超短基线定位的海上应用及精度评估

超短基线定位系统可以为水下调查设备提供精确的定位信息,是当今海洋探测工作必不可少的装备。超短基线定位系统的定位结果包含了多种来源的误差影响,对超短基线定位数据进行有效的处理是保证水下精确定位的前提。本文通过对超短基线基阵进行校准,并对其定位精度进行精度评估,对海上应用采集到的数据进行处理分析,对原始数据中出现的跳点进行剔除、滤波处理,得到较可靠的水下定位结果。     

热液硫化物现场调查中超短基线异常定位数据的快速剔除

热液硫化物现场调查所需的船舶动力定位系统给水下定位数据带来较大的噪声干扰,而调查的现场决策与后续研究均对水下定位数据提出更高的要求.针对现有的Posidonia 6000超短基线水下定位系统,快速有效地剔除受干扰的异常定位数据对热液硫化物调查研究具有积极的意义.本文从超短基线解算过程数据(x,y,z三维分量)入手,根据现场作业水深、滑轮偏角,建立异常定位数据的三维剔除模型;根据三维各自的时间系列分布图,采用合理的数据结构与算法,实现对异常定位数据的交互式剔除.本研究成果能快速有效地剔除异常定位数据,为热液硫化物调查的现场决策和各搭载传感器的后续资料研究提供更准确的水下定位数据.     

超短基线定位系统在深拖探测中的应用

作为水下探测设备的载体,深拖系统可长时间大范围的进行海洋调查,其水下位置的准确与否,将直接关系到探测资料的可用度。该文从深拖水下导航定位的关键技术问题出发,总结了适用于深拖系统的水下定位方法,重点介绍了具备高稳定度、高精度等诸多优点的超短基线声学定位系统。结合实例,阐述了超短基线定位工作原理、误差分析及数据处理方法,在拖曳系统匀速直线运动状态下,基于抗差自适应卡尔曼滤波算法对超短基线定位数据进行了处理,滤除了定位数据中的跳点,得到了较平滑且与原始数据相吻合的滤波数据。     

两种水下定位方式的误差对比与分析

利用在富钴结壳海山实测的2条海底摄像测线资料,通过超短基线水下定位数据和LAYBACK方式定位校正结果的分析与对比,结果表明,通过超短基线定位系统的同步测量,可实现对海底摄像拖体的高精度水下定位,而通过LAYBACK校正方式得到的拖体定位数据误差变化范围很大。LAYBACK校正误差受航速和拖缆长度变化的影响程度较小,而受母船航向变化的影响程度要大得多,因此,当利用LAYBACK方法进行水下定位校正的时候,尤其需要注意船向变化对定位精度的影响。     

基于声呐图像的深海采矿车组合定位导航算法

实现高精度的定位导航是深海采矿车完成海底工作任务的基础条件。在采矿车行进过程中,声呐设备生成的图像信息能够反映海底场景的变化,从而体现采矿车本身的运动,由此建立了一种声呐图像里程计,并将其与轮式里程计和USBL测量数据相结合提出了一种深海采矿车组合定位导航算法。首先对多波束前视声呐图像进行预处理,然后使用Canny算法进行特征检测并对特征点云进行配准,再结合声呐成像原理构建了声呐图像里程计运动模型,最后通过轮式里程计运动模型推导预测方程、声呐图像里程计运动模型和USBL测量数据推导更新方程,利用EKF（extended Kalman filter）算法实现基于多传感器融合的定位与姿态估计。海试数据验证了该组合定位算法能实现轮式里程计、声呐里程计和超短基线在速度、位置、艏向角估计、定位速率的精度互补,具有一定的有效性和精确性,该算法为深海采矿车的定位与导航算法研发提供了参考。     

高精度水下定位的一种实现方案

提出了一种运用GPS和超短基线等设备实现潜器水下高精度定位的方案,给出了完整的定位解算数学模型,并进行了误差仿真分析。     

海洋调查中水下目标位置的确定

介绍了海洋调查中测量设备拖曳体(拖鱼)的三种定位方法：舷挂式、LAYBACK方式和超短基线方式;分析了不同定位方法确定水下目标位置的差异,并进行了精度估计。     

水下声学主动定位技术及其在载人潜水器上的应用

水下声学主动定位技术通过声应答的方式实现水下目标定位,主要分为长基线、短基线和超短基线等三种定位系统。它是海洋开发领域中的一个非常重要的组成部分,为水下目标探测、定位跟踪、海底地形勘探和水下遥控作业等各种高精度工作提供技术支持。在探讨以上三种水下声学主动定位技术的同时,并以"蛟龙号"为例,分析其在载人潜水器上的应用。     

水下声学定位和导航技术

本文介绍了短基线、超短基线和长基线的声学定位原理和特性。文章还对声学导航、水下跟踪。水下声学定位的应用、海洋工程用的导航技术、海洋勘探以及海洋地球物理调查等问题进行了讨论。     

用海洋GPS进行水下运动载体的三维定位

用单个装载超短基线的海洋GPS进行水下运动载体的三维定位,和三个智能型浮标进行水下运动载体的三维定位相比,定位精度相当,隐蔽性更好,造价更低,更具实用价值。本文对单个装载超短基线的海洋GPS进行水下运动载体三维定位的原理和精度进行了较为详细的讨论,并得到了一些有益的结论,以供同行参考。     

海床蚀积变化电阻率原位监测系统设计与实验

设计了一套基于电阻率方法的海床蚀积变化原位监测系统,该系统能够在数米水深处实施长距离自动监测。系统同时采用USB海量存储技术和GPRS无线通信两种数据存储和传输方式,可以实现长期无人值守原位监测。利用海水和沉积物两者电阻率的差异性,把布设等间距环形电极的探杆置入海床,连续测定海水和海床沉积物界面上下一定范围内的电阻率,找到电性发生显著变化的区间,并采用合适的方法判定界面的具体位置。界面位置随时间的变化,即为海床的蚀积变化。实验室测试结果表明该系统测试的沉积过程中蚀积变化数据与实际数据相符,最大误差0.3 cm。说明应用该系统测量海床蚀积状况具有可行性。     

济州岛南部海域海底声呐图像分析与声学底质分类

东海北部外陆架靠近济州岛南部海域,是黄海槽向冲绳海槽延伸的部分,属于黑潮分支黄海暖流的通道入口,分布着脊槽相间的海底底形,对其海底声呐图像的处理分析及声学底质分类的分析研究,有助于了解该通道海底底形表层纹理特征及沉积物分布规律。基于在济州岛南部海域获取的多波束声呐数据,应用图像处理技术和方法,对数据进行了处理,获得了海底声呐影像图,并对其表层纹理特征进行了描述和分析;同时,基于多波束反向散射强度数据,结合19组海底地质取样数据,建立研究区海底反向散射强度与沉积物粒度特征之间的统计关系模型,并以改进的学习向量量化神经网络方法,实现对海底粉砂质砂、黏土质砂以及砂-粉砂-黏土3种底质类型的快速自动分类识别。     

动力定位系统在大洋富钴结壳调查中的应用

大洋富钴结壳资源调查受到海流、风力、波浪等外界作力影响,导致调查效率低,调查定位精度下降,甚至损坏调查设备。动力定位系统能让调查船舶长时间保持在某点上,让船舶极低速保方航行,或跟随水下调查设备航行,从而克服外界因素对调查的影响,保障调查安全。介绍了动力定位系统原理和主要功能及大洋富钴结壳主要调查手段,分析了动力定位系统在海底摄像、深海拖网、海底浅钻、重力活塞取样、ROV等手段中的应用,得出该系统在大洋富钴结壳调查应用中能提高工作效率、调查安全性和定位精度,以确保调查者更真实地获得海底资源资料的结论。     

日本富钴结壳大比例尺填图对西太平洋勘探的启示

国际海底管理局对国际海底区域内富钴铁锰结壳探矿和勘探出台了新规章,同时对海洋生态环境予以保护。富钴结壳拥有着比多金属结核更大的经济价值潜力,而西太平洋海山和陆缘的富钴铁锰结壳国际勘探呈现出新动向和新的技术趋势。当前,中日俄在西太平洋底呈现三足鼎立之势。中国有必要充分借鉴国外技术,取长补短,方能立于不败之地。日本在密克罗尼西亚海山综合采用物探、钻采、成像3大技术群进行大比例尺填图的技术策略对于我国在西太平洋的富钴铁锰结壳勘探具有重要的借鉴意义。具体来讲,日本的先进海底探测技术体现在以下4个方面:①充分重视地质资料的运用;②科学部署高密度采样点;③地形地貌与吨位品位评价密切结合;④在评价中科学区分各种地震反射区,以期更加准确地反映海底资源状况。     

Model for the Processing and Estimation of Dual Frequency Echo Sounder Observations in Detailed Bathymetries

The dataset acquired by an echo sounder generally comprises outliers and erroneous measurements which must be automatically processed. The main aim of this research is the development and validation of an algorithm which permits detecting outliers, estimating their real value from data acquired with a multifrequency echo sounder, and verifying the measure according to the desired accuracy. The process considers the nature of the seabed and improves the density and number of lectures without globally compromising the precision, but enhancing it in areas with anomalous measurements. Twenty-nine percent of this type of measurements, which would have been otherwise rejected, have been estimated.     

基于海底回波增强的机载LiDAR测深水体旅行时提取算法

机载LiDAR测深（Airborne LiDAR Bathymetry, ALB）技术具有高精度、高效率、强机动性、水陆两用等优势,特别适合海岸带、海岛礁等浅水海域复杂地形的快速探测。激光穿透水体时能量将迅速衰减,导致部分海底回波难以有效提取,海底真实位置判别困难。为此,本文提出一种基于回波增强的机载LiDAR测深水体旅行时提取算法。通过Gold去卷积算法来恢复目标横截面形状,确定海底初始回波范围;随后采用双指数函数拟合水体后向散射有效范围,进而求取波形漫衰减系数K_d值;最后结合海底激光雷达方程,利用K_d值对海底初始回波范围内波形进行增强,并利用高斯函数分解增强后回波,确定海底位置参数,从而实现ALB波形的水体旅行时提取。利用青岛胶州湾RIEGL VQ-840-G ALB实验数据对本文算法的可行性进行验证,将本文算法与理查德森-露西（Richardson-Lucy,RL）去卷积模型、峰值探测模型进行了比对,结果表明本文算法与单波束同名点之间高程误差的均方根误差（Root Mean Square Error, RMSE）为18.5 cm,较上述两种算法分别降低了29.9%、41.4%。因此,本文算法具有可行性,能够满足ALB波形的水体旅行时高精度提取,可为机载LiDAR测深数据精细化处理提供一定技术支撑。     

CUBE算法及其在多波束数据处理中的应用

阐述了一种基于表面生成的多波束数据处理方法——CUBE(Combined Uncertainty and Bathymetry Estimator)算法,用该方法可以对观测区域网格节点"真实"水深及相关误差进行估计。与从测量水深中选择出"最佳"数据的手工交互方式的多波束数据编辑手段不同,CUBE算法具有很强的抗差性和较高的效率,适合于实时多波束数据处理。对南海某测区多波束数据处理结果表明,在没有人工干预的情况下,利用CUBE算法去噪生成的海底DTM图与手工编辑生成的相当吻合。CUBE算法和手工编辑方法综合对比得出,CUBE算法能够很好地保留水深地形细节,在计算效率、误差评估、实时处理等方面比手工编辑方法具有较大的优势。     

基于D-P算法和最优路径的海山地理实体边界划定方法

海底地理实体的划定与命名是当前国际海洋权益领域的热点研究问题之一。然而,由于海底地理实体边界的量化界定技术缺乏,导致其界线确定不可避免地存在人为性,为此,本文提出了一种基于D-P算法和最优路径的海底地理实体边界划定方法。将高分辨率水深模型转换为二维水深矩阵,从横向与纵向进行剖面分析,采用极值点简化和D-P算法进行二次简化的方法,通过坡度变化定位和基部高程定位等基本条件综合判断,从而实现了单体海山的山体与其基部的自动划分;在此基础上,采用路径寻优的方法实现了连体型海山的自动分割。该方法在南海海底地理实体划定中进行了验证,取得了良好的应用效果。