（水声工程专业论文）声线折射引起的多波束测深假象分析与消除技术.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t m u l t i b e a mb a t h y m e t r i cs y s t e mi so n eo ft h em o s ta d v a n c e da n de f f e c t i v e h y d r o g r a p h i ci n s t r u m e n t si nt h eh y d r o g r a p h i cs u r v y i n g ，p e o p l ed oal o to fd e t a i l e d r e s e a r c ho nt h ep r e c i s i o no fm u l t i b e a ms o u n d i n gd a t aa n di n f l u e n c e df a c t o r s ，a n d r a yr e f r a c t i o nh a sb e e nf o u n da sa ni m p o r t a n ti n f l u e n c e df a c t o ri nt h eb a t h y m e t f i c a c c u r a c y ( e s p e c i a l l yi nt h em a r g i n a lb e a m s ) i fw ec a l l tg e tt h ea c c u r a t es o u n d s p e e dp r o f i l e s ，t h ev a r i a n c e so ft h es o u n ds p e e dp r o f i l e s ( s s p s ) w i l li n f l u e n c et h e s u r v y i n gp r e c i s i o n ，a n dr e s u l t i n gi nt h ed i s t o r t i o no fs u b m a r i n et o p o g r a p h y t h ea i mo ft h i sa r t i c l ei st oa n a l y z et h eb a t h y m e t r i ea r t i f a c t sa n de l i m i n a t e t h ea r t i f a c t sa r o s e db yr e f r a c t i o n s p e c i f i c a l l y , w ed e s c r i b et h eb a s i cp h y s i c so f s o u n dp r o p a g a t i o n ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fi t s p r o p a g a t i o ni ns e a w a t e r , a n dh o w r e f r a c t i o na f f e c t se c h o s o u n d i n ga n dw h a ti su s u a l l y d o n et or e d u c et h e d e g r a d a t i o n ，d o i n gr e s e a r c h e sm a i n l yo nt h ed e p t h sc o m p u t i n gw i t hm e t h o d so f a v e r a g es o u n ds p e e da n dr a yt r a c k i n g h o w e v e r ，t h et r a d i t i o n a lm e t h o d so f a c o u s t i cv e l o c i t yc o r r e c t i o nc a nn o td e p a r tf r o mt h ek n o w l e d g ea b o u tt h ee x i s t i n g s s p s i nm o s tc a s e s ，i ti sd i f f i c u l tt og e tm o r ea c c u r a t es s p si np o s t - p r o c e s s i n g t h e f i n a lp a r to ft h et h e s i si sd e v o t e dt ot h em e t h o d o l o g y , a p p l i c a t i o na n dr e s u l t so ft h e n e wr e f r a c t i o nc o r r e c t i o nm e t h o dc a l l e dc r o s s i n gc h e c k t h i sm e t h o di sb a s e do n t h er e g u l a t i o no fc r o s s i n g s u r v e ya n da l l o w s a u t o m a t e da d j u s t m e n t so ft h e b a t h y m e t r i ca r t i f a c t sp r e s e n ti nm u l t i b e a md a t a s e t s t h e s ea d j u s t m e n t sa r eb a s e d o nt h ea s s u m p t i o nt h a tt h ec e n t e rd e p t h so ft h es u r v e yl i n e sa r ea d e q u a t et ob e u s e da sr e f e r e n c e sf o r t h ec o m p u t a t i o no fc o r r e c t i o n s t h ea p p l i c a t i o no ft h i s m e t h o dc a nm a k et h ed e p t hd a t ao ft h el i n e sm o r ec l o s et ot h a tr e s u l t e df r o mt h e c e n t e rb e a m so ft h ec h e c kl i n e s ，a tl a s t ，t h i sm e t h o dc o m p l e t et h ed e p t hc o r r e c t i o n o ft h eo t h e rb e a m s k e yw o r d s ：m u l t i b e a mb a t h y m e t f i cs y s t e m ；r a yr e f r a c t i o n ；b a t h y m e t r i ca r t i f a c t s ； c r o s s i n gc h e c k ；c e n t e rb e a m s 哈尔滨工程大学 学位论文原创性l 声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：王乔雨 日期：砌 年3 月2 1 7 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ： 耆痂导师( 签字) ：召俚黝 日期： 矿罗年多月m 日沙9 年弓月加日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景 多波束测深系统是当代海洋基础勘测中的一项高新技术产品。它采取多 组阵和广角发射接收，并形成条幅式高密度测深数据，是计算机技术、导航 定位、传感器技术等多种高新技术的高度集成，是一种全新的高精度全覆盖 式测深系统【1 】。一个完整的多波束系统除拥有结构复杂的发射接收换能器阵 列和用于信号控制与处理的电子单元外，还应该配备高精度的运动传感器、 定位系统、声速剖面仪和计算机软、硬件及相应的显示设备。因此，现代多 波束测深产品实际上己经发展成为由声学系统、波束空间位置传感器子系统 以及数据采集与处理系统组成的综合系统。多波束发射接收换能器、电子单 元及实时采集与控制计算机构成多波束形成的核心部分；高精度的定位设备、 运动传感器以及声速剖面仪组成的波束空间位置传感器子系统是多波束系统 必不可少的组成部分。 多波束测深系统是利用安装于船底或拖体上的声基阵向与航向垂直的海 底发射超宽声波束，接收海底反向散射信号，经过模拟数字信号处理，形成 多个波束，同时获得几十个甚至上百个海底条带上采样点的水深数据，其测 量条带覆盖范围一般为水深的2 到8 倍，与现场采集的导航定位及姿态数据 相结合，绘制出高精度、高分辨率的数字成果图。与单波束回声测深仪相比， 多波束测深系统具有测量范围大、测量速度快、精度和效率高的优点，它把 测深技术从点、线扩展到面，并进一步发展到立体测深和自动成图，特别适 合进行大面积的海底地形探测。 多波束测深仪主要获取海底的深度信息，但在几乎同样的硬件条件下， 通过增加对海底反向散射信号的处理方法，开发新的信号处理软件就可以增 加设备的功能。国际上的发展趋势是在多波束测深仪基础上增加地貌探测， 并在此基础上完成底质分类等功能；在设备的智能化方面主要是提高系统的 自动化程度，例如增加海底自动跟踪，声速现场改正等功能，使设备使用起 来更加方便瞄j 。 出于海洋开发需求的增长，近年来国内外开展了大量的多波束勘测项目， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 获取了相关海域的多波束测深资料，但在多波束勘测数据的后处理成图过程 中发现了一些问题，有的等深线极不光滑，局部等深线出现抖动，反映了沿 航迹方向的假地形，甚至相邻等深线在局部抖动区呈平行状，这是由于在多 波束系统测量过程中受仪器自噪声、海况因素、声呐参数设置不合理或者使 用了较大误差的声速剖面等因素影响，致使测量资料不可避免地存在假信号， 造成虚假地形，从而使绘制的海底地形图与真实海底存在差异，为了提高海 底地形图的精度，必须消除这些假地形现象【3 】。 多波束测量系统依赖海水介质对声波的传播和海底的反射和散射，把接 收到的信号按传播时间经过声速剖面折算成深度和侧向水平距离。因此海水 介质的声速剖面特征和结构变化对测量及其精度控制来说具有十分重要的地 位。与单波束测深不同，由于目前多波束系统大多采用1 5 0 。广角度发射， 边缘波束处在倾斜收发状态，因此声线遇不同声速界面的折射加大了，仪器 对声速剖面精度的要求也更加严格了。同时海水介质又是一种高速流动的介 质，其温度、盐度特征不仅受到径流淡水和洋流高盐水入侵的影响，而且还 受到气温、季节、流场等因素的作用。海水介质显著变化的温、盐特征必然 导致声速结构的时空变化，从而对多波束海底测量产生重大影响【4 1 。 多波束声纳系统的声学原理和海水的不均匀性，使得声波在传播过程中 发生声线的折射现象，而声线折射是影响多波束系统( 特别是边缘波束) y , w j 量 精度的一个重要因素。多波束系统采取定向发射一组声波束，分别计算各个 波束的传播时间来得到多点的水深值。在这个同时发射的多个波束中，除了 中间波束是垂直水平面发射外，其他波束都与水平面有一定的夹角。由斯涅 尔定律知：影响这些斜入射的声波在不均匀的介质中会产生折射现象。声波 对折射现象是非常敏感的。折射现象随着入射角的加大而加剧，继而对测量 精度产生较大的影响。表现为对传播距离的影响和对波束指向角的影响【3 】， 对波束测点的最终位置的归算带来较大的误差。 鉴于上述，对多波束测深系统的深度修正方法进行深入的研究是十分迫 切和必要的，它对于提高我国在多波束测深系统应用水平、研制能力方面具 有现实和长远的意义。 2 哈尔滨工程大学硕十学位论文 1 2 国内外发展历史及研究现状 随着多波束勘测技术的发展，针对如何提高勘测数据的精度研究工作方 兴未艾。在上世纪中前期，国内外学者就对多波束系统的勘测精度及其影响 因素做了详细的研究，多波束相应的数据改正包括潮位改正、换能器吃水改 正和水介质声速剖面【5 1 改正三项。其中潮位和换能器吃水改正一般通过预报 或实测数据直接进行深度改正，声速改正由于介质声速不仅受水团运动而经 常发生复杂变化，而且不同的声速结构将直接影响波束射线的空间路径，因 此是各项数据改正中最重要、同时也是最难控制的影响因素。换能器的姿态 和声线的折射是影响数据精度的重要因素。在实际的勘测过程中，姿态传感 器可以对换能器的姿态进行动态实时补偿，在保证安装精度和仪器精度的前 提下，换能器姿态引起的误差是一固定值。用于声线折射改正的声速剖面， 因其在时间和空间的非连续性，会对声线跟踪产生较大的影响，这种影响随 着波束开角的增大而增大。 加拿大学者d f d i n n 和法国学者h e l e n et o n c h i a 等通过大量的数据研究 指出：声速误差主要对多波束系统的波束指向角和波束路径产生影响，并给 出可具体的量化分析结果【6 】。w i l l i 砌c a p e l l 还给出了根据多波束数据确定声 速剖面误差大小的方法【。刀。 在对影响多波束精度因素研究的同时，学者们也对如何解决这些问题进 行了深入的研究，在对该技术的研究上，加拿大b r u n s w i c k 大学的j e h u g h e s c l a r k e 教授所在的海洋测绘小组走在前列，提出了几种数据后处理中声速改 正的方法【8 以0 1 。例如，h u g h e sc l a r k e 在1 9 9 9 年提出的声速剖面替代法，是使 用l o o k u pt a b l e s 中的数据作为更有效近似处理数据。l o o k u pt a b l e s 是存 有大量浮点数的l u t 表，它代表的是参考了当地水位和传播时间的波束方向 角。在l i j t 中也有两个值可预测离散的角度和时间。从波束角和传播时间这 两组值( 声呐基本的输出数据) ，利用合适的声速剖面，可以将深度和侧向中 心距计算出来。反过来，利用其轴上的深度和侧向中心距数据可以得到波束 方向角和传播时间。l u t 只在离散的角度和时间间隔上进行预测，然后得到 了一个二维的拟合曲线。此外还有声速剖面内插法和几何旋转法。前两种方 法，均要求有更为精确的声速剖面资料。对于如何获取这些声速剖面，他们 哈尔滨工程大学硕士学位论文 没有给出比较理想的方法，只是利用了在两个声速剖面之间内插出新的声速 剖面，或者是根据厂家提供的水深、侧向中心距、波束方向角、传播时间等 之间的关系表( l u t ) 重新建立声速改正关系。这些地方在解决多波束声纳测 量数据的声速改正问题上都不能给出令人满意的结果，其获得的改正精度在 某些情况下不能满足测量精度的要求，需要找到更为有效的声速剖面的获取 与多波束声速改正方法。 另外，a d a mz i e l i n s k i 和x u e y ig e n g 于1 9 9 9 年提出具有相同传播时间、 表面声速c o 、声线积分面积相同的声速剖面族，波束的归位计算结果相同。 在此基础上，给出了一种依据积分面积差，进行声线跟踪的方法【1 1 】【1 2 1 ，具有 计算简单、方便，易于实现等特点。通过计算真实声速剖面和一个简单的声 速剖面的相对面积差占。，计算的速度会加快而且解算的深度、水平位移准确 度会提高。 2 0 0 0 年，加拿大b r u n s w i c k 大学的e d o u r a r dk a m m e r e r 博士在其论文中， 分析了折射对多波束测量数据的影响，给出了o m gr e f i a c t i o nt o o l ，b a t c o r m e t h o d ，m e t h o do f t h e4 5b e a m s 等几种折射改正方法【1 3 】【1 4 1 ；o m g 还推出相 应的折射改正软件。 与国外相比，国内由于多波束勘测技术研究与应用起步较晚，在该技术 领域的研究也只是跟踪了国外的最新技术，自己比较成熟的理论方法比较少， 对此的具体应用也比较少。国内从上世纪8 0 年代中期开始独立自主研制多波 束测深仪，到1 9 9 9 年哈尔滨工程大学主持研制成功国内首台装船多波束条带 测深仪，并开始系列化研制多波束测深仪。2 0 0 6 年，光明日报、科技日报等 国家级媒体报道哈尔滨工程大学研制成功的我国首台便携式多波束测深仪， 国内顺应海洋开发的世界性趋势，投入了大量资金从国外引进比较先进的多 波束测深仪，通过消化国外产品的资料，国内相关科研人员对国外先进测深 仪产品软、硬件都有了很大的提高，但在数据后处理和功能的进一步开发上， 由于基础薄弱，发展一直滞后于国外。在使用过程中，测量者都意识到声速 对测量精度( 特别是边缘波束) 影响较大，对于改进方法也作了一些研究工作。 周丰年、赵建虎等根据不同的环境给出了最优的声速确定公式【1 5 】，对于浅水 区声速改正具有较好的作用。齐娜、田坦等学者对波束轨迹跟踪做了细致的 研究【l 酬，国内国家海洋研究所的研究人员也开展了一些工作，丁继胜，周兴 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 华等基于等效声速剖面法的多波束测深系统声线折射改正技术相关论文u 7 j 就给出了利用等效声速剖面法校正声线折射是一种简单、可行的数据处理方 法，得出深度相对误差仅与初始的入射角和相对面积差有关，与其他参数无 关。根据这一理论我们可以找到对应多波束数据的等效声速，进行折射改正。 这在一定程度上减小了对实时声速剖面的依赖程度，可以提高多波束测深系 统的整体测量精度。何高文，刘方兰等仿照s e a b e a m 系统后处理软件 ( m b s y s t e m ) 中的声速剖面编辑器，通过人工交互方式估算声速剖面的变化 结果。它从多波束数据文件中读入数据记录，并根据当前的声速剖面，利用 声线追踪，计算出水深值。对于每一个回声脉冲信号可以获得一个垂直航向 的水深值线性拟合，以及拟合值与实际测量值之差的水深剩余值，所有波束 的剩余值平均后以图形方式显示在屏幕上。平均剩余值反映了测深数据的系 统偏差，为了使线性拟合尽可能合理，最好使用在非常平坦的海底采集的数 据。如果声速剖面末经校正，边缘波束将明显向上或向下弯曲，这种现象在 剩余值曲线上也同样反映出来。通过调整屏幕窗口中的声速剖面节点，使剩 余值曲线变成一条剩余值基本为0 的水平直线，这时的声速剖面被认为是合 理的【1 引。另外，一些学者应用针对反演理论( i n v e r s e ) 及算法【1 9 】进行研究，主 要是利用声线到达时间差或传播时间进行反演，可以得到比较准确的声速剖 面信息【2 0 。2 2 1 。 1 3 论文主要研究内容 一 本论文主要是对多波束系统测深假象进行分析，消除由于折射现象引起 的测深假象。将从基本的多波束系统的声学原理出发研究多波束测深的理论， 阐述多波束测深技术的实质。要保证多波束测深精度，除必须具备符合精度 要求的多波束系统及其外围设备外，在测量过程中还必须保证各项改正的精 度，而在各项改正过程中最难以控制精度的因素便是声速改正。本文将重点 对多波束测深系统的深度校正方法作详细的研究，并在声速改正方法的理论 研究基础上，针对湖上勘探的多波束测深数据进行深度修正，提高深度测量 精度。数据采自哈尔滨工程大学自主研制的浅水高分辨便携式多波束测深仪 的湖试实验，本论文主要研究内容如下： ( 1 ) 多波束测深理论基础 5 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 从多波束系统的声学原理分析出发，考虑到海水声速是影响多波束测深 数据精度及其可靠性的重要因素，需要详细分析海水声速对测深值的影响机 理，本文介绍了声传播的基本物理学概念，声传播过程中的特性及声线折射 现象，给出多波束声纳发射和接收时的基本操作方法以及利用多波束实现深 度测量的方法。 ( 2 ) 声速结构对多波束测量精度的影响研究 由于介质声速不仅受水团运动而经常发生复杂变化，而且不同的声速结 构将直接影响波束射线的空间路径，故有必要对声速结构对测量精度的影响 进行研究。本文研究表面声速变化对波束角度、深度的影响及海水中声速变 化对测深的影响，分析用来描述声速跃层的声速阶梯模型和声速梯度模型两 者对测量深度的差异。 ( 3 ) 基于声线跟踪法的深度修正方法研究 海洋环境里声速随着盐度、温度和深度以及其他因素的变化而变化，导 致声波并不沿直线传播，利用声波到达海底某区域的往返时间和声线离换能 器的出射角计算该区域的海底深度时，如果采用固定声速，则必然带来误差， 为提高测深精度，有必要进行声速补偿。为此，研究一种在深度方向上采用 声线跟踪技术进行补偿以提高海底深度测量精度的方法，利用海试数据进行 相应的处理来验证该研究方法的正确性。 ( 4 ) 交叉检测深度修正方法研究 传统的多波束声速改正方法，离不开已知的声速剖面资料。而大多数情 况下，在后处理过程中，要获得更为精确的声速资料比较困难。由多波束测 深系统的测量原理可知，中央波束是垂直入射，受声速的影响比较小，其对 应的水深更接近于实际水深值。为此，利用垂直交叉的航线，提取检测线中 央波束的深度信息对航线的深度数据进行修正，得到声速剖面的近似模型， 用算法得到模型的参数信息，最后实现用该声速模型对航线上的其它深度数 据进行修正。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章多波束测深的理论基础 在介绍消除折射引起的多波束测深假象的方法前，简要地回顾一下海水 中声传播的理论，折射的概念，并对多波束系统的声学原理进行分析。 2 1 声波的本质 声音是介质机械振动产生的。机械扰动的传播依赖介质本身。只要其它 的外力没有平衡掉这个压力扰动，传播会继续进行。由于介质的上下振动使 得声波能在其中传播。这种传播机制使得声能能够从一个地方传向另一个地 方。在无限的介质中，声波的波阵面是球面波，然而当声波距离声源比较远 时，它们可以近似为平面波。这一近似使我们很容易对介质中的声学特性进 行描述。 一 2 1 1 平面波及球面波的方程 考虑一小团介质的体积，应变力和质点振速的变化，在一个小的时间间 隔内，平面波波动方程如下： 粤：旦磐 ( 2 1 ) 一= 一一 - l - a t 2 p 锄2 、7 其中，p 是声压，b 是弹性模量，p 是密度。 如果考虑压力及y 和z 方向的变化，可以得到球面扩展的情况： ，v 2 p = 吉睾 口2 ， 方程描述了介质中压力的时空变化的联系。 声波传播的速度： 一犀( 2 - 3 ) 归万 弹性模量b 是压力和张力的比值。它是指材料受到外力变形的能力。密 度p 是单位体积介质的质量。声速直接与介质变形的能力成正比与单位体积 介质的质量成反比。 7 哈尔滨_ 下程大学硕十学傅论文 介质对声波的阻抗为： z o = p 占= p c ( 2 - 4 ) 质点位移宇与压力p 和速度( 平面波情况) ： 。p o ，x ) ：一b 旦圭譬立立：一b i t ( t , x ) ( 2 5 ) 删 2 1 2 波动方程的解 只要坐标系中的不同的变量能够分离，方程就是有解的。由无穷小脉动 球体在无限、均匀各项同位的介质中辐射的球面波的压力是： p ( r ，t ) = 生p 。州由( 2 - 6 ) 是由边界方程决定的常数，r 是距离声源的距离，瑚是周期，k 是波 数。声波的能量与p 2 成正比，p 与三成正比，所以能量就与 成正比。能 ，_r 量按与声源距离的平房衰减。这种现象叫球面波扩展。 2 2 海洋中的声波 我们关心的声波传播的特殊情况是海洋中声波的传播，尤其是在海岸水 域中。在这节中，讨论海水中声传播的特点。 2 2 1 海洋声速结构 海水中的声速不是一个固定不变的量，是取决于海水介质中许多特性的 个变量。它随着温度、季节、地理位置及时间而变化。实际测量表明，声 速是温度、盐度和压力( 深度) 的函数，随温度、盐度和深度的增加而增大。 深海声速剖面是分层的，由表面层、季度跃变层、主跃变层和等温层构成。 表面层一般水体厚度不大，声速在该层对热、冷和风的作用的日变化和地区 变化很敏感，由于风吹过海面时产生的混合作用，- 该层通常表现为等温的混 合层声速基本保持不变，该层对声波具有通道作用。季节跃变层( 又称温跃 层) ，该层厚度较表面层层加大温度随深度急剧变化，表现为负的温度梯度 和声速梯度，此梯度随季节而异。主跃变层( 又称渐变层) ，该层厚度进一步 加大，声速梯度仍为负值，但变化较小，它受季节变化的影响很微弱。深海 等温层( 又称均匀层) ，该层一直延伸至海底，声速梯度在该层变为正值，温 r 哈尔滨工程大学硕士学位论文 度几乎不变，声速主要受压力影响【1 8 l 。 浅海声速剖面不稳定和不规则，因而不易预测。声速剖面随季节、纬度 而变化。声速剖面对声传播影响很大。 在沿岸浅海及大陆架上，声速剖面受较多的因素影响，有较强的地区变 异性和短时间不稳定性。很多外部动力机制影响着声速结构，图2 1 给出了 关于影响海岸声速结构的解释。但平均而言，仍有比较明显的季节特征。在 冬季的典型声速剖面是等温层，在夏季往往是负跃层或负梯度。 ( 1 ) 负梯度声场。在夏季无风天气，由于太阳照射造成声速随深度下降， 形成负梯度声速剖面。 ( 2 ) 温跃层声场。在夏季有风天气，浅海表面在风搅混下形成等温层，而 海洋下部的海水仍残留有冷水特性，温度会在当中一薄层内由上面较暖的等 温层过渡到下面较冷的等温层，使得声速也发生相应的剧烈变化。从而形成 夏季的另一种典型浅海声道温跃层声道。 r 一7 降水z 弋夕 彳、 7 蒸发 二、j 太阳能加热 忽赢硒国o o o o o o 河口环流翎汐7翎汐7 一 - 一 风流搅动 图2 1 海洋水团介质影响机制 2 2 2 声速方程 关于声速的经验方程，是压力，盐度和温度的函数。根据很多次的测量 计算已经有很成熟的经验公式了【1 3 】。最近的公式分别来自于l e r o y ，m e d w i n 和m a c k e n z i e 。具体如下： c - 1 4 9 2 9 + 3 ( t - 1 0 ，) ，- ，6 x 1 0 - 3 ( 丁一1 0 ) 2 4 1 0 之( r 一1 8 ) 2 ( 2 7 ) + 1 2 ( s 一3 5 ) 4 - 1 6 1 0 叫d 、 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 其中，2 s t 2 4 5 。，3 0 s 4 2 ，0 d 1 0 0 0 c = 1 4 4 9 2 + 4 6 丁一5 5 1 0 一2 丁2 + 2 9 1 0 - 4 丁3 ( 2 8 ) + ( 1 3 4 一1 0 2 ) ( s 一3 5 ) + 1 6 1 0 2 d 、7 其中，0 t 3 5 。，0 s 4 5 ，0 d 1 0 0 0 c = 1 4 4 8 9 6 + 4 5 9 1 t 一5 3 0 4 x 1 0 - 2 t 2 + 2 3 7 4 x 1 0 4 t 3 + 1 3 4 0 ( s 一3 5 ) f 2 9 、 + 1 6 3 0 x 1 0 - 2 d + i 6 7 5 x 1 0 - 7 一1 0 2 5 x 1 0 - 2 丌s 一3 5 ) 一7 1 3 9 x 1 0 - t y 其中，0 t 3 0 。，3 0 s 4 0 ，0 d 8 0 0 0 。 s 定义为1 千克的海水中含有的溶解物质，用质量分数千分制表示。 丁的单位摄氏度。c ，d 的单位是米m 。 考虑了盐度s 、温度丁、深度d ，通常声速变化和它们的关系是： 在t = o 。c 和s = 3 5 时，c 增加4 6 m s ，t 的变化量是1 。c c 增加1 4 m s ，s 的变化量是1 c 增加1 7 m s ，d 的变化量是1 0 0 0 m 2 2 3 声线折射 对声传播有基本解后，还需要了解声波究竟是怎样在水介质中传播的。 这是我们关注的重点，因为它是从多波束测深仪的发射换能器发射的波束开 始传播到达海底再反射回来的误差的来源。 在一个简单的模型中，海洋可以看成是分层介质。这就是说垂直的波束 是与这些分层是正交的。其它的波束都是倾斜入射到这些层面上的。 首先考虑声线垂直入射介质情况，例如中央波束。不同的声速剖面对声 线路径的影响，分析两种情况： ( 1 ) 声速阶跃变化。 ( 2 ) 声速梯度变化。 在这两种情况中，假定在离声源足够远的地方声波近似为平面波。 当声波垂直的发射到水介质中时，声波在介质中传播的速度是变化的。 为了获得海水中有代表性的声速值，我们使用调和平均声速这个概念。调和 平均声速是总的距离比上总的时间。由下面的公式给出： = i ( 2 - 1 0 ) 。善了高 卜 其中，z 一气是总的传播距离， 刁，刁一。 是声速q ( z ) 所在的层。是分层的个 数。 多波束回声测深仪的中央波束是由换能器垂直发射的波束。海水中声速 的改变使得这些波束在传播过程中产生误差。这些距离的误差是很小的；例 如深度为1 0 m 的层平均声速从1 5 0 0 m s 变化到声速为1 5 1 0 m s ，在深度为 l o o m 的地方产生的误差是6 6 c m 。 如果声波不是按垂直方向入射，由于声速的变化，波束偏离了原来的轨 迹。角度误差的结果加到距离误差上，而且与垂直方向的夹角是非线性的增 z pfluidl p l c i 彳p f l u i d 2 厥c 2 n 文 、 p 图2 2 声波倾斜入射声速的变化 如图2 2 所示，入射波的方程： 加( ，一x e o s o ：z s i n 岛) 只( f ，x ，z ) = 4 e q ( 2 - 1 1 ) 反射波和折射波的方程： j m ( 卜! 竺堡! ! ! 垫垒1 所( ，x ，z ) = 骂e q ( 2 1 2 ) j u x c , o s 8 ，- s i n 0 1 ) 只( f ，x ，z ) = 鸣p 龟 ( 2 1 3 ) 三个不同的幅度( 4 ，马，4 ) 之间的关系可以通过方程( 2 1 4 ) 1 蝴条件声 压的连续性得到。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 p i 七pr2p t 鸬s i n 2 + 纬s i n o , = 鸬s i n o , 其中代表声速，而 只= 一只 c o s 9 j c o s 9 7 _ - - - 二= ：_ - - c 1乞 由这些条件可直接导出幅度的关系： 4 = 且+ 4 b tz 、s i n e 一z 。s i n e 。 - - 二= = - - ：；- - - - 二- - - - - - j 二- - - - - 二 4z 2s i n o _ f + 2 1s i n 包 垒： 2 z , s i n o , 4z 2s i n o ，+ z 1s i n e ( 2 - 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 方程( 2 1 8 ) 表示声波在两个界面传播是有一些能量损失。方程( 2 1 9 ) 遵守 反射定律。方程( 2 2 0 ) 表示折射波和反射波的幅度。 如果e = o ，或者z 2s i n o , = z , s i n o , ，表示没有反射，结合s n e l l 定律公式 ( 2 1 7 ) 可导出： s i n 晦器搿 o ，1 】 ( 2 - 2 1 ) 。 ( 岛届) 2 1 一。 、 。 这个值是正的，因为s i n o ，2 【o ，1 】。公式( 2 2 1 ) 等价于公式( 2 2 2 ) 两个条件的一 个： 丛生1 和鱼旦1 ( 2 2 2 ) 岛乞岛巳 声波通过边界没有反射和能量损失。只是偏离了原来的方向。这当然也 是海洋中声传播的一般情况。 在某深度z 处，通常用一个阶跃模型来表示在一个小深度范围内声速的 剧烈的变化。更好的办法就是在非零深度间隔内通过恒定的声速梯度对温跃 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 层的影响进行近似。这样的梯度可以有下列的方程来定义。 c ( z ) = c o + g z( 2 - 2 3 ) 其中龟是表面声速，g 是梯度。对方程求导，我们会得到： d c = g d z ( 2 - 2 4 ) 在给定深度z 应用s n e l l 定律： c o s 0 ：c o s 8 0 ( 2 - 2 5 ) c c o 求导后得： 尘c = 掣 (2-26)oc o s o o 一= 一 一n i 将方程( 2 - 2 4 ) 代入方程( 2 2 6 ) ，得到增量出，该点的传播方向和它的梯度 d 。 d z ：一一c o 兰生d 8 ( 2 2 7 ) gc o s 最后积分得： z ( p ) = 一面c o 丽c o s t9+a(2-28) g c o s 该方程定义了一个圆，圆的半径是r ： 尺2 否c 面o ( 2 - 2 9 )g c o s 该地区声速随着深度线性变化的声波有一个圆形的轨迹。如图23 。 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 图2 3 在声速梯度中声波的圆形轨迹 通常声速剖面有很复杂的结构。对这样剖面产生的真实的偏离作出直接 计算是不可能的。然而，通常为了分析可以将剖面简化分解成很多小的部分。 分解部分或者有恒定的声速，或者声速是随着深度是线性变化的，本文主要 关注的是倾斜发射的波束中产生的折射误差。接下来介绍多波束声纳测深仪 的操作方法。 2 3 多波束测深原理 多波束测量不同于单波束测量。单波束测深只是发射一个声波束，测的 也只是换能器正下方的水深。而多波束系统工作时换能器同时发射多个声波 束，在垂直于航向方向上形成一个发射波束扇形声传播区，从而实现对海底 的条带式侧量【2 5 j 。 为了能够使换能器同时发射多个波束，就要在换能器的设计制造上加以 考虑。现有的多波束系统，都是用很多个换能器单元，按一定的排列方式组 成一个换能器阵列，每个单元都有导线连出，并加以封装，从而组成多波束 换能器阵列。每个独立的换能器单元，都是由压电陶瓷块组成的，它是利用 压电陶瓷的压电效应工作的，当给压电陶瓷两极加上一个电压时，压电效应 使压电陶瓷产生压力，从而产生一个随外加电压变化而变化的声波。若此外 加电压为一频率较高的交变电压，则压电陶瓷便会产生高频振动，形成高频 振荡声波。反过来，若是压电陶瓷两侧受到高频振荡声波的冲激，也会产生 一个高频振荡电压。压电陶瓷实质上是一声、电转换器件。多波束换能器就 是利用了压电陶瓷的这种压电效应进行工作的。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 多波束声纳换能器通常由两个正交阵列组成( 组成舰船龙骨下的m i l l 交 叉阵列) ，一个是接收阵列，一个是发射阵列。发射阵列是沿舰船方向布置的， 接收阵列是垂直于发射阵列布置的，即龙骨线正交方向【2 6 1 。多波束换能器在 工作时，接收波束在沿航迹方向上比较宽，在垂直于航迹方向上比较窄。只 有发射阵照射和接收阵观察到的一小部分海底的回波可以被接收到，从而可 测出这一交叉覆盖面积的深度，这种收发基阵的交叉安排称为m i l l s 交叉【2 7 】。 多波束测深仪在一次信号发射中测绘一个连续或间隔很小的海底区域，通常 是横向的一些点条，该区域称为条带( s w a t h ) ，横向的宽度称为条带宽度【2 引， 见图2 4 ： 接收 的条带 发射波束 图2 4 多波束测深仪原理示意图 换能器工作频率通常在接近组成换能器阵元材料的机械共振频率附近。 形成波束宽度的定义是角度从海底到扩展波前沿，能量降到轴向声功率一半 的那一点之间的间距离的两倍。波束宽度与阵列的孔径长度和使用声波波长 有关系。所以阵列长度对声纳产生的波束宽度是非常关键的。下面的方程定 义了阵列的3 d b ( 一半功率) 波束宽度： 伽2 一洫( 半) p 3 。， 如果l 4 名，方程( 2 3 0 ) 简化为： 。 秒= o 8 8 ( r a d i a n s ) ( 2 31 ) 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 a 0 是波束宽度，五是发射信号波长，l 是阵列长度。 多波束系统信号的接收也利用了压电陶瓷的压电效应。当声波信号从水 底反射回换能器时，这种高频振荡声波加在压电陶瓷两端，使之产生一个高 频交变电压，此电压变化是相应于声波变化的。这个电压还要经过复杂的信 号处理过程，才能生成反映海底地形、地貌的数据。 接收换能器用来做波束形成和波束定向。波束形成产生一个窄波束扇面。 波束定向将波束转向一个特定的方向上。一些换能器能够及时补偿舰船的倾 摇角和横摇角，为了使扇形波束尽量与龙骨线正交垂直平面接近( 倾摇稳定) ， 而且沿船身垂直平面对称( 横摇稳定) 。 波束形成器能够在同一时间检测到不同方向到达的多个离散波束，波束 形成技术是指将一定几何形状排列的多元基阵各阵元输出经过处理形成空间 指向性的方法，一个波束形成器可以看成一个空间滤波器，它可以滤去空间 某些方向的信号，只让指定方位的信号通过【2 9 】。 发射阵列，平行于舰船的首尾方向，产生一个与其正交的发射波束。接 收阵列形成平行与舰船首位方向的多个接收波束，一个未经调整的波束图案 能由以下方程表征： b ( t ，秒) ：n - ia 。e j i i 妒，其中y ：2 z r d 了s i n0 (2-32) b ( t ，秒) = a 。e 扣妒，其中y = 了一 n 。l 几 其中是总的阵元数，彳是信号的幅度分量。d 是该阵列两阵元的间距，沙是 信号的相位。 如果没有调整，由发射和接收波束图案确定的窄波束总是垂直于基阵。 为了产生任意方向的波束，应该对波束指向进行控制。波束调整通常是通过 电路的方法实现的。三种方法可以使用：时延、相位延迟、快速f f t 算法。 这些方法都需要知道阵列的阵元间距。该距离为名的若干倍。如果我们对k l 知道得不够准确，角度估计就会有误差。 在进行波束定向时应知道换能器表面的声速，这样能确定在不同阵元上 的相位和时间延迟。如果声速不进行补偿的话，就会引起调整角度的误差。 声速改变引起的角度误差随着调整角度的增加而增加，这是本论文值得引起 注意的地方。 1 6 哈尔滨r 丁程大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章介绍了多波束测深的理论基础，首先对声传播的基本物理学概念， 传播过程中的特性以及海洋声速结构进行分析。接着对声波的声线折射的基 本理论进行分析，最后讨论了多波束声纳系统发射和接收的基本操作方法， 以及发射换能器和接收换能器的作用，分析得出换能器表面的声速对发射波 束的波束宽度及接收时的波束定向都有影响，这些是应该引起关注的地方。 1 7 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 第3 章声线折射引起的测深假象分析 海洋环境的物理特性高度的变化性使得深度测量变得艰巨。在这些变量 中，温度，压力，和盐度的变化都影响着声速和声波在海水中传播的方向。 不同的声速在海水中构成一系列声速层，由声波的传播特性可知，声波穿过 不同的声速介质时，其传播路径要发生改变，由高速介质向低速介质传播时， 向法线方向折射，也即遵循s n e l l 定律。这样，当声波非垂直入射海水时，由 于穿过一系列不同的声速层，其传播轨迹实际上是一条由很多折线构成的曲 线，这就是声线折射现象【1 8 】。 3 1 概述 如第二章所述，海水中的声速是时刻变化的。它由介质的三个特性决定， ( 温度、盐度、海水压力) 。这些特性在时间和空间都是变动的，所以很难准 确监测，这降低了多波束声纳数据的质量。在一片小的区域可以认为声速只 在垂直方向上随着深度改变。做这种假设是因为声速在竖直方向上的变化要 比水平方向上的快得多。从图3 1 可以看出折射在两个地方影响了深度的测 量，一个在波束形成和波束定向时换能器表面处，还有声波在海水中传播过 程中。 s u r v e yv e s s e l f 一 、 7s e a 。u 响c ea c r n a n g l- r a yp a t h t h ea c t u a r a y 气1l em i b e p t he i t o r 图3 1 海水中的声传播 1 8 哈尔溟丁程大学硕士学位论文 由于声线折射现象的存在，声速值( 特别是表面声速) 正确与否，将直接 影响多波束系统各个波束( 尤其是外部波束) 在海底的触底位置及其水深值。 而影响声速改正的因素主要有两个：表层声速变化、声速剖面跃层及其深度。 3 2 声速变化对海水中声传播的影响 声纳发射声波产生声线由于不同深度声速的变化，时刻地改变着方向。 换能器表面的声线图应是直的，如果表面声速错误，声线会发生弯曲。假设 声速只是垂直方向上有变化，结果只在发射平面内出现深度覆盖的变形。正 的声速梯度产生的声线是凹的，负的声速梯度产生的声线是凸的，如图3 2 。 c ( z ) 0 z 夕 沁一 - 一一一a 露 z 一，。夕 、 啄 图3 2 阶梯和梯度剖面对单个波束声线的影响 由于不同深度声速的变化，使得声线偏离了本来的方向。与垂直方向不 同角度的波束组成了一个扇面覆盖。变形的覆盖的特点：