[發明專利]基于倒置式多波束回聲儀的聲速剖面反演方法

有效

• 申請號: 201910410164.4
• 申請日: 2019-05-16
• 公開（公告）號: CN110146895B
• 公開（公告）日: 2021-04-20
• 發明（設計）人: 金麗玲;徐文
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 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: 劉靜;邱啟旺

本發明公開了一種基于倒置式多波束回聲儀的聲速剖面反演方法，該方法包括以下步驟：將多波束回聲儀倒置式安裝于水下潛標或者固定于水底，通過發射換能器陣向水面發射波束，通過接收換能器陣接收回波信號；多波束回聲儀根據接收到的回波信號獲得回波的到達角和到達時間；根據聲速剖面先驗信息求解EOF，得到聲速剖面的降維基函數描述方法；結合EOF、聲線跟蹤算法、表面聲速以及多波束數據，建立優化模型；根據建立的優化模型、接收到的回波的到達時間和到達角以及表面聲速，利用優化算法獲得測量區域聲速剖面的估計結果。進一步，利用聲速剖面的估計值計算測量區域的水溫剖面。本發明能夠快速、準確地跟蹤聲速剖面及溫度剖面的起伏變化。

技術領域

本發明涉及的是水聲測量和信號信息處理技術領域，具體涉及一種基于倒置式多波束回聲儀的聲速剖面反演方法。

背景技術

典型的海洋系統是一個由眾多機理且相互作用的物理、聲學、光學、生物、化學及地質過程組成的復雜系統，其內部存在著形式多樣的動力過程。這些動力過程以及它們之間的耦合，加上與海床的相互作用，導致海洋內部的不均勻性以及時間與空間上的顯著變化。在諸多環境參數中，聲速剖面具有明顯的時變特性，對聲信號傳播有重要影響，進而影響水聲通信、定位、測繪等聲納系統的工作性能。海洋環境的有效測量技術一直受到關注，是當今水聲研究的一個主要方向。

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。直接測量法利用溫鹽深儀(CTD)通過逐點測量的方式獲取聲速剖面。這種方法雖然具有非常高的測量精度，但直接測量不僅費時費力，而且無法獲取大范圍海域動態變化的觀測數據，難以滿足實際應用的需求。近年來，聲學反演技術通過將聲傳播模型與觀測數據相結合，為獲取感興趣的環境參數提供了一種長期、快速、高效的方法，與傳統方法相比具有很大的優勢。

多波束回聲儀在測量過程中，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體回聲信息。多波速回聲儀采用正交的“T”型的發射接收陣結構，發射陣沿船航行方向布置，形成縱向(沿航行方向)較窄橫向(垂直航行方向)較寬的發射波束，形成一個測量條帶；接收陣則橫向布置，通過接收波束形成處理，形成許多橫向較窄而縱向較寬的波束，接收波束與發射波束相交形成許多測量點(腳印)，最后利用各個腳印回波的到達時間與角度計算出整個測量值。近幾十年來，利用多波束回聲儀的測深技術得到了快速發展，已成為水下勘測的主要手段之一，在海洋工程建設、資源開發、海圖繪制、海洋研究與權益維護等方面起到了極為重要的作用。應用于測深時為保證測量精度，數據需經聲速剖面修正，同時數據中也包含了聲速剖面信息。利用多波束回聲儀數據反演聲速及溫度等水文參數，在改進地形測量精度的同時獲取水體環境信息，體現了垂直方向聲場-動力的深度耦合關系。

倒置式回聲儀長期固定布防于海底，通過測量聲波在垂直方向傳播時間的變化，反演溫度、鹽度等物理海洋學參量，可應用于大洋環流、中尺度渦旋、內波等深海觀測。目前，倒置式回聲儀采用單波束方式，通過最嚴經驗模態方法(GEM-Gravest EmpiricalMode)得到海洋動力參數的剖面分布。在深海情況下，單波束方式的倒置式回聲儀測量誤差較大。同時，考慮到淺海復雜的溫躍層結構與時空變化環境，單波束方式的倒置式回聲儀應用受限。

尋找能夠準確、快速地獲得聲速剖面時變特性的反演方法成為目前研究的重點。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供了一種基于倒置式多波束回聲儀的聲速剖面反演方法和基于倒置式多波束回聲儀的水溫剖面反演方法。

為實現上述目的，本發明所采取的其中一種技術方案是：基于倒置式多波束回聲儀的聲速剖面反演方法包括以下步驟：

(1)將多波束回聲儀倒置式安裝于水下潛標或者固定于水底，通過發射換能器陣向水面發射波束，通過接收換能器陣接收回波信號；

(2)多波束回聲儀根據接收到的回波信號，獲得回波的到達角和到達時間；