[發明專利]基于多波束測深的聲速剖面及海底地形的聯合反演方法

有效

• 申請號: 201210230759.X
• 申請日: 2012-07-03
• 公開（公告）號: CN102749622A
• 公開（公告）日: 2012-10-24
• 發明（設計）人: 張美佳;章惠全;徐文
• 申請（專利權）人: 杭州邊界電子技術有限公司
• 主分類號: G01S15/88
• 分類號: G01S15/88;G01H5/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 陳昱彤

技術領域

本發明涉及的是水聲測量技術領域，具體涉及一種基于多波束測深的聲速剖面及海底地形的聯合反演方法。

背景技術

海底地形測量是人類對于海洋探索、海洋資源開發、海洋工程設計、海洋戰場虛擬環境建設的一個重要手段。長期以來，傳統單波束回聲測深技術雖然在海底地形測量中發揮了重要作用，但由于其測量所需時間長、成本高、精度低、信息量少的缺陷，已經不能滿足海洋經濟發展、海洋權益爭奪和海洋規劃管理日益增長的需求。而多波束測深技術因其測量范圍大、精度高、效率高、記錄數字化和實時自動繪圖的優點，逐漸成為目前一種非常重要且較為流行的海洋測量手段。多波束測深系統是一種由多傳感器組成的復雜系統，是現代電子技術、先進信號處理技術、高分辨率顯示技術、高精度導航定位技術以及其他相關高新技術等多種技術的高度集成。

多波束測深系統在測量過程中，利用特殊的發射和接收波束結構，在一個較寬的范圍內形成許多較窄的測量波束，從而一次性獲得一個較寬范圍內水深信息。多波束測深系統的發射換能器陣向海底發射縱向（沿航行方向）較窄橫向（垂直航行方向）較寬的波束，形成一個測量條帶；而接收波束是橫向較窄但縱向較寬的波束，與發射波束相交形成許多測點（波束腳印）；最后利用各個腳印回波信號的到達角和到達時間，計算測點對應的深度值，實現海底地形的采樣。

然而，為了保證多波束測深系統測深結果的精度，必須消除船在航行時的縱橫搖、航偏及聲速剖面的影響。其中聲速剖面的正確與否，直接關系到測深結果的準確性。海水是不均勻的介質，聲波在海水中傳播時，聲速受海水溫度、壓力和鹽度等因素的影響而發生變化。不同聲速在海水中構成一系列聲速層，聲線在不同聲速層中傳播時遵循Snell定律，使聲線發生折射現象，導致聲線彎曲。聲線彎曲對多波束測深的影響主要反映在兩個方面：（1）對聲線傳播距離的影響；（2）對水深測量值的影響。這兩者導致波束腳印位置計算錯誤，從而使繪制的海底地形與真實的海底存在差異，形成虛假海底。所以必須要保證聲速剖面的及時更新，否則會影響測深數據的準確性。許多其它聲納系統的測量結果也依賴于聲速剖面的準確性，所以聲速剖面的獲取對于海洋研究具有重要的意義。

目前獲得聲速剖面的方式主要有兩種，即測量方法與反演方法。測量方法包括直接測量法和間接測量法兩種，直接測量法利用聲速儀，通過在固定的已知距離內發射與接收信號測量出聲速值；間接測量法利用溫鹽深儀（CTD）測量海水的鹽度、溫度和深度，再根據經驗公式計算出聲速值。利用逐點測量的方法獲取聲速剖面往往需要母船停泊才能進行測量，需投入較多人力物力。而實際海洋環境條件復雜多變，江河入海口處淡水的流入、水團的運動及晝夜溫差等因素，都使得海水聲速剖面隨時間和空間變化，這樣就需要及時更新聲速剖面，而逐點測量對于獲取較大范圍海域的聲速剖面需要較長的時間，直接影響了多波束測深系統的工作效率。

近年來利用水聲學方法反演聲速剖面并利用聲速與水文參數的關系反演相關水文參數的研究備受關注。用水聲學方法通常可以同時反演出大范圍海域的環境參數，并且可以實現長時間的連續監測，與傳統方法相比有很大優勢，提供了海洋環境測量一種比較方便、高效的途徑。

尋找能夠準確、快速地獲得隨時間和空間演化的聲速剖面的反演方法因而成為目前研究的重要點。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供了一種基于多波束測深的聲速剖面及海底地形的聯合反演方法和基于多波束測深的水溫剖面的反演方法。

為實現上述目的，本發明所采取的其中一種技術方案是：本發明基于多波束測深的聲速剖面及海底地形的聯合反演方法包括如下步驟：

（1）通過多波束測深系統的發射換能器陣向測量海域的海底發射多波束，并通過多波束測深系統的接收換能器陣接收回波信號；

（2）多波束測深系統根據接收到的回波信號，獲得回波的到達角和到達時間；

（3）建立由式（1）所示的狀態方程和式（2）所示的測量方程構成的狀態空間模型：