本發(fā)明屬于海洋測繪數(shù)據(jù)后處理領域，具體涉及一種自適應多節(jié)點等效聲速剖面的構建方法。

背景技術：

多波束測深是目前國內海洋水深測量的主要技術手段之一，其具有高覆蓋率、高精度、高效率等優(yōu)點。多波束測深系統(tǒng)通過一組正交的發(fā)射基陣和接收基陣，向海底發(fā)射并接收反射或散射聲波，根據(jù)聲波入射角度和往返雙程的時間基于snell定律來計算海底測點的位置和深度。然而由于海洋環(huán)境的不均勻性和聲線折射原理，使得聲波在海水中傳播時產生聲速變化和聲線彎曲現(xiàn)象，而聲速變化和聲線彎曲在很大程度上影響了多波束測深系統(tǒng)測量成果的質量和精度，是多波束測深數(shù)據(jù)系統(tǒng)誤差的主要來源。所以想要獲得高精度、高質量的多波束測深成果，就必須提出一種高效的、高精度的聲速改正技術。傳統(tǒng)的多波束聲速改正方法，大多數(shù)還是依賴于實測的聲速剖面根據(jù)時間最近原則或者位置最近原則進行改正的，而想要獲取高精度的聲速剖面數(shù)據(jù)是非常困難的。目前，聲速剖面的獲取方法主要有直接利用儀器測量獲取和利用聲速經驗模型反演兩種方法，而通過儀器測量聲速剖面又有直接測量法(利用聲速剖面儀直接測量聲速)和間接測量法(利用ctd間接測量聲速)，由ctd或聲速剖面儀等聲速剖面測量設備單次實測出的聲速剖面節(jié)點的數(shù)據(jù)量可能會非常龐大，會大大降低數(shù)據(jù)處理的工作效率，甚至會導致一些多波束系統(tǒng)無法正常工作。針對這個問題，目前通常的解決辦法是利用等間距分層的聲線跟蹤技術或者等效聲速剖面法來改進聲速改正模型。廣泛采用的等間距分層方法隨著分層密度的增加，越接近原聲速剖面，得到的測深結果精度也就越高，但隨之而來的是計算量也會大大增加。

技術實現(xiàn)要素：

鑒于等間距分層中測深精度和計算量之間的矛盾，本發(fā)明提出了一種基于聲線跟蹤的自適應多節(jié)點等效聲速剖面的構建方法，設計合理，克服了現(xiàn)有技術的不足，具有良好的效果。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種自適應多節(jié)點等效聲速剖面的構建方法，能夠實現(xiàn)任意聲速剖面在滿足測深精度條件下根據(jù)聲速分布變化的自適應非等間距分層搜索，并能有效控制分層數(shù)量，包括以下步驟：

步驟1，首先需要通過ctd或聲速剖面儀等聲速剖面測量設備按一定采樣密度獲取測區(qū)范圍內的聲速剖面，測量時盡量減小誤差因素對聲速剖面測量的影響，以獲取比較優(yōu)質的聲速剖面；

步驟2，通過ctd或聲速剖面儀等聲速剖面測量設備單次測得的聲速剖面數(shù)據(jù)往往存在一定的測量誤差，在使用前，需要對實測聲速剖面進行平滑處理，處理掉一些測量時無法避免的觀測誤差；

步驟3，根據(jù)douglas-peucker算法原理，需要在聲速剖面上選取兩個聲速節(jié)點，實際操作中通常選取剖面曲線兩端點，即第一個點p1(c(1),z(1))和最后一個點pn(c(n),z(n))，然后將兩個端點連接成一條直線，然后按照公式(1)計算聲速剖面上其他各點到這條直線的距離di；

其中，c(1)、z(1)為p1點對應的聲速值和深度值，同理，c(n)、z(n)分別為pn點對應的聲速值和深度值；

步驟4，根據(jù)實際情況設定一定的閾值δ，若由上述距離公式計算出的距離di中的最大值{di}max<δ，則將中間所有的點都舍去，只保留兩個端點；若{di}max≥δ，則保留剖面點中到直線距離最大的中間點，并以該點為分界點，將整個聲速剖面分成兩部分，之后再對分開的每個部分分別重復步驟3、步驟4所述的過程，直到沒有點再被舍棄為止；

步驟5，將根據(jù)步驟4中經過douglas-peucker算法抽稀出的相鄰聲速特征點用線段連接起來，并設置成可拖動的節(jié)點，根據(jù)面積差為零的原理，左右拖動節(jié)點，使構建的聲速剖面與坐標軸圍成的面積盡量接近原聲速剖面與坐標軸圍成的面積，即原聲速剖面分布于等效聲速剖面兩側的面積之差接近于零，拖動聲速節(jié)點的直觀效果可通過以下方法來檢驗，在原聲速剖面的測量區(qū)域范圍內選擇一處地形平坦的海底地形數(shù)據(jù)，在對數(shù)據(jù)做了一些簡單的處理但是不做聲速改正時，其海底地形的側投影會表現(xiàn)出邊緣波束上翹(或下彎)的現(xiàn)象，即每段地形呈現(xiàn)“笑臉”(或“哭臉”)形狀，若聲速節(jié)點調節(jié)合適，即使用理想的等效聲速剖面對海底地形數(shù)據(jù)進行改正，其邊緣波束便歸于平整，實現(xiàn)地形間的無縫拼接，如果聲速節(jié)點調節(jié)的不正確，則其邊緣波束仍然會出現(xiàn)上翹(或下彎)的現(xiàn)象，則繼續(xù)通過人工手動調節(jié)聲速節(jié)點，使得邊緣波束歸于平整。使邊緣波束歸于平整時的聲速剖面即為最終想要得到的等效聲速剖面。

步驟6，根據(jù)步驟4中得到的分層結果及初始入射角和表層聲速儀測得的表層聲速，做等效梯度聲線跟蹤，確定波束腳印相對船體坐標系的坐標，假設自適應分層的結果共為n層，則定義第i層(i＝1，2，…，n)的上層面深度值為zi-1，下層面深度值為zi，對應深度zi有掠射角αi和聲速值ci。等梯度近似情況下，設第i層內聲速梯度為gi，則任意深度處的聲速c(z)便可以計算出來，聲線在同一層內為曲率恒定的圓弧，圓弧的曲率半徑對應為ri，任意層內的水平位移xi可利用幾何關系計算，累加即可得目標與基陣之間的水平距離x：

優(yōu)選地，所述的步驟1中，海水的聲速可以通過聲速剖面儀直接測量法和經驗公式間接測量法兩種方法求得。具體方式如下：

a.其中，利用聲速剖面儀獲取聲速剖面時為直接獲取，在靠近聲速儀探頭頂端裝有高頻“環(huán)鳴”傳感器和相關的反射器，這一對精確安置的配件依照它們已知的間距，發(fā)射和接收信號，從而量測水中的聲速；

b.利用ctd測量時是通過儀器各傳感器獲取海水的溫度、鹽度和深度，然后根據(jù)一定參數(shù)的聲速經驗公式計算出的各深度下的聲速值。

優(yōu)選地，所述的步驟4中，實際過程通過編程實現(xiàn)，具體實施步驟為：

a.比較各聲速點到兩端點(或兩特征節(jié)點)連線的距離，將距離的最大值賦給dmax；

b.根據(jù)實際情況和想要分的層數(shù)確定閾值δ的大小；

c.比較dmax與閾值δ的大小；

d.根據(jù)比較結果進行取舍，保留的特征點與兩端點(或兩特征節(jié)點)連線，重復以上步驟，直至沒有滿足條件的特征點出現(xiàn)。

優(yōu)選地，所述的步驟5中，具體實施步驟為：

a.根據(jù)實際情況調節(jié)聲速節(jié)點；

b.然后將調整過的聲速剖面載入多波束數(shù)據(jù)后處理軟件中，對選取測區(qū)內仍未做聲速改正的測深數(shù)據(jù)做聲速改正；

c.通過觀察做完聲速改正之后的地形側投影情況，調節(jié)聲速節(jié)點，以不出現(xiàn)“哭臉”、“笑臉”地形為標準，使兩ping間的地形完美平整的拼接在一起。

優(yōu)選地，所述的步驟6中，實際過程通過編程實現(xiàn)，具體實施步驟為：

a.根據(jù)保留的相鄰兩節(jié)點的聲速值ci-1、ci，計算層內梯度gi；

b.計算曲率半徑r；

c.根據(jù)ci處入射角和曲率半徑r確定層內圓弧圓心，以確定的圓心和半徑畫園弧，即得到第i層內等梯度聲線跟蹤結果。

優(yōu)選地，所述的步驟1中，利用聲速剖面儀根據(jù)脈沖循環(huán)法直接獲取聲速剖面的方法基于公式

其中，c為測得的聲速值，d為聲速剖面儀發(fā)射、接收換能器之間的精確距離，t為測量脈沖信號傳播的時間。脈沖循環(huán)法是目前應用最廣的聲速測量方法，此類聲速儀的精度一般可以達到每秒亞米級。

利用ctd間接測量時，直接測得海水的溫度、鹽度和壓力隨深度的變化，進而通過經驗公式來計算聲速。根據(jù)不同實際情況選擇不同參數(shù)的經驗公式。

優(yōu)選地，所述的步驟6中，層內梯度gi的計算公式為

其中，ci-1、ci分別為第i層上層面聲速值和下層面聲速值；

任意深度處的聲速c(z)的計算公式為

c(z)＝ci-1+gi(z-zi-1)

其中，ci-1、zi-1分別為上層面聲速值和深度值，z為需要計算聲速處的深度，由此式可以計算出上下層實測聲速點間任意深度出的聲速值；

同一分層內圓弧的半徑ri的計算公式為

其中，c0、α0分別為聲速剖面的初始聲速和聲線初始入射角。

本發(fā)明所帶來的有益技術效果：

一種自適應多節(jié)點等效聲速剖面的構建方法能夠實現(xiàn)在滿足測深精度要求下自適應的對聲速剖面進行非等間距最少層數(shù)的分層，然后利用等梯度聲線跟蹤的方法初步構建等效聲速剖面，最后再通過人工手動調節(jié)聲速節(jié)點，調整聲速剖面，使其更接近實際聲速剖面；實現(xiàn)了一定規(guī)律下的非等間距分層，達到了高效、高精度聲速改正的目的。

附圖說明

圖1是聲速以等梯度變化情況下的聲線跟蹤中第i層聲線軌跡示意圖。

圖2是本發(fā)明中自適應分層的原理示意圖。

圖3是harmonic平均聲速原理圖。

圖4是聲速以等梯度變化情況下的聲線跟蹤原理圖。

圖5是等效聲速斷面圖。

圖6是本發(fā)明中拖動聲速節(jié)點的示意圖。

圖7是本發(fā)明中聲速節(jié)點拖動過程中海底地形拼接情況變化示意圖。

具體實施方式

下面通過實施例，并結合附圖，對本發(fā)明的技術方案作進一步具體的說明。

實施例：

首先介紹一下本發(fā)明所需要的理論基礎：

1.douglas-peucker算法

douglas-peucker算法是數(shù)據(jù)抽稀、分層的主要算法之一，是一種通過保留特征點舍棄非特征點來達到數(shù)據(jù)抽稀目的的算法，其基本思想如下：

首先將需要抽稀或分層曲線的首尾端點連成一條直線，然后計算其余各點到該直線的垂直距離di，其計算公式如下：

若其余各點到直線距離的最大值{di}max均小于給定的閾值δ，則將其中間點全部舍去，只保留兩端點；若{di}max大于給定的閾值δ，則保留兩端點和到直線距離最大的點，并以此到直線距離最大的點為分界點將原曲線分為兩部分，然后對每段曲線分別重復上述過程，直到沒有多余的點被舍去為止。

2.基于層內常梯度下的聲線跟蹤原理

根據(jù)射線聲學理論，聲波傳播過程能夠用聲線形象的表征。聲線跟蹤是建立在聲速剖面基礎上的一種波束腳印(投射點)相對船體坐標系坐標的計算方法。聲線跟蹤一般采用層追加的方法，即將聲速剖面內相鄰兩個聲速采樣點劃分為一個層，層內聲速變化可設為常值(零梯度)或常梯度?；诔Ｂ曀俚挠嬎闼枷牒瓦^程比較簡單，基于常梯度的計算相對復雜。在基于常梯度的聲線跟蹤計算過程中，聲速變化函數(shù)采用harmonic平均聲速，其定義為

基于常梯度下的聲線跟蹤，聲速在各層中以不變的梯度gi變化。假設層i上、下界面處的深度分別為zi、zi+1，此層層厚為δzi；波束在層內的實際傳播軌跡為一連續(xù)的、帶有一定曲率半徑ri的弧段。其中ri為

聲線在層i內的水平位移yi為

cosθi＝(1-(pci)²)δzi＝zi+1-zi

波束在該層中形成的弧線長度為si＝ri(θi-θi+1)，則經歷該弧線的水平位移和所用時間分別為

3.等效聲速剖面原理

1999年，geng、zielinski兩位學者曾提出等效剖面法的理論用于解決多波束聲納中聲線彎曲問題，他們認為聲線跟蹤時，總可以尋找到一個簡單的聲速剖面替代實際聲速剖面，且證明了使用不同聲速剖面得到的深度和水平位移只與各聲速剖面與坐標軸圍成的面積以及初始掠射角有關，與聲速剖面的具體分布形式無關。聲速剖面直接決定著聲線的實際軌跡，是聲線改正的基礎。根據(jù)geng、zielinski(1999)的理論，進行聲線折射改正時，不同的聲速剖面所對應的水深，只跟各聲速剖面與坐標軸圍成的面積差δs有關，若面積差為零，則對應的水深值相等。

設常梯度聲速剖面c0-cb與實際聲速剖面的面積差為0，以零梯度聲速剖面c0-ca作為參考聲速剖面，根據(jù)上述結論，采用誤差修正思想，只要得到常梯度聲速剖面c0-cb的梯度，便可將波束在整個水柱的傳播情況視為常梯度變化，采用類似于常梯度聲線跟蹤的方法獲得深度。

設εz為實際聲速斷面與零梯度聲速斷面間的面積差，入射角為θ0的波束的參考深度zb0已知，零梯度聲速斷面確定的深度為z′b0，則深度的相對誤差εz可定義為

εz＝(z′b0-zb0)/zb0

根據(jù)梯度的定義，可以得到常梯度聲速剖面的梯度geq以及對應的聲線弧段曲率半徑req

若波束往返程時間為t，根據(jù)常梯度聲線跟蹤原理，深度zb為

由上式可以看出，深度計算僅利用了表層聲速c0和參考深度zb0，實際聲速剖面僅用于面積差計算。

由于常梯度聲速剖面與實際聲速剖面具有相同的積分面積，利用常梯度聲速剖面計算的結果同實際聲速剖面相同，因此，常梯度聲速剖面被稱為等效聲速剖面，利用等效聲速剖面確定波束腳印位置的方法簡稱為等效聲速剖面法。

4.snell法則

波束在海水中的折射特性，可通過snell法則很好的反映。

snell法則為：

式中θi和θi+1是聲速為ci和ci+1相鄰介質層界面處波束的入射角和折射角，p為snell常數(shù)。

入射角θ≠0時，波束在界面處發(fā)生折射，若經歷的水柱中有n+1個不同介質層，則產生n次折射，波束的實際傳播路徑為一個連續(xù)折線，即聲線。snell法則不但解釋了波束在水中的傳播特性，還給出了求解聲線路徑的算法。

聲速以等梯度變化情況下的聲線跟蹤中第i層聲線軌跡示意圖如圖1所示，其中橫軸為x軸，表示目標與基陣之間的水平距離，xi為第i層內的水平位移，豎軸位z軸，表示目標與基陣之間的垂直深度，zi-1為上層面深度值，zi為下層面深度值，對應深度zi-1有掠射角αi-1，同樣，對應深度zi有掠射角αi，ri為對應層內曲率半徑。

利用douglas-peucker算法對原始聲速剖面進行分層，提取聲速特征點，自適應分層原理示意圖如圖2所示，其中豎軸為深度值，橫軸為對應的聲速值，p1和pn分別為聲速剖面的首尾端點，pi為距離p1pn連線最遠的聲速點，距離為di，當di大于閾值δ時，則保留pi點，并以此點為界限將原曲線分為兩部分，然后分別連接p1pi，pipn，重復上述過程。

利用層厚度(zi+1-zi)和聲速函數(shù)cⁱ(z)獲得整個水柱中的harmonic平均聲速，harmonic平均聲速原理圖如圖3所示。

聲速以等梯度變化情況下的聲線跟蹤原理圖如圖4所示，聲速在各層中以常梯度gi變化，層i上、下界面處的深度分別為zi和zi+1，層厚為δzi，波束在層內的實際傳播軌跡為一連續(xù)的、帶有一定曲率半徑ri的弧段。

等效聲速斷面圖如圖5所示，常梯度聲速剖面c0-cb與實際聲速剖面的面積差為0，零梯度聲速剖面c0-ca作為參考聲速剖面，只要得到常梯度聲速剖面c0-cb的梯度，便可將波束在整個水柱的傳播情況視為常梯度變化，采用類似于常梯度聲線跟蹤的方法獲得深度。

拖動聲速節(jié)點示意圖如圖6所示，通過手動調節(jié)聲速節(jié)點更接近實際聲速剖面。

拖動聲速節(jié)點過程中海底地形拼接情況變化示意圖如圖7(a)-如圖7(f)所示，通過調節(jié)聲速節(jié)點，海底地形隨之變化，最終得到正確的波束腳印位置，兩ping海底地形實現(xiàn)完美拼接，同時得到符合精度的海底地形。

實際構建方法流程如下：

a.在測區(qū)范圍內利用聲速剖面儀實測聲速剖面，根據(jù)水深環(huán)境設置聲速剖面儀采樣間隔(比如淺水環(huán)境下設置成0.1m)，在測區(qū)內海流較平緩的位置投放聲速剖面儀，聲速剖面儀投放的過程中盡可能保持勻速下放，在快要到達海底的時候將聲速剖面儀拉回，不要使觸及海底。

b.將實際測量的聲速剖面數(shù)據(jù)導出，進行簡單的粗差剔除處理。

c.根據(jù)實測聲速剖面的實際情況，確定自適應分層的閾值δ，利用douglas-peucker自適應分層算法程序將簡單處理后的聲速剖面進行自適應分層，得到自適應分層結果。

d.利用程序實現(xiàn)相鄰聲速特征點的連線，然后設置節(jié)點為可左右拖動的節(jié)點。

e.根據(jù)面積差為零的原理及實際情況，拖動聲速節(jié)點，然后將得到的聲速剖面載入多波束數(shù)據(jù)后處理軟件中對測區(qū)內的測深數(shù)據(jù)進行聲速改正，觀察聲速改正后的海底地形側投影，若地形有上翹或下彎的情況出現(xiàn)，則重新調節(jié)聲速節(jié)點，重新成圖，直至實現(xiàn)海底地形不出現(xiàn)上翹或下彎的情況為止，此時調節(jié)后的聲速剖面即為最終想要得到的等效聲速剖面。