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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

浅水多波束勘测数据精细处理方法

系统分析多波束勘测水深的误差表现,针对性地提出相应的改正措施,首先去掉勘测质量差的重复覆盖条带,改正横摇校准残差,然后根据提出的浅水常梯度声速模型,搜索确定模型参数,以此模型参数及波束到达角和旅行时对每个波束重新进行归位计算,接着自动删除多余边缘波束,最后网格化水深数据并以对应的波束号确定中央和边缘波束位置,对格网中边缘波束进行强制微调,得到光滑的格网水深数据。从实测数据结果来看,本文算法物理意义明确、切实可行、后处理速度较快,改正结果较理想。     

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。     

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。     

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。     

miniSVP声速剖面仪在测深声速改正中的应用

以珠江流域水道数据为基础,采用英国Valeport公司生产的miniSVP声速剖面仪直接测量水体的剖面声速,并计算了声速误差对水深测量精度的影响。结果表明,声速误差带来的深度改正是影响测深精度的一项重要因素。     

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。     

水下地形测量误差分析及对策

水下地形测量的精度主要来自平面精度和水深测量精度，本文分析回声测深仪测深误差来源主要为声速改正、时间测定、波束角影响引起的水深测量误差，深度基准面确定、潮位站水尺零点的测定、潮位观测、潮位改正引起的水面高程传递误差及测量船身摇摆引起的测深误差；差分GPS平面定位、系统延时、船体摇摆引起的定位误差，并提出克服对策。     

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。     

利用卡尔曼滤波改正多波束数据声速整体误差

针对传统多波束测深系统从误差源进行平差的后处理方式受声速误差等因素影响较大的应用局限,提出了以相邻条带中央波束构建的每ping海底地形趋势线作为先验信息,利用卡尔曼滤波(Kalman filter, KF)对声速整体误差影响下的测深数据系统性误差进行改正的方法。首先,提取测深数据准确性相对较高的相邻条带的中央波束数据,对多波束每ping测深点所在的区域海底地形构建大致走向的趋势线;其次,利用检测线中央波束与主测线交叉重叠部分的数据,得到观测值的偏差和所构建海底地形趋势线的偏差;最后,结合得到的偏差,以构建的趋势线作为先验信息对测深数据利用卡尔曼滤波进行改正,并对改正后的数据进行精度分析与评估。实验表明,对于声速整体误差引起的海底地形畸变,利用卡尔曼滤波能够对边缘波束的系统性误差进行有效的改正。     

多波束测深误差改进模型构建与验证EI北大核心CSCD

为更准确地评估多波束测量数据质量,以常梯度声线跟踪模型为基础,结合Rob Hare经典误差分类,构建了回波检测方式、吃水改正和升沉改正误差综合影响下的多波束测深误差改进模型。通过对实例误差源分解对比和交叉点中误差对比分析,验证了改进模型的正确性。实例计算表明,该模型较Rob Hare模型可减少CUBE曲面2%的交叉点中误差,验证了改进模型的有效性和优势。改进模型考虑的误差因素更多,误差成因分析更为完善,有助于更准确地分析各误差源导致的误差量级大小,研究成果为数据质量控制、数据检核提供理论依据和技术支撑。     

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.     

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。     

一种基于LM算法的多波束横摇残差改正方法

针对多波束测深系统由于存在运动残差而产生横摇误差,从而导致数据条带边缘呈现“波浪”状周期性起伏的问题,提出了一种基于列文伯格-马夸尔特（Levenberg-Marquardt,LM）算法的多波束横摇残差改正方法。该方法首先建立水深与横摇残差之间的函数关系式,然后采用非线性最小二乘LM算法并结合剖面趋势线构建思想进行横摇残差提取,最终实现对海底地形的改正。实例计算结果表明,改正后地形过渡更加平滑,趋近真实海底;左、右舷剖面水深标准差降低约50%,而剖面水深均值则几乎不变;对两组横摇序列进行相似性计算,初步判断横摇残差包含延时与杆晃影响。所提方法能够较准确地提取系统横摇残差,改正后海底地形起伏相对标准差明显降低,有效地削弱了运动残差对多波束测深数据的影响。