海洋测深综合效应的多测线改正技术探讨

　　摘要:提出了水深测量综合效应的多测线改正技术,通过分析水深测量中的波束角效应、地势效应及载体姿态变化对测深的影响,给出二维数字测深仪的详细设计方法。
　　关键词:水深测量，多测线改正，波束角效应
　　
　　1引言
　　水深测量在海洋勘探和舰船导航中起重要作用,测量手段从单波束回声设备发展到多波束系统,所有这些设备都是通过向海底发射和接收声波来获取换能器到海底的距离。在实际水深测量中,由于地形的起伏、波束角的宽度等多种原因使得换能器处在一个复杂测量环境。本文通过坐标系变换,把测线坐标系和地势不同的相对位置统一变换到测线坐标系上,用一种情况进行包括,仿真过程中设计二维数字深度生成器,更符合海底水深测量的实际情况。通过以上手段对波束角、地势起伏以及载体姿态对水深测量的影响进行了综合分析和改正。
　　2坐标系变换
　　地势坐标系:为了描述海底地形的倾斜方向所建立的坐标系,如图1所示,x′轴水平指向海底坡度向上陡度最大的方向,z′轴垂直指向海底,y′轴水平,P为原点,形成右手直角坐标系,这是一个动坐标系,其原点P沿测线运动,α为海底的倾斜角。
　　
　　图1地势坐标系
　　测线坐标系:是描述测线前进方向所建立的坐标系。x轴与测线重合且指向测线前进的方向,z轴垂直指向海底,y轴水平,原点为O,形成右手直角坐标系,这是一个静态坐标系,见图2。由于海底不同的倾斜方向与测线方向形成不同的转角<(0°<<360°)。两坐标系之间存在旋转,,两坐标系之间的转换关系为:
　　
　　图2地势坐标系与测线坐标系关系
　　3波束角及地势效应分析和载体姿态对波束测量的影响
　　3.1波束角及地势效应分析
　　对倾斜海底,如图3所示,地势坐标系为动坐标系,原点P在测线上运动,倾斜海底处于地势坐标系中,换能器位于P点,θ为测深仪半波束角,α为海底的倾斜角,显然-90°<α<0°,原点O为测线起点。测量水深为r(x,y)=PS,真实水深为z(x,y)=PS1,在x′轴上的平移量Δx′。当|α|>θ时,由于地形的影响在地势坐标系x′轴上产生平移Δx′,在y′轴上不产生平移。在测线坐标系x轴上相应平移效应为Δx=Δx′•cos,在y轴上相应平移效应为Δy=Δx′•sin,这种同时在x轴和y轴上的平移效应称为偏移效应。当|α|<θ时,同样也具有相应的偏移效应。
　　对凸形海底,所记录的图像相应地为双曲面形状,其方程为:
　　r2(x,0)=z2(x0,0)+(x-x0)2+y2(1)
　　对凹形海底,在测深图像上,测线与凹形海底边缘相交的一段弦范围内真实海底信息将被丢失,丢失范围相应地为整个海底凹形区域。表明此范围内的水深信息只能通过估计得到。
　　
　　图3大倾斜角线性过渡段平移效应图
　　3.2载体姿态对波束测量的影响
　　不计偏航,只分析载体俯仰和横绕变化对测深的影响,如图4所示,设换能器处于F点,xoy为海底所处平面,∠OFB=φ,∠OFA=γ,∠OFC=β,β为由于俯仰角φ、横绕角γ的变化引起换能器波束对称轴偏离垂线的夹角,即产生波束入射角,在上面的矩形块中,很容易推得α与γ、φ的关系。根据OA=OF•tgγ,OB=OF•tgφ,则有:
　　OC2=OA2+OB2=OF2•(tg2γ+tg2φ)(2)
　　OC=OF•(3)
　　从向量旋转的角度来看,一个向量经过连续两次旋转所产生的新向量是分别单次旋转所产生的向量的和。同时,
　　FC2=OF2+OC2=OF2+OA2+OB2
　　=OF2•(1+tg2γ+tg2φ)(4)
　　
　　波束偏角随载体俯仰角、横绕角的增大而增大,在对偏角的影响上,二者具有相同的作用。因此,在载体姿态变化的情况下,即使对平坦海底,也会产生测深变形。对比测深的地势效应,继而进一步发现,载体姿态变化引起波束投射到海底测点相对地形位置的变化,与地势变化引起测点位置的变化在本质上是一样的,都是引起测点位置相对海底地形的变化。
　　海洋测量将受到半波束角θ、海底倾斜角α、波束入射角β的综合影响,表现为不同的和差组合。在进行测深时需要通过两侧的水深值对测深中线进行水深改正,本文称为多测线改正。在每个测点沿周围8个方向计算最大坡度k=tgα,从而得到α值,
　　
　　图4波束入射角与俯仰角及横绕角关系图
　　4二维数字测深仪设计及平均测深差和平均改正量
　　4.1二维数字测深仪设计
　　(1)实际的格网水深参考图是按照经度方向和纬度方向进行基本上等间距采样的矩形网格,在进行更密集的插值以后,在经度和纬度方向上形成更细微的矩形格网,从而形成真实二维海底离散水深值z(xn,ym),(n,m=1,2,⋯,N)。
　　(2)确定以(xn,ym)为中心,以R(xn,ym)=|z(xn,ym)|•tgθ为半径的圆面Cn,m,添加绝对值号是因为水深值为负值。
　　(3)确定模拟量测水深值,以确定记录水深r(xn,ym),则:r(xn,ym)=min{D(ξk,ζl);(ξk,ζl)∈Cn,m}
　　用于程序中遍例整个矩形区域使用和剔除波束投射覆盖范围外的点,其中:
　　
　　(4)根据需要可以附加白噪声建立随机数字测深仪。
　　4.2定义平均测深差和平均改正量
　　设有N个实际水深值x(1),x(2),⋯,x(N),其相应测量值为r(1),r(2),⋯,r(N),则其平均测深差为:
　　
　　该量反映测量值与实际值之间的偏离程度。
　　设改正后的水深值为x′(1),x′(2),⋯,x′(N),则改正后的误差值为:
　　
　　该量反映对测量值改正后的精确程度。
　　5结束语
　　本文充分考虑了海底的二维区域特征、波束的立体特征及载体姿态变化对水深测量的影响,比较系统地提出了一套水深综合改正技术——多测线改正,该方法更符合实际情况,在大多数情况下,海底都是连续变化的斜坡,即使含有凸点和凹点也可以通过两侧的斜坡进行平滑,即使全面应用线性坡度改正也能获得很好的改正效果,如果为了得到更精确的改正,还可以继续增加测线。
　　
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