聲線追蹤技術(shù)在全三維多波束處理軟件中的應(yīng)用

摘 要：全三維多波束數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以用來處理多波束數(shù)據(jù)，根據(jù)海洋聲場對多波束測深精度的影響可以有效地建立合適的聲線追蹤算法模型，為實(shí)施海上聲速剖面測量提供嚴(yán)密性的指導(dǎo)意見。文章根據(jù)應(yīng)用實(shí)際，設(shè)計(jì)了三個(gè)切實(shí)可行的方案，并應(yīng)用到全三維多波束數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中來，取得了較好的效果，為系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：全三維多波束；海洋聲場；聲線追蹤

1 基本原理

聲線追蹤需從Snell法則開始引入。

Snell法則的表述為

其中？茲i和？茲i+1是聲速為Ci和Ci+1相鄰介質(zhì)層面處波束的入射角和折射角；p為Snell常數(shù)。

海底深度測量的理想化模型中，假定的是水中的聲速是恒定的。由公式可知Ci≡Ci+1，而Snell常數(shù)P又為確定的常量，那么便可以知，sin？茲i≡sin？茲i+1，即？茲i≡？茲i+1。說明聲波在海水中是以直線傳播的。那么，要計(jì)算海深，則只需要根據(jù)聲波在海水中的傳播速度和接受波到達(dá)的時(shí)間（雙程旅行時(shí)間）來計(jì)算出聲波在海水中傳播的距離，除以二后得單程旅行時(shí)，然后根據(jù)三角函數(shù)定理乘以接收角的正弦值，得到該點(diǎn)的深度，乘以接收角的余弦值得到該點(diǎn)距離船底中心的水平偏移位置。通過上面描述的這些已知量，即可以描述出海底的準(zhǔn)確地形。但是在實(shí)際的測量中，由于海水的溫度、鹽度、和壓力的影響，聲音在各個(gè)水層中的傳播速度是變化的。所以，可以將水層分為多個(gè)水層，每個(gè)水層中的聲速各不相同，致使聲波在海水中并不沿直線傳播。在實(shí)際的設(shè)備接收中，換能器只能夠獲取換能器本身所在水層的回波角度和聲波的旅行時(shí)間。若依然按照理想模型中的算法來計(jì)算波阻點(diǎn)的位置，那么就會出現(xiàn)很嚴(yán)重的誤差，參見圖1測深聲速剖面模型。所以，在實(shí)際的數(shù)據(jù)處理過程中，必須做聲線追蹤這一步驟，該步驟便是消除海水分層對聲波傳播的影響。對于聲線追蹤的解決方案暫時(shí)提出三個(gè)，根據(jù)數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)中聲速剖面的有無、多少、質(zhì)量等決定采用的追蹤方案，該方案也可以由軟件的使用人員指定。這三個(gè)方案分別為：（1）聲線跟蹤法；（2）誤差修正法；（3）等效聲速剖面法。

1.1 聲線跟蹤法算法設(shè)計(jì)

聲線跟蹤可采用深度追加法實(shí)現(xiàn)，其過程為：（1）根據(jù)聲速剖面（或聲速經(jīng)驗(yàn)公式）獲得聲速函數(shù)C（z）。

1.2 誤差修正法的算法設(shè)計(jì)

2 成果及系統(tǒng)展示

將算法應(yīng)用到全三維多波束系統(tǒng)中，通過聲線追蹤得到的某處海底界面如圖2所示。

3 結(jié)束語

全三維多波束處理系統(tǒng)是在Windows操作系統(tǒng)下運(yùn)行的應(yīng)用軟件，根據(jù)多波束測深特點(diǎn)，運(yùn)用聲線追蹤技術(shù)，通過設(shè)計(jì)三種解決方案的算法結(jié)構(gòu)并在系統(tǒng)中加以實(shí)現(xiàn)，最后結(jié)合其他一些重要技術(shù)共同完成該應(yīng)用軟件系統(tǒng)，在實(shí)際生產(chǎn)中取得了良好的效果。

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