专利名称：海底地形测量波束角效应改正方法
技术领域：
本发明涉及海道测量领域，特别是以声波作为深度测量的中介开 展的海底地形测量、海洋水深测量、内陆水深测量等的测量方法。
背景技术：
(1)目前，以线状声学测量模式为主的海道测量经过各项基本 的常规改正(吃水改正、水位改正、声速改正等)后，以测线交叉点 差值作检核成果是否合格，但是对于测量过程中的波束角效应对测量 精度的影响尚未进行改正，而实际测量中，由于物理上的原因，测 深仪波束角总存在一定的宽度，而且波束越宽，海底越深，失真就越 大，已经认识到此种失真效果，而要减小失真，只有减小波束宽度。 但波束宽度减小又会因船姿的不稳定性造成回波丢失，要实现对海底 的探测，必须保证波束具有一定的宽度。因此，用回声测深仪对海底 实现有效探测必须解决保证对海底实施探测又尽量减小失真这对矛 盾，而目前这对矛盾一直没有得到有效解决，人们仅仅是在保证可对 海底实施探测的基本前提下对测深仪换能器波束角采用一定宽度的
硬件设计，这也意味着80年来在世界范围内人们利用回声测深仪已 测制的海底地形图均反映为波束角效应作用后的失真海底地形。
测深仪波束角效应导致所探测的海底地形失真问题早就引起海 洋测绘界的关注，但一直没有提出有效的改正方法。在有关文献中都 提到波束角的影响，但这些文献仅就波束角产生的海底失真进行了一
般性讨论 (RM.Thomas. The position of soundings in relation to the echo sounder transducer[J]. The Hydrographic Journal, 1987,No.44:27-34 、 A. E. Ingham. Hydrography for the surveyor and engineer 3rd [M]. Blackwell Scientific Publications, 1992)。
伴随着高精度海底地形测量对测深精度要求的进一步提高，多波 束测深系统的出现及其在海道测量中的广泛运用，传统的点、线的测 深模式已经发展为面的全覆盖测深模式，测量效率得到了很大的提 高。但是作为测深误差源之一的波束角效应多年来一直困绕海道测量 专家， 一直未能够解决如何确定测深过程中的波束角效应所产生的测 深误差的量级，以及如何进行波束角效应改正的难题，从而无法保证 和提高海底地形测量的精度和可靠性。
发明内容
本发明的目的是克服上述矛盾和科学难题，提供一种海底地形测 量波束角效应改正方法，修正波束角效应，减小失真，提高海道测量 的精度和可靠性。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是海底地形测量波束 角效应改正方法，具体步骤为
第一步数据采集按照测量所采用的测深模式进行测量并收集海 洋测深数据，将所得实际测深数据通过数据线传输入计算机；
第二步数据处理软件处理系统主要功能模块有海底地形的仿 真构建、测深剖面的读取与可视化和波束角效应改正模块，测深剖面 的读取与可视化模块首先读入实际测深剖面数据，对实际测深剖面的 平面二维图和测量数据的断面图进行显示，并进行图形的放大縮小漫 游等基本编辑操作；
第三步波束角效应改正海底地形的仿真构建模块建立波束角 效应改正方法数学模型，波束角效应改正模块依据波束角效应作用机 制对海洋测深数据中波束角效应所产生的测深误差进行探测与分析， 进行波束角效应改正。所述第三步中海底地形的仿真构建模块包括平坦海底的构建、 倾斜海底的构建、凸形海底的构建、凹形海底的构建和航道的构建模 块，通过海底地形的仿真构建模块构建五种海底数学模型；波束角效 应改正模块包括测深剖面区域分割、海底倾斜角差分计算和波束角 效应改正模块，在实际测深数据的基础上进行测深剖面区域分割，然 后对海底倾斜角进行归算，并将海底倾斜角代入模型中，然后进行波 束角效应改正。
所述第三步波束角效应改正后进行第四步波束角效应改正方法 精度评定，测深精度评定模块包括仿真海底精度评定；实际海底精 度评定，可以采取两种方式进行评定， 一种为仿真的手段，另一种则 采用实测数据统计分析。
所述第四步波束角效应改正方法精度评定为仿真海底精度评 定通过仿真建立多种变化的海底仿真数据，采用不同的波束角宽 度的测深仪进行测量，将测量得到的测深数据按上述方法进行波束 角效应改正，然后将改正后的测深数据和模型计算得到的真实的深 度进行统计比较，得出波束角效应改正方法的精度。
所述第四步波束角效应改正方法精度评定为实际海底精度评 定选择一个具有一定坡度变化的海区，在良好的观测条件下，采 用窄波束的测深仪进行多次重复加密测量，建立海区的海底地形模 型，然后用不同的波束角宽度的测深仪进行测量，将测量得到的测 深数据进行波束角效应改正，将改正后的测深数据和建立的海底地 形模型中的深度进行统计比较，得出波束角效应改正方法的精度。
本发明波束角效应所产生的测深误差的探测与分析根据海底地 形变化的特点，总结分析波束角效应的作用规律，建立几种典型变化 的海底的数学模型
1、线形倾斜的海底的失真分析设"为海底倾斜角，沿测深线前进的方向向下为正、向上为负，
^为测深仪半波束角
第一种情况，"<0，|"|>^
如图6，测量船沿测线测深。在P(x,0)点处，由于波束角的作用， 记录的水深Kx)，并非真实的水深少(x)。 Kx),y(x)之间有如下关系
jK(jc) = r(x) sec a cos(| a | —。 r(jc)=cos a sec(| a | -。 △_y(x) = - r(jc) = r(x)[sec fl cos(| a | -0) — 1] 其中，Ay(x)表示P点处水深值的失真量值。Kx),Mx)之间的位移 表达式为
r(x) = + sec P 少(x + Ax) = cos P Ax = r(x)sin^
在此，Ax>0。即实际测深点超前于测船当时所在船位，称为前 移效应。
第二种情况"<O,|a|《0
= r(x) sec"
Ay W =少W—r (X)= Kx)(sec ^—l)
Ax = r(x)sin I a |
Ax^0，即发生了前移效应。 第三种情况">0，
少(;c) = r(x) sec " cos(" — 6) = cos " sec(" — A少(x)=少(x) — r(x) = r(x)[sec a cos(a —-1] Ax = —r(x)sin^在此，Ax〈0即实际测深点滞后于测船当时所在船位，称为滞后 效应。
第四种情况
<formula>formula see original document page 8</formula>
式中ArSO，即发生了滞后效应。 2、 "A"形海底的失真分析；
设《，々为海底倾角。不同倾角的倾斜海底组合在一起形成"A"形 或"「形海底。测船测量到P(x。,0)点时，换能器至海底顶端的垂直距 离为Xx。)，此时不产生失真。当测船偏离P(x。，0)点而位于区域[x,a]时 产生失真。"A"形海底除尖点外的部分属于倾斜海底，其失真上面已 经分析，现在只针对尖点的几种失真情况进行分析。
第一种情况0>|"|， 6>|-|， "<0，々>0
如图7， 4M是一段倾斜海底,则在/^,0)处，测深仪恰好探测到
r点。s。7^是一段倾斜海底，则在^(x2,o)处，测深仪实探测到r点， 那在i^范围内，测深仪一直实测的是r点。AT和^r是假想的一段 海底，这样是为了除去尖点r的影响。将44与A^都看作一段连续 的倾斜海底，则当t为倾斜海底4^的一点，其信息返回测深仪时，测 深仪当前位置与点r之间产生前移效应，r为倾斜海底4羊的一点时， 其信息返回测深仪时，测深仪当前位置与点r之间产生滞后效应，这 样当这两种失真组合到一起，出现尖点时，则在原失真的基础上又增 加了附加误差。<formula>formula see original document page 8</formula>y(x0) = r(>2)cos" x2 = x。 +r(x2)sin々
记录纸上的图像为-
,(x) = (x —x。)2+/(x0)
上式中，xe[Xj,X2]。
由于波束角的存在，又因为尖点r的左右海底倾角不同，使r点 左侧海底与r点右侧海底回波图像的时移量值不同左侧为前移效 应，右侧为滞后效应，两者之差为时移差。也就是，尖点r的信息反 映在回波图像上为时移差内的一段信息。由上式得；r点左侧海底倾 角"，产生的前移效应量值为roosinl"h r点右侧海底倾角"，产生
的滞后效应量值为-r02)sin/ ，时移差为r0Osinl"l+rO2)sinP。这一段 时域内的图像为,(xXx-x。)2+y(x。)。显然此图像为双曲线。 第二禾中个青况S<|"|， 6><|"|， a<0， ">0
& = x。 _ r(xjsin夕 y(;v:0) = r(x2)cos6* x2 = x0 + r(x2)sin0
记录纸上的图像为
r2(x) = (x —x0)2 +/0。)
第三种情况|"|<0<|/ |， "<0， 〃>0
y(x。) = r(x》cos"
x2 = x。 +r(x2)sinP
记录纸上的图像为
,(x) = (x — x0)2+_y2O0)第四种情况<formula>formula see original document page 10</formula>
记录纸上的图像为
<formula>formula see original document page 10</formula> 'T"形海底的失真分析
当波束探测到'T"形海底时，由于波束角效应的作用，在P(x。,0)处 记录的水深值为KA)，并非真实的水深Wx。)。并且有一部分海底波束 无法探测到，反映到回波图像上这部分水深值丢失了。具体情况分以 下几种
第一禾中情况"》^，"》^， ">0， "<0 由图8，有下列公式
<formula>formula see original document page 10</formula>
当测深仪探测到"F"形海底时，由于波束角的存在，使位于尖点 两侧的海底回波图像(如有回波)产生时移，时移的程度与海底倾角 "、"有关，而且向尖点的方向回归，其时移的相遇点(回归点)就
是回波图像上的尖点，其对应点为'T"形海底的POc。,0)点。因此，当
测深仪探测到p(x。，o)点时，返回到的回波图像尖点的信息实际上是r 点和r'点的信息，测深仪偏离p(x。,o)点时，探测的将是区域[x1，x2]之 外的信息，而[x,，x2]内的海底信息无法探测，反映到回波图像上这部 分信息丢失了。第二种情况|"|<6， |〃|<6， a〉0， "<0= r(Xo)cosor= x0 —r(x0)sina■y02) = r(X))cos";c2 = x0 +/-(x0)sin | " |第三禾中情况min(|"|,|/ |)<e<max(|a|,|-|) ， ">0，々<0少Oi) = r(x0) cos(min(l" |, | |))& = x。 - r(x0) sin(min(l" |， | 〃 |))波束探测到"「形海底和"A"形海底时测深回波分别发生深度丢 失效应和双曲线伪增效应，但失真区域是相同的，波束角的大小是决 定失真区域的重要因素。4、非线性倾斜海底的失真分析第一种情况/'O)<0， /"(x)<0， Im""gf'(x)一^如图9，设为海底任意一点r(;c,/(x))，假定海底连续变化，则r点 海底倾角为^sT0c)。测船沿测深线测深，当波束探测到r点，且r点 的信息返回测深仪，由于波束角的作用，测船此时的位置不在r点的正上方x，而是产生了时移Ax。/-(x + Ax) = /(x)sec^上式中Kx+Ax)表示r点的回波信息，Ax表示此时测船相对r点的 时移。第二种情况/ 'O) > 0, / "(x) < 0 ， w"g/ '(x) ^ e/-(x + Ax) = /(X) sec 6*第三种情况<formula>formula see original document page 12</formula>第四种情况<formula>formula see original document page 12</formula>第五种情况<formula>formula see original document page 12</formula>5、 凸形海底失真分析对于理想条件下的凸形海底，经分析得出在凸点存在双曲线增伪 效应，其原因在于凸点两侧线性倾斜的海底在回波图像上产生的时移 不同，时移的大小与凸点两侧海底倾角、海底深度有关。如图10， 连续线性海底少=/0c)在x二x。处存在凸点，当>;=/(x)在区间 [x。 -Ax,x。 + Ax]内连续可导且在jc = x。处存在凸点时，+《)在f=±z%+/"oo/(x。》^^#*/MI°艮口^日寸《波束角效应的作用下，测深回波仅存在线性海底的测深值平移失真(除凸点外)，凸点的测深 回波不失真。当J^/(x)在区间[jc。-Ax,;c。+Ax]内连续但在凸点(;c。,/(x。)) 上不可导时，Kx。+《)在《-0时取得最小值。即在波束角效应的作用 下，测深回波(除凸点外)仅存在测深值平移失真，凸点的回波图像不 再是 一 点而是被拉长了 ，即回波图像中为于区间 [x。+尸-(x。)/(x。),x。+八(x。)/(x。)]内的图像为凸点的回波图像，图像呈 双曲线形。6、 凹形海底失真分析第一种情况回波图像中海底凹部深度丢失凹形海底凹点两侧的海底均属于线性倾斜海底，根据推证可知其回波图像(若有回波)均有向凹点方向平移的趋势，且平移的程度与 海底倾角"，^有关。显然，凹点两侧海底平移后的重叠部分无法同时 显示在回波图像中，因而被压縮为一点。该点即为回波图像上的凹点， 但该点却不一定为凹形海底的凹点。如图11所示，实际测深中当测船行进到尸点时，返回到的回波图像凹点的信息实际上是r点和r'点的信息；当测深仪偏离P点时，探测的将是区域xeOc,，x,)之外的信息， 而xe(x,，x,)内的海底信息无法探测，反映到回波图像上就是这部分信 息丢失了。其深度丢失的范围xe(^x》可用时移量的计算求出。且求 得的A与x2的值与形海底失真规律的&与x2的值相同。.第二种情况回波图像中海底凹部深度不丢失如图11所示凹形海底，当凹部越来越平缓最终趋于平坦海底时， 回波图像将不存在波束角效应失真。也就是并非任何凹形海底在波束 角的作用下都会发生凹部深度丢失效应。不难发现，当凹形海底连续 可导，且凹点曲率半径p满足;^/(x。)时，凹点测深值r(x。)等于/(x。)， 即凹点的深度没有丢失。所述第三步波束角效应改正波束角效应的改正模型为 当|"|>6>曰寸 = 5" (|"| —6>)r(0其中，a为海底倾斜角(1(:Eitel一^r(^下倾为正)；e为测深仪半波束角(声波半功率点夹角的一半)；r'为换能器下的真实水深值； r为测深仪测深值(观测值)；Ar为波束角效应影响的水深差值。上述波束角效应改正模型是针对连续海底的数学模型，而实际应 用过程中获取的是海底的离散数据，海底倾斜角是未知的，因此，海 底倾斜角的求解问题是解决波束角效应的关键。基于测量船的惯性，在短距离内可近似认为测量船沿直线运动，利用空间线段反演对应海 底倾斜角，提出利用短距离的定位和测深数据综合计算海底倾斜角的 差分方法。海底倾斜角求解模型为式中，*/为相邻采样点的平面距离，^+1为"1点的海底视倾斜角。本发明综上分析有效而全面的建立海底仿真数学模型，实际测深 数据依据数学模型分析，由波束角效应改正模块进行改正，从而消除 波束角效应引起的海底测量失真，解决了一直没有解决的技术难题， 从波束角效应方面又进一步提高了测深的精度。
图1为本发明结构示意图。图2为本发明数据处理流程图。图3为实例测线航迹示意图。图4为实例测深线深度剖面示意图。图5为实例测深线波束角效应改正值示意图。图6线性倾斜海底失真分析图。图7 "八"形海底失真分析图。图8，"形海底失真分析图。当 6时当IH^时图9非线性倾斜海底的失真规律图。 图IO凸形海底的失真规律图。 图11凹形海底失真规律图。
具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明进行详细说明，但不限于具体实施 实例。2001年8月24日在某海湾进行海底地形测量。 第一步数据采集:定位系统为信标差分GPS，测深仪为SDH-13D， 其波束角为8度。定位数据经过调整；数据采集间隔为ls，测前仪器 经过严格比对和校准，性能稳定。坐标系统采用北京54坐标系。测 区海况良好，船速约4.0kn。按照测量所采用的测深模式进行测量并 收集海洋测深数据，航迹线如图3所示，将所得实际测深数据通过数 据线传输入计算机；第二步数据处理软件处理系统如图2所示，为基于Visual C++6.0开发的海底地形测量波束角效应改正工程化实用软件，用于 实际海洋测量数据波束角效应误差探测、改正和精度评定。软件运行 平台为Window98/xp/2000以上系统，软件处理系统主要功能模块 有海底地形的仿真构建、测深剖面的读取与可视化和波束角效应改正模块，海底地形的仿真构建模块包括平坦海底的构建、倾斜海底的构建、凸形海底的构建、凹形海底的构建和航道的构建模块，通过海底地形的仿真构建模块构建五种海底数学模型；测深剖面的读取与 可视化模块首先读入实际测深剖面数据，为了验证本发明方法的可行 性和合理性，选择其中两条测线JZM2和JZM52，对实际测深剖面的 平面二维图和测量数据的断面图进行显示，并进行图形的放大縮小漫 游等基本编辑操作。第三步波束角效应改正波束角效应改正模块包括测深剖面区域分割、海底倾斜角差分计算和波束角效应改正模块，测深剖面区 域分割模块对实际测深数据进行测深剖面区域分割，如图4所示，然 后由海底倾斜角差分计算模块对海底倾斜角进行归算，并将海底倾斜 角代入模型中，最后根据波束角效应改正模块依据波束角效应作用机 制对海洋测深数据中波束角效应所产生的测深误差进行探测与分析，
进行波束角效应改正，波束角改正值图见图5。
第四歩波束角效应改正方法精度评定，测深精度评定模块包 括仿真海底精度评定；实际海底精度评定，可以采取两种方式进 行评定， 一种为仿真的手段，另一种则采用实测数据统计分析。仿 真海底精度评定法通过仿真建立多种变化的海底仿真数据，采用 不同的波束角宽度的测深仪进行测量，将测量得到的测深数据按上 述方法进行波束角效应改正，然后将改正后的测深数据和模型计算 得到的真实的深度进行统计比较，得出波束角效应改正方法的精 度。
实际海底精度评定选择一个具有一定坡度变化的海区，在良 好的观测条件下，采用窄波束的测深仪进行多次重复加密测量，建 立海区的海底地形模型，然后用不同的波束角宽度的测深仪进行测 量，将测量得到的测深数据进行波束角效应改正，将改正后的测深 数据和建立的海底地形模型中的深度进行统计比较，得出波束角效 应改正方法的精度。
下面给出软件数据处理系统性中实现波束角效应改正的一段代
码
〃波束角效应改正
void CViewLine: :OnBoshuangleCorrect0
〃 TODO: Add your command handler code here for (i=0;i<m—totalpoint;i++)<formula>formula see original document page 17</formula>
权利要求
1、海底地形测量波束角效应改正方法，其特征是具体步骤为第一步数据采集按照测量所采用的测深模式进行测量并收集海洋测深数据，将所得实际测深数据通过数据线传输入计算机；第二步数据处理软件处理系统主要功能模块有海底地形的仿真构建、测深剖面的读取与可视化和波束角效应改正模块，测深剖面的读取与可视化模块首先读入实际测深剖面数据，对实际测深剖面的平面二维图和测量数据的断面图进行显示，并进行图形的放大缩小漫游等基本编辑操作；第三步波束角效应改正海底地形的仿真构建模块建立波束角效应改正方法数学模型，波束角效应改正模块依据波束角效应作用机制对海洋测深数据中波束角效应所产生的测深误差进行探测与分析，进行波束角效应改正。
2. 根据权利要求1所述的海底地形测量波束角效应改正方法， 其特征是第三步中海底地形的仿真构建模块包括平坦海底的构建、 倾斜海底的构建、凸形海底的构建、凹形海底的构建和航道的构建模 块，通过海底地形的仿真构建模块构建五种海底数学模型；波束角效 应改正模块包括测深剖面区域分割、海底倾斜角差分计算和波束角 效应改正模块，在实际测深数据的基础上进行测深剖面区域分割，然 后对海底倾斜角进行归算，并将海底倾斜角代入模型中，然后进行波 束角效应改正。
3. 根据权利要求1所述的海底地形测量波束角效应改正方法， 其特征是第三步波束角效应改正后进行第四步波束角效应改正方 法精度评定，测深精度评定模块包括仿真海底精度评定；实际海底精度评定，可以采取两种方式进行评定， 一种为仿真的手段，另一种 则采用实测数据统计分析。
4、 根据权利要求3所述的海底地形测量波束角效应改正方法，其特征是第四步波束角效应改正方法精度评定为仿真海底精度评 定通过仿真建立多种变化的海底仿真数据，采用不同的波束角宽 度的测深仪进行测量，将测量得到的测深数据按上述方法进行波束 角效应改正，然后将改正后的测深数据和模型计算得到的真实的深 度进行统计比较，得出波束角效应改正方法的精度。
5、 根据权利要求3所述的海底地形测量波束角效应改正方法，其特征是第四步波束角效应改正方法精度评定为实际海底精度评 定选择一个具有一定坡度变化的海区，在良好的观测条件下，采 用窄波束的测深仪进行多次重复加密测量，建立海区的海底地形模 型，然后用不同的波束角宽度的测深仪进行测量，将测量得到的测 深数据进行波束角效应改正，将改正后的测深数据和建立的海底地 形模型中的深度进行统计比较，得出波束角效应改正方法的精度。
全文摘要
本发明涉及海道测量领域。海底地形测量波束角效应改正方法，具体步骤为第一步将所得实际测深数据通过数据线传输入计算机；第二步数据处理首先读入实际测深剖面数据，对实际测深剖面的平面二维图和测量数据的断面图进行显示，并进行图形的放大缩小漫游等基本编辑操作；第三步海底地形的仿真构建模块建立波束角效应改正方法数学模型，波束角效应改正模块依据波束角效应作用机制对海洋测深数据中波束角效应所产生的测深误差进行探测与分析，进行波束角效应改正。本发明消除波束角效应引起的海底测量失真，从波束角效应方面又进一步提高了测深的精度。
文档编号G01C13/00GK101290223SQ200810011850
公开日2008年10月22日 申请日期2008年6月12日 优先权日2008年6月12日
发明者刘雁春, 伟 夏 申请人:刘雁春;夏 伟