[发明专利]深海多波束声线精确跟踪方法

说明书

本发明公开了深海多波束声线精确跟踪方法，主要包括以下步骤：(1)在全面分析海洋表层温度、盐度易受各种因素影响的基础上，并综合海洋卫星和Argo浮标多源海洋物理水文观测数据，建立一种时空变化的海洋温盐场模型；(2)通过分析船体瞬时姿态对波束初始入射角的影响，顾及船体姿态精确计算每个波束初始入射角；(3)在声速剖面未实测区域，分别通过时空温盐场模型计算声速和基于经验正交函数反演声速，在相应点位取两种方法获取声速的均值作为该点位的声速，以此计算三维声速剖面模型；(4)构建一种高效的常梯度声线精确跟踪模型；(5)提供声线跟踪精度评估方法。本发明充分顾及了船体姿态对波束初始入射角的影响以及较大地提高了声速剖面的分辨率和精度，因此能够极大地提高波束脚印坐标的精度。

技术领域

本发明涉及声线精确跟踪方法，特别涉及深海多波束声线精确跟踪方法。

背景技术

众所周知，水下目标探测是海底资源调查研究、海洋环境开发和海洋工程设计的工作基础，而多波束测深作为目前水下目标高精度探测的主要手段，可借助其实现海底地形地貌高精度探测、海底资源精准探测开发、水下基准点布设和观测、水下辅助导航、海底滑坡及垮塌等地质灾害的预警、跨海大桥建设辅助勘测等。目前，影响多波束测深精度的主要因素为潮位变化、换能器吃水变化、涌浪变化及声线跟踪。其中潮位、换能器吃水改正和涌浪变化可借助预报或实测数据直接进行深度改正，而声线跟踪与波束初始入射角、声速剖面、跟踪模型密切相关，因此，声线跟踪成为多波束测深数据处理工作中最关键的步骤。

多波束声线跟踪的三个影响因素共同制约着多波束测深精度，具体体现为：

声线精确跟踪首要的前提条件是波束初始入射角的准确计算，而波束初始入射角决定着声线实际传播剖面，故影响到后期在声速剖面中的声线跟踪，最终影响到波束海底投射点坐标的计算精度。

由于水体声速主要受温度、盐度和压力三个因素影响，因此，在不同水团中的声速具有时空变化的特点。而在数据处理过程中，常用实测点位的声速剖面或根据声速经验公式计算的存在较大误差的声速剖面替代未实测点位的声速剖面，常会造成海底地形变形(两边上翘或下塌)(图1)，边缘水深值存在约15％的误差而难以被接受^[1]，特殊情况下，其影响会更大。

声线跟踪模型构建作为声线跟踪的重点工作，目前普遍认为层内常梯度声线跟踪模型最能接近声线实际传播轨迹，但在计算每个水柱的旅行时间中，用垂直方向的平均声速替代了真实弧线上的平均声速，导致声线在每个水柱的旅行时间存在误差，从而影响声线整个旅行时间的精确计算，最终导致波束的归位计算存在较大误差，尤其在边缘波束，如图2所示，左、右图分别为声速剖面改正前后的海底地形，改正前图像存在明显的皱褶，而改正后除了边缘波束外中间区域地形较平滑。但由于声线跟踪不够精准，导致边缘波束的皱褶仍然消除不掉^[2]。其次，在数千米的深海声线跟踪过程中，由于原始声速剖面文件的水柱层数过多，声线跟踪耗时太长，严重影响了波束归位计算效率。

综上所述，传统的声线跟踪方法常造成多波束测深精度低下，尤其在数千米的深海地区，传统方法常给多波束最终测量成果带来非常显著的影响，甚至常出现超过水深值5％的垂直误差而难以被接受。本发明在全面分析传统多波束声线跟踪模型缺陷的基础上，提出了一种精确反映波束实际传播轨迹的思想和算法，最大限度地削弱了上述因素的影响，研究成果将较大地提高深海地区多波束测深精度，使之能够广泛应用于高精度的深海地形地貌测量工程中。

多波束测深精度在较大程度上取决于实际声线的跟踪，而声线的精确跟踪又分别与波束的初始入射角、声速剖面和声线跟踪模型三者具有密切关系，下面分别就以上三者的研究现状进行分析。