[發明專利]一種顧及換能器瞬時姿態耦合效應的水深改正方法

有效

• 申請號: 202210299982.3
• 申請日: 2022-03-25
• 公開（公告）號: CN114397664B
• 公開（公告）日: 2022-06-28
• 發明（設計）人: 吳敬文;劉傳杰;杜亞南;陳建民;盛青;王露;付五洲;唐敏炯
• 申請（專利權）人: 長江水利委員會水文局;長江水利委員會水文局長江口水文水資源勘測局（長江水利委員會水文局長江口水環境監測中心）
• 主分類號: G01S15/08
• 分類號: G01S15/08;G01S7/52;G01S7/539
• 代理公司: 北京中北知識產權代理有限公司 11253
• 代理人: 吳靜

本發明一種顧及換能器瞬時姿態耦合效應的水深改正方法，通過計算不同波束角測深儀換能器的波束腳印的寬度、計算聲波傳播范圍內中心定標點的坐標、確定測線方向上的局部水底地形的坡度、計算波束角和換能器瞬時姿態耦合效應下的波束相對水底的相對側滾角和相對俯仰角，以確定實際最短回波點與垂直方向的夾角；計算所述實際最短回波點相對所述中心定標點在船體坐標系的位移；該方法針對不同發射角的單波束測深系統具有通用性，易于采用計算機編程實現，不增加計算步驟的復雜性；采用本方法進行數據處理，能顯著提升在水下地形的陡坡區域的測量精度和可靠性。

技術領域

本發明涉水深測量領域，尤其涉及一種顧及換能器瞬時姿態耦合效應的水深改正方法。

背景技術

水深測量是海洋測繪的基本內容，是制作水下地形圖的基本依據，準確的水深測量數據直接影響地形圖精度，對航行安全、工程設計、施工和工作量計量至關重要，而常見的水深測量的設備是回聲測深儀。

在水深測量過程中，受水流和波浪等因素的影響，測深儀換能器的姿態每時每刻都在變化，導致換能器發出的聲波一般都不是垂向發射到水底，而是呈現一定的角度射向水底，在水底某個區域內被反射后由測深儀換能器接受，計算出聲波傳播的時間和距離。理想情況下，換能器發射的聲波是窄波束，波束角越窄越好，實際上，限于制作工藝，換能器總是存在一個波束角θ,導致聲波總是覆蓋一定區域的河床底部，被換能器接受和數字化成水深的是最先接收到的最短路徑上的聲波，聲波反射點的實際位置和水深與換能器的波束角、反射點位置的地形坡度、換能器的瞬時姿態相關。如何最大限度地削弱波束角和姿態耦合的影響從而得到精確的測點位置和水深一直是一個難題，當水底不平坦的時候，這個問題變得更加復雜了，在陡坡區域，若不考慮以上的因素，將給測量精度帶來嚴重的影響。從目前來看，一般的水深數據處理軟件只考慮其中的一個因素，數據處理的精度和可靠性受到限制。因此，研究在水底呈現一定坡度條件下，針對顧及波束腳印寬度和波束角與換能器瞬時姿態耦合效應的水深改正方法的研究就顯得非常有必要和意義。

發明內容

本發明的目的在于針對上述現有技術的不足，提供了一種顧及換能器瞬時姿態耦合效應的水深改正方法，能較大程度地削弱換能器波束角和水底坡度的影響，提高水深測量特別是陡坡水域水深測量的精度和可靠性。

為實現上述目的，本發明采用了如下技術方案：

本發明提供了一種顧及換能器瞬時姿態耦合效應的水深改正方法，包括以下步驟：

S1、計算不同波束角測深儀換能器的波束腳印的寬度，所述波束腳印的寬度為：

（1）

其中，為聲波發射角，為固定值；為換能器中心至中心定標點的距離；

S2、計算聲波傳播范圍內中心定標點的坐標，從而確定計算局部水底坡度的前后兩個點的位置；

所述中心定標點的坐標的計算為：

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

（7）

其中，為換能器中心至中心定標點的距離，中心定標點顯示出的水深值；為GNSS相位中心到換能器中心的距離；和分別為中心定標點的瞬時俯仰角和橫滾角；為船體軸線與測量坐標系縱軸的夾角；和分別為中心定標點的瞬時GNSS相位中心的北方向和東方向坐標；為中心定標點相對于船體坐標系縱向的位移；為中心定標點相對于船體坐標系橫向的位移；為中心定標點相對于測量坐標系縱向的位移；為中心定標點相對于測量坐標系橫向的位移；

S3、確定測線方向上的局部水底地形的坡度；