一種多波束換能器的二次校正方法

一種多波束換能器的二次校正方法

在多波束的水深測量中，多波束激發(fā)深度系統(tǒng)的聲音交換單元的幾何誤差影響了搜索精度和位置精度。換能器在安裝時(shí)存在相對于船體的左右傾斜,稱為橫搖角度偏差,其會與船體的橫搖等因素產(chǎn)生耦合,共同影響波束在水體中的初始發(fā)射角,進(jìn)而對水深數(shù)據(jù)在地理坐標(biāo)系下的坐標(biāo)產(chǎn)生影響。當(dāng)橫搖角度偏差存在時(shí),多波束各條帶水深數(shù)據(jù)會出現(xiàn)系統(tǒng)性的傾斜,引起海底地形探測失真針對多波束換能器校準(zhǔn)不完善問題,本文基于實(shí)測多波束條帶水深數(shù)據(jù),選取相鄰航向相反的條帶水深數(shù)據(jù),采用加權(quán)最小二乘法擬合平坦海底,求出換能器橫搖角度偏差,進(jìn)而將得到的修正結(jié)果輸入CARIS船文件中,完成對換能器橫搖角度偏差的校正。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法對多波束換能器橫搖角度偏差進(jìn)行二次校正,解決了多波束測量換能器校準(zhǔn)不完善問題。經(jīng)過統(tǒng)計(jì),經(jīng)校準(zhǔn)后的多波束水深數(shù)據(jù)在主測線與檢查線重疊區(qū)具有更好的一致性。1換能器橫搖偏差引起海底傾斜圖1所示為某測區(qū)內(nèi)5個條帶的后視剖面圖,從中選取上層較為典型的A、B、C三個條帶,并對其航向進(jìn)行標(biāo)記(條帶A、C的航向?yàn)榇怪奔埫嫦蛲?條帶B的航向?yàn)榇怪庇诩埫嫦騼?nèi)),可以看出,航向相同的條帶(條帶A、C),其水深橫斷面具有相同的傾斜方向,而航向相反的條帶(條帶A、B)則呈現(xiàn)出反方向的傾斜,據(jù)此可判斷圖1為典型的因換能器橫搖偏差(在平坦海底,換能器縱搖偏差的對水深的影響相對較小,換能器橫搖偏差產(chǎn)生的水深誤差較大2單波束換能器的橫傾誤差校正為最小二乘法2.1搖偏差不同造成的誤差如圖2所示,將圖1中實(shí)測的B、C條帶水深進(jìn)行模型化,圖中,S為真實(shí)海底,S′為B條帶因換能器橫搖偏差改正不完善引起的偏差海底,S″為條帶C對應(yīng)的偏差海底;由于條帶B與條帶C相鄰且航向相反,其各自得到的偏差海底與真實(shí)海底形成的夾角θ大小相同,方向相反。由此可以得出,兩偏差海底相對于水平方向傾角的差值即為兩倍的換能器橫搖偏差。由以上分析,可得到換能器橫搖偏差的計(jì)算公式為:式中,k2.2最小二乘擬合求取法地形擬合原理如圖3所示。為了得到偏差海底與水平方向的夾角,選擇測線經(jīng)過的一段平坦海底,將多波束每ping水深數(shù)據(jù)在其垂直航向的平面內(nèi)進(jìn)行最小二乘直線擬合,其公式如下將平坦海底描述為線性函數(shù):將式(2)寫成矩陣形式,考慮到水深的偶然誤差,則有:式中,y2.3基于局部傾角的海底傾角計(jì)算在真實(shí)的海底環(huán)境中,不存在絕對平坦的海底。起伏的海底微地形對計(jì)算海底傾角產(chǎn)生影響,為了準(zhǔn)確地捕獲多波束條帶掃測過海底的傾角,削弱因微小地形起伏給計(jì)算帶來的干擾,在此提出一種基于局部傾角的水深點(diǎn)配權(quán)方案,過程如下。1)令P=I,用最小二乘法根據(jù)式(4)計(jì)算初始海底傾角K2)計(jì)算海底各水深點(diǎn)所在位置的局部海底傾角3)計(jì)算用于線性擬合的水深點(diǎn)權(quán)重4)根據(jù)如圖4所示,藍(lán)色圓點(diǎn)為一ping多波束原始水深點(diǎn),其整體趨勢較為平坦,但在該ping數(shù)據(jù)的左側(cè)出現(xiàn)了小尺度的微地形變化;圖中紅色虛線為直接采用最小二乘法擬合的海底,結(jié)合圖4和最小二乘擬合原理可以看出3計(jì)算示例3.1聲速剖面效果及子區(qū)編輯圖5為某一次多波束作業(yè)所有測線布設(shè)情況,圖中左側(cè)為測線分布情況,右側(cè)為所選子區(qū)放大圖,子區(qū)共包含5個條帶的數(shù)據(jù)(024728、031641、022653、051214、021117)。首先對測區(qū)所有測線進(jìn)行水位改正和聲速剖面改正,改正后對所有測線進(jìn)行融合;對選取的子區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行子區(qū)編輯,其后視圖如圖1所示,圖中條帶A、B、C分別對應(yīng)子區(qū)中的測線031641、022653、021117。此次作業(yè)所采用測船的配置參數(shù)如表1所示,表中記錄了作業(yè)人員在進(jìn)行多波束測量前,通過傳統(tǒng)方法得到的換能器各項(xiàng)校準(zhǔn)參數(shù)。3.2計(jì)算橫搖偏差結(jié)果圖1中,條帶B和C航向相反,其對應(yīng)條帶水深出現(xiàn)反向傾斜,采用§2.2中方法分別計(jì)算其斜率,得k將以上計(jì)算的橫搖偏差修正值θ對比圖1和圖6可以看出,經(jīng)重新校正后的條帶水深數(shù)據(jù),明顯地消除了因換能器橫搖角度偏差校準(zhǔn)不完善引起的海底系統(tǒng)性傾斜;在條帶重疊區(qū)域,水深能夠較為平穩(wěn)的過度(圖6中因條帶自身彎曲造成的條帶間水深差異與聲速改正誤差有關(guān)3.3換能器橫搖偏差校正前后對應(yīng)格網(wǎng)之20100為了驗(yàn)證本文方法的有效性,選取測區(qū)內(nèi)一塊主測線與檢查線的條帶交叉區(qū)域,以檢查線水深點(diǎn)為準(zhǔn),將主測線水深數(shù)據(jù)內(nèi)插成100×100規(guī)則格網(wǎng)(交叉區(qū)域水深在7.80m左右),分別比較換能器橫搖偏差校正前后對應(yīng)格網(wǎng)水深點(diǎn)的不符值,其統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。如表2所示,采用本文方法計(jì)算得到的換能器橫搖偏差校正后的水深數(shù)據(jù),其交叉區(qū)域不符值統(tǒng)計(jì)結(jié)果明顯優(yōu)于改正前的結(jié)果,證明了采用本文方法進(jìn)行換能器橫搖偏差校正能夠有效地削弱因橫能器橫搖偏差產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。4換能器橫搖角度偏差校正在分析了換能器安裝橫搖角度偏差對海底地形影響的基礎(chǔ)上,介紹了現(xiàn)有解決的方法;針對傳統(tǒng)方法存在的局限性,基于實(shí)測多波束條帶水深數(shù)據(jù),提出了換能器橫搖角度偏差校正的最小二乘方法;結(jié)果表明:經(jīng)進(jìn)一步校正后,得到的的條帶