专利名称：基于多波束测深的声速剖面及海底地形的联合反演方法
技术领域：
本发明涉及的是水声测量技术领域，具体涉及一种基于多波束测深的声速剖面及海底地形的联合反演方法。
背景技术：
海底地形测量是人类对于海洋探索、海洋资源开发、海洋工程设计、海洋战场虚拟环境建设的一个重要手段。长期以来，传统单波束回声测深技术虽然在海底地形测量中发挥了重要作用，但由于其测量所需时间长、成本高、精度低、信息量少的缺陷，已经不能满足海洋经济发展、海洋权益争夺和海洋规划管理日益增长的需求。而多波束测深技术因其测量范围大、精度高、效率高、记录数字化和实时自动绘图的优点，逐渐成为目前一种非常重要且较为流行的海洋测量手段。多波束测深系统是一种由多传感器组成的复杂系统，是现代电子技术、先进信号处理技术、高分辨率显示技术、高精度导航定位技术以及其他相关高 新技术等多种技术的高度集成。多波束测深系统在测量过程中，利用特殊的发射和接收波束结构，在一个较宽的范围内形成许多较窄的测量波束，从而一次性获得一个较宽范围内水深信息。多波束测深系统的发射换能器阵向海底发射纵向(沿航行方向)较窄横向(垂直航行方向)较宽的波束，形成一个测量条带；而接收波束是横向较窄但纵向较宽的波束，与发射波束相交形成许多测点(波束脚印)；最后利用各个脚印回波信号的到达角和到达时间，计算测点对应的深度值，实现海底地形的采样。然而，为了保证多波束测深系统测深结果的精度，必须消除船在航行时的纵横摇、航偏及声速剖面的影响。其中声速剖面的正确与否，直接关系到测深结果的准确性。海水是不均匀的介质，声波在海水中传播时，声速受海水温度、压力和盐度等因素的影响而发生变化。不同声速在海水中构成一系列声速层，声线在不同声速层中传播时遵循Snell定律，使声线发生折射现象，导致声线弯曲。声线弯曲对多波束测深的影响主要反映在两个方面
(I)对声线传播距离的影响；(2)对水深测量值的影响。这两者导致波束脚印位置计算错误，从而使绘制的海底地形与真实的海底存在差异，形成虚假海底。所以必须要保证声速剖面的及时更新，否则会影响测深数据的准确性。许多其它声纳系统的测量结果也依赖于声速剖面的准确性，所以声速剖面的获取对于海洋研究具有重要的意义。目前获得声速剖面的方式主要有两种，即测量方法与反演方法。测量方法包括直接测量法和间接测量法两种，直接测量法利用声速仪，通过在固定的已知距离内发射与接收信号测量出声速值；间接测量法利用温盐深仪(CTD)测量海水的盐度、温度和深度，再根据经验公式计算出声速值。利用逐点测量的方法获取声速剖面往往需要母船停泊才能进行测量，需投入较多人力物力。而实际海洋环境条件复杂多变，江河入海口处淡水的流入、水团的运动及昼夜温差等因素，都使得海水声速剖面随时间和空间变化，这样就需要及时更新声速剖面，而逐点测量对于获取较大范围海域的声速剖面需要较长的时间，直接影响了多波束测深系统的工作效率。
近年来利用水声学方法反演声速剖面并利用声速与水文参数的关系反演相关水文参数的研究备受关注。用水声学方法通常可以同时反演出大范围海域的环境参数，并且可以实现长时间的连续监测，与传统方法相比有很大优势，提供了海洋环境测量一种比较方便、高效的途径。寻找能够准确、快速地获得随时间和空间演化的声速剖面的反演方法因而成为目前研究的重要点。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种基于多波束测深的声速剖面及海底地形的联合反演方法和基于多波束测深的水温剖面的反演方法。为实现上述目的，本发明所采取的其中一种技术方案是本发明基于多波束测深的声速剖面及海底地形的联合反演方法包括如下步骤( I)通过多波束测深系统的发射换能器阵向测量海域的海底发射多波束，并通过多波束测深系统的接收换能器阵接收回波信号；(2)多波束测深系统根据接收到的回波信号，获得回波的到达角和到达时间；(3)建立由式(I)所示的状态方程和式(2)所示的测量方程构成的状态空间模型
权利要求
1.一种基于多波束测深的声速剖面及海底地形的联合反演方法，其特征是，包括如下步骤 (1)通过多波束测深系统的发射换能器阵向测量海域的海底发射多波束，并通过多波束测深系统的接收换能器阵接收回波信号； (2)多波束测深系统根据接收到的回波信号，获得回波的到达角和到达时间； (3)建立由式(a)所示的状态方程和式(b)所示的测量方程构成的状态空间模型
2.根据权利要求I所述的基于多波束测深的声速剖面及海底地形的联合反演方法，其特征是在所述步骤(4)中，所述序贯滤波方法为扩展卡尔曼滤波方法、集合卡尔曼滤波方法、无味卡尔曼滤波方法或质点滤波方法。
3.一种基于多波束测深的水温剖面的反演方法，其特征是，包括如下步骤 (1)通过多波束测深系统的发射换能器阵向测量海域的海底发射多波束，并通过多波束测深系统的接收换能器阵接收回波信号； (2)多波束测深系统根据接收到的回波信号，获得回波的到达角和到达时间； (3)建立由式(a)所示的状态方程和式(b)所示的测量方程构成的状态空间模型
4.根据权利要求3所述的基于多波束测深的水温剖面的反演方法，其特征是在所述步骤(4)中，所述序贯滤波方法为扩展卡尔曼滤波方法、集合卡尔曼滤波方法、无味卡尔曼滤波方法或质点滤波方法。
5.根据权利要求3或4所述的基于多波束测深的水温剖面的反演方法，其特征是所述步骤(5)中，采用Leroy声速公式、Dell Grosso声速公式、Wilson精确声速公式、Wilson简化声速公式、Mackenzie声速公式、Chen-Millero-Li声速公式或EM分层简化声速公式计算测量海域的水温剖面。
全文摘要
本发明公开了一种基于多波束测深的声速剖面及海底地形的联合反演方法。它包括以下步骤(1)通过多波束测深系统的发射换能器阵向测量海域的海底发射多波束，通过多波束测深系统的接收换能器阵接收回波信号；(2)多波束测深系统根据接收到的回波信号，获得回波的到达角和到达时间；(3)建立由状态方程和测量方程构成的状态空间模型；(4)根据建立的状态空间模型及接收到的回波的到达角和到达时间，利用序贯滤波方法获得测量海域的声速梯度及海底深度的反演值，利用声速梯度的反演值获得测量海域的声速剖面的估计。进一步，利用声速剖面的估计值计算测量海域的水温剖面。本发明方法能够快速、准确地获得声速剖面及海底深度的估计。
文档编号G01H5/00GK102749622SQ201210230759
公开日2012年10月24日 申请日期2012年7月3日 优先权日2012年7月3日
发明者张美佳, 徐文, 章惠全 申请人:杭州边界电子技术有限公司