫拼接，如果聲速節(jié)點(diǎn)調(diào)節(jié)的不正確，則其邊緣波束仍然會(huì)出現(xiàn)上翹(或下彎)的現(xiàn)象，則繼續(xù)通過人工手動(dòng)調(diào)節(jié)聲速節(jié)點(diǎn)，使得邊緣波束歸于平整。使邊緣波束歸于平整時(shí)的聲速剖面即為最終想要得到的等效聲速剖面。

步驟6，根據(jù)步驟4中得到的分層結(jié)果及初始入射角和表層聲速儀測(cè)得的表層聲速，做等效梯度聲線跟蹤，確定波束腳印相對(duì)船體坐標(biāo)系的坐標(biāo)，假設(shè)自適應(yīng)分層的結(jié)果共為n層，則定義第i層(i＝1，2，…，n)的上層面深度值為zi-1，下層面深度值為zi，對(duì)應(yīng)深度zi有掠射角αi和聲速值ci。等梯度近似情況下，設(shè)第i層內(nèi)聲速梯度為gi，則任意深度處的聲速c(z)便可以計(jì)算出來，聲線在同一層內(nèi)為曲率恒定的圓弧，圓弧的曲率半徑對(duì)應(yīng)為ri，任意層內(nèi)的水平位移xi可利用幾何關(guān)系計(jì)算，累加即可得目標(biāo)與基陣之間的水平距離x：

優(yōu)選地，所述的步驟1中，海水的聲速可以通過聲速剖面儀直接測(cè)量法和經(jīng)驗(yàn)公式間接測(cè)量法兩種方法求得。具體方式如下：

a.其中，利用聲速剖面儀獲取聲速剖面時(shí)為直接獲取，在靠近聲速儀探頭頂端裝有高頻“環(huán)鳴”傳感器和相關(guān)的反射器，這一對(duì)精確安置的配件依照它們已知的間距，發(fā)射和接收信號(hào)，從而量測(cè)水中的聲速；

b.利用ctd測(cè)量時(shí)是通過儀器各傳感器獲取海水的溫度、鹽度和深度，然后根據(jù)一定參數(shù)的聲速經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的各深度下的聲速值。

優(yōu)選地，所述的步驟4中，實(shí)際過程通過編程實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)施步驟為：

a.比較各聲速點(diǎn)到兩端點(diǎn)(或兩特征節(jié)點(diǎn))連線的距離，將距離的最大值賦給dmax；

b.根據(jù)實(shí)際情況和想要分的層數(shù)確定閾值δ的大?。?/p>

c.比較dmax與閾值δ的大??；

d.根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行取舍，保留的特征點(diǎn)與兩端點(diǎn)(或兩特征節(jié)點(diǎn))連線，重復(fù)以上步驟，直至沒有滿足條件的特征點(diǎn)出現(xiàn)。

優(yōu)選地，所述的步驟5中，具體實(shí)施步驟為：

a.根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)聲速節(jié)點(diǎn)；

b.然后將調(diào)整過的聲速剖面載入多波束數(shù)據(jù)后處理軟件中，對(duì)選取測(cè)區(qū)內(nèi)仍未做聲速改正的測(cè)深數(shù)據(jù)做聲速改正；

c.通過觀察做完聲速改正之后的地形側(cè)投影情況，調(diào)節(jié)聲速節(jié)點(diǎn)，以不出現(xiàn)“哭臉”、“笑臉”地形為標(biāo)準(zhǔn)，使兩ping間的地形完美平整的拼接在一起。

優(yōu)選地，所述的步驟6中，實(shí)際過程通過編程實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)施步驟為：

a.根據(jù)保留的相鄰兩節(jié)點(diǎn)的聲速值ci-1、ci，計(jì)算層內(nèi)梯度gi；

b.計(jì)算曲率半徑r；

c.根據(jù)ci處入射角和曲率半徑r確定層內(nèi)圓弧圓心，以確定的圓心和半徑畫園弧，即得到第i層內(nèi)等梯度聲線跟蹤結(jié)果。

優(yōu)選地，所述的步驟1中，利用聲速剖面儀根據(jù)脈沖循環(huán)法直接獲取聲速剖面的方法基于公式

其中，c為測(cè)得的聲速值，d為聲速剖面儀發(fā)射、接收換能器之間的精確距離，t為測(cè)量脈沖信號(hào)傳播的時(shí)間。脈沖循環(huán)法是目前應(yīng)用最廣的聲速測(cè)量方法，此類聲速儀的精度一般可以達(dá)到每秒亞米級(jí)。

利用ctd間接測(cè)量時(shí)，直接測(cè)得海水的溫度、鹽度和壓力隨深度的變化，進(jìn)而通過經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算聲速。根據(jù)不同實(shí)際情況選擇不同參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。

優(yōu)選地，所述的步驟6中，層內(nèi)梯度gi的計(jì)算公式為

其中，ci-1、ci分別為第i層上層面聲速值和下層面聲速值；

任意深度處的聲速c(z)的計(jì)算公式為

c(z)＝ci-1+gi(z-zi-1)

其中，ci-1、zi-1分別為上層面聲速值和深度值，z為需要計(jì)算聲速處的深度，由此式可以計(jì)算出上下層實(shí)測(cè)聲速點(diǎn)間任意深度出的聲速值；

同一分層內(nèi)圓弧的半徑ri的計(jì)算公式為

其中，c0、α0分別為聲速剖面的初始聲速和聲線初始入射角。

本發(fā)明所帶來的有益技術(shù)效果：

一種自適應(yīng)多節(jié)點(diǎn)等效聲速剖面的構(gòu)建方法能夠?qū)崿F(xiàn)在滿足測(cè)深精度要求下自適應(yīng)的對(duì)聲速剖面進(jìn)行非等間距最少層數(shù)的分層，然后利用等梯度聲線跟蹤的方法初步構(gòu)建等效聲速剖面，最后再通過人工手動(dòng)調(diào)節(jié)聲速節(jié)點(diǎn)，調(diào)整聲速剖面，使其更接近實(shí)際聲速剖面；實(shí)現(xiàn)了一定規(guī)律下的非等間距分層，達(dá)到了高效、高精度聲速改正的目的。

附圖說明

圖1是聲速以等梯度變化情況下的聲線跟蹤中第i層聲線軌跡示意圖。

圖2是本發(fā)明中自適應(yīng)分層的原理示意圖。

圖3是harmonic平均聲速原理圖。

圖4是聲速以等梯度變化情況下的聲線跟蹤原理圖。

圖5是等效聲速斷面圖。

圖6是本發(fā)明中拖動(dòng)聲速節(jié)點(diǎn)的示意圖。

圖7是本發(fā)明中聲速節(jié)點(diǎn)拖動(dòng)過程中海底地形拼接情況變化示意圖。

具體實(shí)施方式

下面通過實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說明。

實(shí)施例：

首先介紹一下本發(fā)明所需要的理論基礎(chǔ)：

1.douglas-peucker算法

douglas-peucker算法是數(shù)據(jù)抽稀、分層的主要算法之一，是一種通過保留特征點(diǎn)舍棄非特征點(diǎn)來達(dá)到數(shù)據(jù)抽稀目的的算法，其基本思想如下：

首先將需要抽稀或分層曲線的首尾端點(diǎn)連成一條直線，然后計(jì)算其余各點(diǎn)到該直線的垂直距離di，其計(jì)算公式如下：

若其余各點(diǎn)到直線距離的最大值{di}max均小于給定的閾值δ，則將其中間點(diǎn)全部舍去，只保留兩端點(diǎn)；若{di}max大于給定的閾值δ，則保留兩端點(diǎn)和到直線距離最大的點(diǎn)，并以此到直線距離最大的點(diǎn)為分界點(diǎn)將原曲線分為兩部分，然后對(duì)每段曲線分別重復(fù)上述過程，直到?jīng)]有多余的點(diǎn)被舍去為止。

2.基于層內(nèi)常梯度下的聲線跟蹤原理

根據(jù)射線聲學(xué)理論，聲波傳播過程能夠用聲線形象的表征。聲線跟蹤是建立在聲速剖面基礎(chǔ)上的一種波束腳印(投射點(diǎn))相對(duì)船體坐標(biāo)系坐標(biāo)的計(jì)算方法。聲線跟蹤一般采用層追加的方法，即將聲速剖面內(nèi)相鄰兩個(gè)聲速采樣點(diǎn)劃分為一個(gè)層，層內(nèi)聲速變化可設(shè)為常值(零梯度)或常梯度?；诔Ｂ曀俚挠?jì)算思想和過程比較簡(jiǎn)單，基于常梯度的計(jì)算相對(duì)復(fù)雜。在基于常梯度的聲線跟蹤計(jì)算過程中，聲速變化函數(shù)采用harmonic平均聲速，其定義為

基于常梯度下的聲線跟蹤，聲速在各層中以不變的梯度gi變化。假設(shè)層i上、下界面處的深度分別為zi、zi+1，此層層厚為δzi；波束在層內(nèi)的實(shí)際傳播軌跡為一連續(xù)的、帶有一定曲率半徑ri的弧段。其中ri為

聲線在層i內(nèi)的水平位移yi為

cosθi＝(1-(pci)²)δzi＝zi+1-zi

波束在該層中形成的弧線長度為si＝ri(θi-θi+1)，則經(jīng)歷該弧線的水平位移和所用時(shí)間分別為

3.等效聲速剖面原理

1999年，geng、zielinski兩位學(xué)者曾提出等效剖面法的理論用于解決多波束聲納中聲線彎曲問題，他們認(rèn)為聲線跟蹤時(shí)，總可以尋找到一個(gè)簡(jiǎn)單的聲速剖面替代實(shí)際聲速剖面，且證明了使用不同聲速剖面得到的深度和水平位移只與各聲速剖面與坐標(biāo)軸圍成的面積以及初始掠射角有關(guān)，與聲速剖面的具體分布形式無關(guān)。聲速剖面直接決定著聲線的實(shí)際軌跡，是聲線改正的基礎(chǔ)。根據(jù)geng、zielinski(1999)的理論，進(jìn)行聲線折射改正時(shí)，不同的聲速剖面所對(duì)應(yīng)的水深，只跟各聲速剖面與坐標(biāo)軸圍成的面積差δs有關(guān)，若面積差為零，則對(duì)應(yīng)的水深值相等。

設(shè)常梯度聲速剖面c0-cb與實(shí)際聲速剖面的面積差為0，以零梯度聲速剖面c0-ca作為參考聲速剖面，根據(jù)上述結(jié)論，采用誤差修正思想，只要得到常梯度聲速剖面c0-cb的梯度，便可將波束在整個(gè)水柱的傳播情況視為常梯度變化，采用類似于常梯度聲線跟蹤的方法獲得深度。

設(shè)εz為實(shí)際聲速斷面與零梯度聲速斷面間的面積差，入射角為θ0的波束的參考深度zb0已知，零梯度聲速斷面確定的深度為z′b0，則深度的相對(duì)誤差εz可定義為

εz＝(z′b0-zb0)/zb0

根據(jù)梯度的定義，可以得到常梯度聲速剖面的梯度geq以及對(duì)應(yīng)的聲線弧段曲率半徑req

若波束往返程時(shí)間為t，根據(jù)常梯度聲線跟蹤原理，深度zb為

由上式可以看出，深度計(jì)算僅利用了表層聲速c0和參考深度zb0，實(shí)際聲速剖面僅用于面積差計(jì)算。

由于常梯度聲速剖面與實(shí)際聲速剖面具有相同的積分面積，利用常梯度聲速剖面計(jì)算的結(jié)果同實(shí)際聲速剖面相同，因此，常梯度聲速剖面被稱為等效聲速剖面，利用等效聲速剖面確定波束腳印位置的方法簡(jiǎn)稱為等效聲速剖面法。

4.snell法則

波束在海水中的折射特性，可通過snell法則很好的反映。

snell法則為：

式中θi和θi+1是聲速為ci和ci+1相鄰介質(zhì)層界面處波束的入射角和折射角，p為snell常數(shù)。

入射角θ≠0時(shí)，波束在界面處發(fā)生折射，若經(jīng)歷的水柱中有n+1個(gè)不同介質(zhì)層，則產(chǎn)生n次折射，波束的實(shí)際傳播路徑為一個(gè)連續(xù)折線，即聲線。snell法則不但解釋了波束在水中的傳播特性，還給出了求解聲線路徑的算法。

聲速以等梯度變化情況下的聲線跟蹤中第i層聲線軌跡示意圖如圖1所示，其中橫軸為x軸，表示目標(biāo)與基陣之間的水平距離，xi為第i層內(nèi)的水平位移，豎軸位z軸，表示目標(biāo)與基陣之間的垂直深度，zi-1為上層面深度值，zi為下層面深度值，對(duì)應(yīng)深度zi-1有掠射角αi-1，同樣，對(duì)應(yīng)深度zi有掠射角αi，ri為對(duì)應(yīng)層內(nèi)曲率半徑。

利用douglas-peucker算法對(duì)原始聲速剖面進(jìn)行分層，提取聲速特征點(diǎn)，自適應(yīng)分層原理示意圖如圖2所示，其中豎軸為深度值，橫軸為對(duì)應(yīng)的聲速值，p1和pn分別為聲速剖面的首尾端點(diǎn)，pi為距離p1pn連線最遠(yuǎn)的聲速點(diǎn)，距離為di，當(dāng)di大于閾值δ時(shí)，則保留pi點(diǎn)，并以此點(diǎn)為界限將原曲線分為兩部分，然后分別連接p1pi，pipn，重復(fù)上述過程。

利用層厚度(zi+1-zi)和聲速函數(shù)cⁱ(z)獲得整個(gè)水柱中的harmonic平均聲速，harmonic平均聲速原理圖如圖3所示。

聲速以等梯度變化情況下的聲線跟蹤原理圖如圖4所示，聲速在各層中以常梯度gi變化，層i上、下界面處的深度分別為zi和zi+1，層厚為δzi，波束在層內(nèi)的實(shí)際傳播軌跡為一連續(xù)的、帶有一定曲率半徑ri的弧段。

等效聲速斷面圖如圖5所示，常梯度聲速剖面c0-cb與實(shí)際聲速剖面的面積差為0，零梯度聲速剖面c0-ca作為參考聲速剖面，只要得到常梯度聲速剖面c0-cb的梯度，便可將波束在整個(gè)水柱的傳播情況視為常梯度變化，采用類似于常梯度聲線跟蹤的方法獲得深度。

拖動(dòng)聲速節(jié)點(diǎn)示意圖如圖6所示，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)聲速節(jié)點(diǎn)更接近實(shí)際聲速剖面。

拖動(dòng)聲速節(jié)點(diǎn)過程中海底地形拼接情況變化示意圖如圖7(a)-如圖7(f)所示，通過調(diào)節(jié)聲速節(jié)點(diǎn)，海底地形隨之變化，最終得到正確的波束腳印位置，兩ping海底地形實(shí)現(xiàn)完美拼接，同時(shí)得到符合精度的海底地形。

實(shí)際構(gòu)建方法流程如下：

a.在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)利用聲速剖面儀實(shí)測(cè)聲速剖面，根據(jù)水深環(huán)境設(shè)置聲速剖面儀采樣間隔(比如淺水環(huán)境下設(shè)置成0.1m)，在測(cè)區(qū)內(nèi)海流較平緩的位置投放聲速剖面儀，聲速剖面儀投放的過程中盡可能保持勻速下放，在快要到達(dá)海底的時(shí)候?qū)⒙曀倨拭鎯x拉回，不要使觸及海底。

b.將實(shí)際測(cè)量的聲速剖面數(shù)據(jù)導(dǎo)出，進(jìn)行簡(jiǎn)單的粗差剔除處理。

c.根據(jù)實(shí)測(cè)聲速剖面的實(shí)際情況，確定自適應(yīng)分層的閾值δ，利用douglas-peucker自適應(yīng)分層算法程序?qū)⒑?jiǎn)單處理后的聲速剖面進(jìn)行自適應(yīng)分層，得到自適應(yīng)分層結(jié)果。

d.利用程序?qū)崿F(xiàn)相鄰聲速特征點(diǎn)的連線，然后設(shè)置節(jié)點(diǎn)為可左右拖動(dòng)的節(jié)點(diǎn)。

e.根據(jù)面積差為零的原理及實(shí)際情況，拖動(dòng)聲速節(jié)點(diǎn)，然后將得到的聲速剖面載入多波束數(shù)據(jù)后處理軟件中對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)的測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行聲速改正，觀察聲速改正后的海底地形側(cè)投影，若地形有上翹或下彎的情況出現(xiàn)，則重新調(diào)節(jié)聲速節(jié)點(diǎn)，重新成圖，直至實(shí)現(xiàn)海底地形不出現(xiàn)上翹或下彎的情況為止，此時(shí)調(diào)節(jié)后的聲速剖面即為最終想要得到的等效聲速剖面。