一种顾及换能器瞬时姿态耦合效应的水深改正方法与流程

1.本发明涉水深测量领域，尤其涉及一种顾及换能器瞬时姿态耦合效应的水深改正方法。


背景技术：

2.水深测量是海洋测绘的基本内容，是制作水下地形图的基本依据，准确的水深测量数据直接影响地形图精度，对航行安全、工程设计、施工和工作量计量至关重要，而常见的水深测量的设备是回声测深仪。
3.在水深测量过程中，受水流和波浪等因素的影响，测深仪换能器的姿态每时每刻都在变化，导致换能器发出的声波一般都不是垂向发射到水底，而是呈现一定的角度射向水底，在水底某个区域内被反射后由测深仪换能器接受，计算出声波传播的时间和距离。理想情况下，换能器发射的声波是窄波束，波束角越窄越好，实际上，限于制作工艺，换能器总是存在一个波束角θ,导致声波总是覆盖一定区域的河床底部，被换能器接受和数字化成水深的是最先接收到的最短路径上的声波，声波反射点的实际位置和水深与换能器的波束角、反射点位置的地形坡度、换能器的瞬时姿态相关。如何最大限度地削弱波束角和姿态耦合的影响从而得到精确的测点位置和水深一直是一个难题，当水底不平坦的时候，这个问题变得更加复杂了，在陡坡区域，若不考虑以上的因素，将给测量精度带来严重的影响。从目前来看，一般的水深数据处理软件只考虑其中的一个因素，数据处理的精度和可靠性受到限制。因此，研究在水底呈现一定坡度条件下，针对顾及波束脚印宽度和波束角与换能器瞬时姿态耦合效应的水深改正方法的研究就显得非常有必要和意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种顾及换能器瞬时姿态耦合效应的水深改正方法，能较大程度地削弱换能器波束角和水底坡度的影响，提高水深测量特别是陡坡水域水深测量的精度和可靠性。
5.为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：本发明提供了一种顾及换能器瞬时姿态耦合效应的水深改正方法，包括以下步骤：s1、计算不同波束角测深仪换能器的波束脚印的宽度，所述波束脚印的宽度为：（1）其中，为声波发射角，为固定值；为换能器中心至中心定标点的距离；s2、计算声波传播范围内中心定标点的坐标，从而确定计算局部水底坡度的前后两个点的位置；所述中心定标点的坐标的计算为：
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（2）
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（3）（4）（5）（6）（7）其中，为换能器中心至中心定标点的距离，中心定标点显示出的水深值；为gnss相位中心到换能器中心的距离；和分别为中心定标点的瞬时俯仰角和横滚角；为船体轴线与测量坐标系纵轴的夹角；和分别为中心定标点的瞬时gnss相位中心的北方向和东方向坐标；为中心定标点相对于船体坐标系纵向的位移；为中心定标点相对于船体坐标系横向的位移；为中心定标点相对于测量坐标系纵向的位移；为中心定标点相对于测量坐标系横向的位移；s3、确定测线方向上的局部水底地形的坡度；s4、计算波束角和换能器瞬时姿态耦合效应下的波束相对水底的相对侧滚角和相对俯仰角，以确定实际最短回波点与垂直方向的夹角；s5、计算所述实际最短回波点相对所述中心定标点在船体坐标系的位移、；s6、计算所述实际最短回波点相对所述中心定标点在测量坐标系下的相对偏移；s7、计算所述实际最短回波点在测量坐标系下的坐标和改正后的水深。
6.进一步，根据所述中心定标点的坐标和波束脚印的宽度，以所述中心定标点的坐标为圆心、以为半径，搜索水深采样点前后的测点，前进方向靠近搜索边缘的测点记为，尾部方向最靠近搜索边缘的测点记为，和的水深分别为、，和间的距离记为；则，
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（8）其中，为局部水底地形的坡度；的取值在-90度与90度之间；-90度表示下坡；90度表示上坡。
7.进一步，所述相对侧滚角和相对俯仰角为：
设，其中，为瞬时俯仰角与水底坡度角之差；若，则实际最短回波点在轴线方向上为波束后边缘，此时，相对俯仰角；若，则实际最短回波点在轴线方向上为波束前边缘，此时，相对俯仰角；若，则实际最短回波点不在波束边缘，而在波束中的某个位置，此时，相对俯仰角；若，相对侧滚角；其中，为代表换能器测量过程中某时刻的横滚角；若，相对侧滚角；若，相对侧滚角；根据所述相对俯仰角和所述相对横滚角，重新计算位置偏移值：
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（9）。
8.进一步，所述实际最短回波点的坐标和测量水深值分别为：
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（10）。
9.本发明的有益效果为：该方法针对不同发射角的单波束测深系统具有通用性，易于采用计算机编程实现，不增加计算步骤的复杂性；采用本方法进行数据处理，能显著提升在水下地形的陡坡区域的测量精度和可靠性。
附图说明
10.图1为一种顾及换能器瞬时姿态耦合效应的水深改正方法的原理图；图2 为实施例一中测量区域的示意图。
具体实施方式
11.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
12.请参阅图1，其中，为换能器声学中心；为gps的定位中心，、、三点共线；为铅垂线方向；为声波传播范围内的中心线；为波束角；为测船俯仰角；为局部地形坡度；为不考虑波束角与姿态耦合效应条件下最短声波反射点；为考虑波束角与姿态耦合效应条件下实际最短声波反射点；、为不考虑波束角与姿态耦合效应的波束边缘；、为实际的波束边缘；、为测线上一系列的声波反射点；、为分别为靠近波束边缘附近的某一声波反射点。
13.测深仪声波如同一束手电筒的光波一样，从测深仪换能器被发射出去，其传播被限制在一个一定角度（所谓的波束角）的区域内，到达水底时，其声波覆盖的范围为一个一定范围的圆或者椭圆区域，此区域即为所谓的“波束脚印”，波束脚印的形状与换能器的物理构造有关，波束脚印范围内声波如同无数束宽度为“零”的“光”，遇到障碍物时被反射，反射回的所有声波都被换能器所接收，换能器通过声波发射到反射时传播的时间，结合声波在水体中的实际传播速度，测量出传播路径长度，路径最短的声波最先被水底反射和换能器接收，测深仪记录的是最先到达的声波的传播路径长度。当声波垂直发射并被垂直反射时，此路径长度就是实际的水深。
14.以上只是理想下的情况，由于换能器安装、测船姿态变化和波浪等因素的影响，测深仪发射的声波多数情况下并不垂直向下发射，河床底部也常常有一定的坡度，如图1所示，当换能器垂直发射声波时，声波被限制在与间的区域传播（和的夹角为，即所谓的波束角），当水底是水平时，从最近点n点被反射和接收，所测量的距离即为水深，由于有俯仰角的存在（先讨论船艏方向俯仰角对声波传播的影响），实际声波传播的区域被限制在和之间，由于河床底部的不平坦，声波的实际最先被反射的点为，本发明的核心即为如何合理地计算反射的点的坐标。
15.从图1可以看出，g是定位设备gps的中心，、、三点共线，想要计算出实际最短回波点的位置，需要先根据定位设备gps与波束脚印中心的相对关系计算出点的位置，然后根据和点的相对关系，间接计算出的坐标。
16.一种顾及换能器瞬时姿态耦合效应的水深改正方法，包括以下步骤：s1、计算不同波束角测深仪换能器的波束脚印的宽度，所述波束脚印的宽度为：
（1）其中，为声波发射角，为固定值；为换能器中心至中心定标点的距离；s2、计算声波传播范围内中心定标点的坐标，从而确定计算局部水底坡度的前后两个点的位置；所述中心定标点的坐标的计算为：
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（2）
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（3）（4）（5）（6）（7）其中，为换能器中心至中心定标点的距离，中心定标点显示出的水深值；为gnss相位中心到换能器中心的距离；和分别为中心定标点的瞬时俯仰角和横滚角；为船体轴线与测量坐标系纵轴的夹角；和分别为中心定标点的瞬时gnss相位中心的北方向和东方向坐标；为中心定标点相对于船体坐标系纵向的位移；为中心定标点相对于船体坐标系横向的位移；为中心定标点相对于测量坐标系纵向的位移；为中心定标点相对于测量坐标系横向的位移；s3、确定测线方向上的局部水底地形的坡度；s4、计算波束角和换能器瞬时姿态耦合效应下的波束相对水底的相对侧滚角和相对俯仰角，以确定实际最短回波点与垂直方向的夹角；s5、计算所述实际最短回波点相对所述中心定标点在船体坐标系的位移、；s6、计算所述实际最短回波点相对所述中心定标点在测量坐标系下的相对偏移；s7、计算所述实际最短回波点在测量坐标系下的坐标和改正后的水深。
17.根据所述中心定标点的坐标和波束脚印的宽度，以所述中心定标点的坐标为圆心、以为半径，搜索水深采样点前后的测点，前进方向靠近搜索边缘的测点记为，尾部方向最靠近搜索边缘的测点记为，和的水深分
别为、，和间的距离记为；则，
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（8）其中，为局部水底地形的坡度；的取值在-90度与90度之间；-90度表示下坡；90度表示上坡。
18.所述相对侧滚角和相对俯仰角为：设，其中，为瞬时俯仰角与水底坡度角之差；若，则实际最短回波点在轴线方向上为波束后边缘，此时，相对俯仰角；若，则实际最短回波点在轴线方向上为波束前边缘，此时，相对俯仰角；若，则实际最短回波点不在波束边缘，而在波束中的某个位置，此时，相对俯仰角；相对侧滚角的判断与相对俯仰角的判断略有不同，因为对于测线来说，能根据测线方向连续的测点数据来计算坡度，而在垂直于测线的方向，没有连续的测点来计算坡度，但根据测线垂直于等深线布设的特点，可以将横向的地形坡度视为“零”，于是有以下判断：若，相对侧滚角；其中，为代表换能器测量过程中某时刻的横滚角；若，相对侧滚角；若，相对侧滚角；根据所述相对俯仰角和所述相对横滚角，重新计算位置偏移值：
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（9）。
19.所述实际最短回波点的坐标和测量水深值分别为：
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（10）。
20.实施例一对某波束角为3
°
的单波束测深仪的一处陡坡断面测量进行数据处理，并进行计算。
21.如图2所示的测量区域为一处水下的陡坡，水深从14m陡然变化为36m左右，断面呈现下凹的形态，坡度在25
°
到45
°
之间变化。
22.图2中总共布置了七条测线，测量时每2s的时间间隔进行一次定标的操作，在水深测量时的“定标”就是在某个满足一定条件的时刻在记录文件中做一个特定的标记，这个条件可以是满足距离间隔，也可以是满足一个时间间隔，在这个试验中，采用的时间间隔为2s时进行一个定标，实际的测量数据记录是连续的，所有的水深测量数据、定位数据、姿态数据都以极短的时间间隔被记录下来（通常在0.1s以内）。
23.其中某条测线从深水往浅水处测量，由于测量中的船速会有所变化，所以按照2s时间间距得到的定标数据，实际距离间隔是不相等的，前后定标点的距离在6.66m～9.83m之间，但实际记录的测量数据间隔远小于此值，最近相邻的测量数据间隔小于1m。
24.选取这条测线上的10个定标数据进行计算分析，如表1所示，按照前面所述的步骤，计算每个定标点的水深改正。
25.步骤1：计算每个定标位置的波束在水底的脚印宽度，见表1中的第十列；步骤2：根据gnss中心坐标，gnss与换能器中心的距离、水深等数据，计算声波传播范围内中心定标点的坐标；步骤3：根据中心定标点的坐标和波束脚印的宽度，确定本波束边缘最近的前后测量数据，以此计算中心定标点的局部的坡度，计算结果见表1的第12列；步骤4：根据每个定标时刻的瞬时俯仰角和横滚角与水底局部坡度之间的相对关系，计算每个定标点位置的相对俯仰角和相对侧滚角，见表2中第2列和第3列；步骤5：计算每个定标点在水底实际最短回波点相对于中心定标点在船体坐标系的位移，在测量坐标系下的北向位移、东向位移和水深改正值，计算结果见表2的第7列、第8列、第9列；步骤7，计算实际最短回波点在测量坐标系下的坐标和改正后的水深，完成测深仪所记录的实际测深点位置和水深的最终计算，表中列出了位置改正值（相对于中心定标点的位置）和水深改正值（相对于原始水深值）。
26.为了直观表示出本发明所确定的水深改正方法与通常不考虑波束脚印和波束角与瞬时姿态耦合效应的结果之间的差异，表2中列出了不考虑这种耦合效应的计算结果，见
表2第4、第5、第6列，从对比中可以看出，虽然两者的水深改正差别很小，基本可以忽略，但是实际定标点的位置改正差别最大超过了1m，在坡度为25
°
到45
°
之间的坡度区域，由于实际定标点位置计算偏差出现的测量误差是不可忽略的。
27.表1：测点测量数据表2测点改正计算以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。