多波束测深系统水下地形测量声速改正研究

多波束测深系统在进行水下地形测量过程中误差源来自多个方面,其中声速是影响数据精度的主要因素之一。声波在水中传播速度受到温度、电解质、压力以及水文条件等因素的影响,传播速度和方向发生着梯度变化。如果不对声速加以改正会产生深度和水平误差,使水下地形失真。因此,精确测定水下声速剖面,并对测量数据加入声速改正,有利于提高测量数据精度,保证水下地形真实有效。本文以辽宁省大中型水下地形测量项目为例,基于IMAGENEX DT101多波束测深系统,对声速在水下传播规律进行了系统研究,提出了建立动态声速改正格网方案,并利用AML Minos. X SVP水下声速剖面仪精确测定了水下剖面声速,在HYPACK MAXHysweep测深数据处理软件中加入声速改正值对数据进行声速改正,提高了水下地形测量精度。     

利用模拟退火算法反演多波束测量声速剖面

针对多波束测量声速剖面站点布设密度不够而引起的声速剖面代表性误差问题,提出一种利用模拟退火算法反演声速剖面的方法。首先,对测区已有声速剖面序列进行经验正交函数（empirical orthogonal function,EOF）分析,利用声速扰动矩阵和前几阶EOF求得EOF重构系数及其变化范围。其次,采用模拟退火算法对EOF重构系数进行迭代优化,以多波束测得的海底地形畸变量大小为依据构建目标函数,并设定合理的退火控制参数。最后,得到待反演区域的声速剖面数据。实例分析表明,该方法反演的声速剖面较时间就近原则选取的替代声速剖面更接近真实声速剖面,且利用反演声速剖面改正后的海底地形更接近真实地形,有效削弱了声速剖面代表性误差的影响,显著提高了多波束测量精度及数据处理效率。     

多波束海底地形畸变校正与声速剖面反演

提出了一种多波束测量声速剖面反演方法。即采用EOF(empirical orthogonal function)算法,对测区实测声速剖面数据进行模态向量提取,以多波束测量声速改正不完善引起的地形畸变程度为依据构造适应度函数,通过遗传算法优化声速剖面的重构系数,实现声速剖面反演。实验结果表明,反演的声速剖面能有效改正声速误差引起的海底地形失真,显著提高了多波束水深测量数据精度和处理效率。     

声速剖面精简运算的改进D-P算法及其评估

声速剖面在多波束测深中不可或缺。为解决原始测量的声速剖面数据量大而影响工作效率问题,本文进行了声速剖面的精简与优化研究。提出一种适用声速剖面数据精简运算的改进D-P算法(MOV方法),并通过射线追踪法和误差百分比分析法评估精简前后的声速剖面对测深精度的影响,并利用实测声速剖面数据对该算法进行了验证。结果表明,通过优选算法阈值,声速剖面数据的简化率可达90%以上,可控制水深标准差百分比在0.1%以内,优化后的声速剖面可大幅提升多波束勘测与数据处理工作效率,具有重要的工程实际应用价值。     

利用GA-NN模型反演声速剖面的众源水深数据声速改正

针对当前众源水深数据后处理过程中缺少高精度的实测声速剖面,导致测深数据质量偏低的现状,提出了一种基于遗传算法优化反向传播神经网络（genetic algorithm-back propagation neural network,GA-NN）模型反演声速剖面的声速改正方法。首先,利用历史声速剖面群进行正交经验函数分析,提取特征向量与重构系数范围;然后,结合海区的历史声速场数据训练GA-NN模型;最后,将海表声速数据输入模型反演声速剖面,并分析不同方法下的声速剖面分别进行声速改正后的水深和位置误差。实验结果表明,在复杂的海底地形下,与现有方法相比,所提方法反演的声速剖面更适用于众源水深数据的声速改正,削弱了声速误差的影响,提高了众源水深数据的处理精度。     

局域空间声速模型的建立方法研究

在多波束测深系统的数据处理中,声速剖面的代表性误差严重地影响着波束的声线跟踪精度,并造成比较大的深度计算误差.为了削弱该影响,利用实测声速剖面数据、温度与盐度剖面数据,采用两种方法分别建立了区域空间声速模型.实践验证了该方法的正确性和可行性.     

GNSS-声学位置服务中声速误差修正方法

声速误差是GNSS-声学定位中的主要误差源,制约了GNSS-声学位置服务的精度。基于海洋时空基准网的思路,本文研究了GNSS-声学位置服务中声速误差的修正方法。首先,提出了一种声速剖面时域变化分层模型,以削弱声速的时空代表性误差;然后,针对没有声速剖面的海域,借鉴GNSS对流层误差的处理方法,提出了GNSS-声学位置增强服务的方法;最后,面向潜航器位置增强服务,进行了海洋声速层析方法的分析。利用南海水深3000 m海域的实测数据对上述声速误差修正方法进行验证,结果表明：经验正交函数法分层构建的声速场能以分米级精度确定海底控制点的位置;基于海底的控制点,利用本文所提出的GNSS-声学位置增强服务方法可为水平距离3000 m范围内的测船提供分米级精度的位置增强服务;层析的海洋声速剖面,在深度大于潜航器的区间内精度优于3.5 m/s。     

基于面积差的声速剖面自适应简化方法

提出了一种基于面积差的声速剖面自适应简化方法。首先,研究了不同声速剖面之间面积差与声线跟踪误差间的关系,建立了二者关系模型;然后,给出了基于跟踪精度约束的声速剖面简化方法和流程;最后,对该方法开展了试验验证,在无人工干预的情况下,方便地实现了声速剖面的简化,显著地提高了测深数据处理效率。     

多层常梯度声速剖面的测深误差改正方法

声速剖面(SVP)是多波束测深重要参数。为提高观测数据质量,在复杂水域地带往往通过声速剖面加密观测法或数据内插法,但始终会产生不同程度的折射误差。本文通过分析声速对测深系统的影响和构建常梯度等效声速模型进行了推导,提出了常梯度声速剖面改正模型,较好地解决了声速代替误差或声速剖面不准确带来的影响。试验结果表明,该模型后处理解析的地形边缘数据具有更好的一致性,定量成果优于传统声速剖面改正算法。     

多波束声速剖面的动态选取方法

在顾及水体声速变化规律与空间位置及时间相关性的前提下,以时间最近法与距离最近法为基础,利用平均声速模型获得深度误差比,再利用深度误差比分析时间最近法与距离最近法的优劣,从而动态选取声速剖面,同时针对动态选取方法的不足进行扩展。实验结果表明,在削弱声速误差影响方面,当参照的水体声速变化规律与实际情况相符时,扩展后的动态选取方法要优于常用方法。     

双种群约束QPSO-BP的声速剖面反演方法

海水中声速剖面反演可以及时获取海洋环境信息,对于改善和提高水声设备的工作性能以及海洋的研究和开发都具有重要意义.针对声速剖面反演过程中,神经网络存在容易过早收敛的不足,该文提出 了基于双种群约束QPSO-BP的声速剖面反演方法.利用Argo获取的温度和盐度数据,以2004-2017年经验正交函数所得到的特征向量和历史声速剖面作为训练样本,以BP神经网络反演声速剖面的模型作为基础,并在QPOS-BP算法基础上引入了双种群约束策略,通过与2018年6月和12月的实测声速剖面数据进行比较,双种群约束QPSO-BP声速预测模型在精度上比BP神经网络和QPSO-BP网络模型分别平均提高了 35％和25％.结果表明,双种群约束QPSO-BP能有效提高声速剖面反演精度.     

一种多波束声速剖面反演与海底地形校正技术

为了解决在多波束测深中声速剖面代表性误差会造成平坦海底地形凹凸变形的问题，提出了一种基于海底观测值的声速剖面反演与海底地形改正技术。该技术利用波束入射角以及单程回波时间信息，建立波束位移与误差声剖的函数关系，采用间接平差与LM（Levenberg-Marquardt）法反演得到与实际声速剖面相近的改正声速剖面，从而达到校正海底畸变地形的目的。海上实验数据验证表明:与含有误差的海上声剖值相比，反演改正后的声剖值更接近海上实际声剖值；水深改正的相对标准差降低50%以上，有效地削弱了畸变海底地形的影响。     

多波束勘测声速剖面场的EOF表示方法

提出了根据实测声速剖面，利用经验正交函数建立了声速剖面场的数学模型，得到了任意点位的声速剖面对边缘波束数据进行声线折射改正的方法。该方法对提高多波束勘测效率和精度具有重要意义。     

基于Argo浮标和EOF建立区域海水三维声速场的方法

本文提出了一种利用Argo浮标数据和经验正交函数(EOF)建立区域海水三维声速场的方法。利用局部区域内的Argo观测数据对该方法进行了验证,利用少量Argo浮标数据即可建立精度较高的三维海水声速场模型,预测区域内任意剖面的中误差在1 m/s左右。     

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。     

海洋大地基准点位置标定误差影响因素分析

针对海洋大地基准点位置标定的各项误差影响因素难以直接线性化为数学模型的问题，该文基于我国首个深海海底大地基准点的标校试验数据(水深3 000 m),利用公式推导结合数值方法定量分析了主要误差因素对海底定位精度的影响。声速误差对海底定位精度的影响很大，其中影响约为0.3 m的声速短周期时变误差难以消除；航迹几何结构对称性会对定位结果精度造成分米级影响；测船位置的系统偏差对海底定位结果具有等量级的影响(小于0.2 m);测船姿态的系统偏差在5°以内时影响小于0.4 m;观测值时标误差在0.5 s以内时影响为厘米级；时延测量值系统偏差小于0.1 ms时仅在垂向造成0.11 m的影响。为实现准确度优于2 m的海底绝对定位目标，测船航迹结构应保持对称，声速剖面精度应优于0.1 m/s,测船位置精度应优于0.1 m,时延观测值精度应优于0.1 ms,并对姿态测量安装角、杆臂矢量偏心值和观测数据时标偏差进行严格标定。     

基于自组织神经网络的声速剖面分类方法研究

利用自组织神经网络技术，结合声速剖面特点，研究了声速剖面的描述方法、网络中神经元个数的确定、获胜神经元的邻域及其邻域内神经元的拓扑关系等对网络结构和声速剖面类别划分的影响，给出了分类声速剖面的网络构造思想和神经网络结构。实验验证了该方法的正确性。     

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。     

多波束换能器吃水误差在分层计算的影响分析

针对传统多波束测深系统中对于换能器吃水改正中,存在误差影响下的声速剖面运用不当,并且未考虑声速分层影响,使得最终水深计算精度不高的问题。该文提出对多波束换能器吃水误差在水深分层计算中的影响进行探究,利用声速分层的计算方式结合吃水误差建立水深计算模型,设定不同吃水改正误差,得到观测偏差与吃水误差间的关系曲线并进行分析。实验表明:实际观测与理论观测深度的差值,受吃水误差的影响,增大速率随着吃水误差的增加会越来越快。     

声场与姿态参数对2D MSS的成像影响分析

在现有作业模式下,二维机械式扫描声呐(准)静态测量存在声速误差、姿态信息缺失等问题。针对上述问题,分析声速与姿态参数引起的成图畸变机理,利用数值模拟,计算声速改正代表性误差估值,分析姿态变化对成像的影响。根据实际工程需求,给出允许成图精度所能容忍的声速误差及姿态偏差的阈值范围,并通过试验验证声速误差与姿态偏差在允许范围内对成图的影响。