[发明专利]基于声速最大偏移的声速剖面快速精简与自动优选方法

摘要

本发明公开了基于声速最大偏移的声速剖面快速精简与自动优选方法，给出了详细的综合技术流程，以解决因原始声速剖面数据量大而严重影响多波束探测与数据处理的工作效率问题。提出声速最大偏移量方法(MOV，Maximum Offset of sound Velocity)，用于自动、快速删除原始声速剖面的冗余点，并通过射线追踪和误差分析评估精简后的声速剖面对多波束测深的精度影响。经实际测试，处理后的声速剖面精简率达90%，经评估声速剖面精度能满足多波束脚印计算要求。该方法可大幅减少多波束勘测与数据处理时间，可有效提升多波束工作效率达3倍以上。该方法在海洋测绘、多波束勘测、海洋地理信息系统、计算机图形学和海底科学研究等方面具有重要的实际应用价值，可推广使用。

主权项

1.基于声速最大偏移的声速剖面快速精简与自动优选方法，其特征在于，包括下列步骤：1）形成原始声速剖面数据集1.1)若有声速剖面，直接形成声速剖面数据集合SVP_in＝{in_svp_i}_i＝1,n，i为声速剖面序号，n为采集的声速剖面个数，i和n均自然数；1.2)若无声速剖面，可采用声速剖面采集仪器，在海洋中获取原始声速剖面，并形成原始声速剖面数据集合SVP_in＝{in_svp_i}_i＝1,n；1.3)每个声速剖面in_svp_i＝{P_j＝(d_j,v_j)}_j＝1,m，其中，P_j为声速剖面点，d_j和v_j为每个声速剖面点P_j所对应的深度值和声速值，m为声速剖面中的有效点数，j和m均为自然数；1.4)输出一个声速剖面in_svp_i，转入步骤2）；2)确定优选阈值区间2.1）输入声速剖面in_svp_i；2.2）遍历声速剖面in_svp_i，获取声速项的最小值v_s和最大值v_e；T_step＝0.001×(v_e-v_s)，T_step为阈值自动计算步长；初始化T_k＝0，T_k为当前声速精简阈值；2.3）自动设置阈值：T_k＝T_k+T_step；2.4)初始化当前声速阈值T_cur＝T_k，V_cur∈in_svp_i，V_cur是当前处理声速剖面段，V_cur＝{P_j＝(d_j,v_j)}_j＝a,b，a和b为自然数，是当前声速剖面段的首点和尾点；初始化V_cur＝in_svp_i＝{P_j＝(d_j,v_j)}_j＝1,m；2.5)删除声速剖面冗余点：2.5.1)提取当前剖面点数据集V_cur的首点P_a＝(d_a,v_a)和尾点P_b＝(d_b,v_b)；2.5.2)遍历当前声速剖面数据集V_cur，依次取出每个声速剖面点P_j，使用公式(1)计算该点在声速维方向的偏移值D_j：Dj=abs[(vj-va)*(dj-da)vb-va+da-vj]---(1)]]>将最大偏移值D_j存入D_max，并将相应的声速剖面点P_j存入P_k，P_k为临时声速剖面变量；2.5.3)若D_max＞T_cur，添加P_k至V_tmp，V_tmp为过程数据集合，将剖面点数据集从P_k处分为两段，即V_cut1＝{P_j}_j＝a,k和V_cut2＝{P_j}_j＝k,b，将声速剖面段V_cut1和V_cut2分别赋值给V_cur，并分别返回步骤2.5.1)重新运算；2.5.4)若D_max≤T_cur，添加P₁和P_m至V_tmp；2.6)输出精简声速剖面：out_svp_i＝V_tmp＝{P_j＝(d_j,v_j)}_j＝1,mo；其中，mo为自然数，是精简后的声速剖面点数；out_svp_i是与in_svp_i对应，是使用阈值为T_cur下减冗处理out_svp_i后形成的新声速剖面；2.7)输出简化率：Peri=(1-mom)×100%;]]>2.8)获得简化率参数Per_k，添加至数据集合；2.9)当T_cur＜v_e-v_s时，返回步骤2.3）；2.10)以T_k为横轴，以Per_k为纵轴，获取精简率曲线，并计算其二阶导数，获得二阶导数曲线2.11）遍历二阶导数曲线获取其绝对值区间[f_min,f_max]，设置曲线截断值f_cut＝0.1×|f_max-f_min|；2.12）根据二阶导数的曲线形态和震荡特征，仅保留二阶导数值小于f_cut的曲线段，并获取该段的优选阈值区间T＝[T_min,T_max]；2.13）输出优选阈值区间T＝[T_min,T_max]，转入步骤3）；3）精简声速剖面3.1）输入声速剖面in_svp_i和阈值区间T＝[T_min,T_max]；3.2）设置T_step＝0.01×(T_max-T_min)，T_k＝T_min；3.3）初始化当前阈值变量T_cur＝T_k；初始化当前声速剖面V_cur＝in_svp_i＝{P_j＝(d_j,v_j)}_j＝1,m3.4)删除声速剖面冗余点：3.4.1)提取V_cur的P_a＝(d_a,v_a)和P_b＝(d_b,v_b)；3.4.2)遍历V_cur，依次取出P_j，使用公式（1）计算D_j，将最大偏移值D_j存入D_max，并将相应的声速剖面点P_j存入P_k；3.4.3)若D_max＞T_cur，添加P_k至V_tmp；将剖面点数据集从P_k处分为两段，即V_cut1＝{P_j}_j＝a,k和V_cut2＝{P_j}_j＝k,b，将V_cut1和V_cut2分别赋值给V_cur，并分别返回步骤3.4.1)重新运算；3.4.4)若D_max≤T_cur，添加P₁和P_m至V_tmp；3.5)输出in_svp_i和out_svp_i，转入步骤4）；4）评估声速剖面精度4.1)输入原始声速剖面V_orig和精简声速剖面V_simp；4.2)输入波束角集合B＝{θ_i}_i＝1,nb，nb为波束数，是自然数；4.3)采用公式(2)，分别计算原始声速剖面V_orig和精简声速剖面V_simp的坐标值:(Orig_F_x_i,Orig_F_d_i)和(Simp_F_x_i,Simp_F_d_i)；F_xi=Σj=1mvj×sin(αi)F_di=Σj=1mvj×cos(αi)---(2)]]>其中，α_i为波束角，其初始值为θ_i；v_j为声速值；4.4)使用公式(3)，计算横向误差百分比ε_x_i和垂向误差百分比：ϵ_xi=(Orig_F_xi-Simp_F_xi)Orig_F_xi×100%ϵ_di=(Orig_F_di-simp_F_di)Orig_F_di×100%---(3)]]>4.5)对每个入射角{θ_i＝B_i}_i＝1,nb依次使用步骤4.3)至步骤4.5)，获得横向偏移误差数据集合{ε_x_i}_i＝1,nb和垂向误差数据集合{ε_d_i}_i＝1,nb;4.6)使用公式(4)，计算横向误差百分比平均值μ_x及横向均方差百分比σ_x：μx=Σi=1nbϵ_xinbσx=1nbΣi=1nb(ϵ_xi-μx)2---(4)]]>4.7)使用公式(5)，计算垂向误差平均百分比μ_d及垂向均方差百分比σ_d：μd=Σi=1nbϵ_dinbσd=1nbΣi=1nb(ϵ_di-μd)2---(5)]]>4.8)精度评定若σ_d>0.1%，则T_k＝T_k-T_step，返回步骤3.4）；若σ_d＜0.1%，则T_k＝T_k+T_step，返回步骤3.4）；若σ_d=0.1%，输出V_simp，转入步骤5）；5）依次处理声速剖面5.1)将计算的最优声速剖面V_simp存入输出到声速剖面数据集合SVP_out＝{out_svp_i}_i＝1,n，out_svp_i＝V_simp;5.2)从原始声速剖面数据集合SVP_in＝{in_svp_i}_i＝1,n中顺序调入一个声速剖面，并转入步骤2），直至所有声速剖面处理完成，转入步骤6）；6）使用声速剖面将精简处理后的声速剖面数据集合SVP_out导入多波束勘测系统和数据处理系统，进行多波束测深勘测及数据处理。