高建盡，趙 犇

(1.海軍蚌埠士官學(xué)校，安徽 蚌埠 233012；2.92899部隊(duì)，浙江 寧波 315200)

多波束聲速剖面的動(dòng)態(tài)選取方法

高建盡1，趙 犇2

(1.海軍蚌埠士官學(xué)校，安徽 蚌埠 233012；2.92899部隊(duì)，浙江 寧波 315200)

在顧及水體聲速變化規(guī)律與空間位置及時(shí)間相關(guān)性的前提下，以時(shí)間最近法與距離最近法為基礎(chǔ)，利用平均聲速模型獲得深度誤差比，再利用深度誤差比分析時(shí)間最近法與距離最近法的優(yōu)劣，從而動(dòng)態(tài)選取聲速剖面，同時(shí)針對(duì)動(dòng)態(tài)選取方法的不足進(jìn)行擴(kuò)展。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在削弱聲速誤差影響方面，當(dāng)參照的水體聲速變化規(guī)律與實(shí)際情況相符時(shí)，擴(kuò)展后的動(dòng)態(tài)選取方法要優(yōu)于常用方法。

多波束測(cè)深；聲速剖面；動(dòng)態(tài)選取法

多波束系統(tǒng)聲速誤差影響對(duì)后續(xù)數(shù)據(jù)處理非常重要，尤其是對(duì)顧及海底地形測(cè)深模式的系統(tǒng)誤差處理研究具有實(shí)際意義。聲速剖面儀的測(cè)量精度及多波束選取聲速剖面的方式是聲速誤差的主要來源[1-3]，鑒于目前常采用的以有限數(shù)量采樣點(diǎn)來控制整個(gè)測(cè)區(qū)的聲速獲取方式，聲速誤差普遍存在。

本文在分析聲速剖面常用選取方法的基礎(chǔ)上提出聲速剖面的動(dòng)態(tài)選取方法，即針對(duì)某一測(cè)點(diǎn)，分析目前常用的幾種聲速剖面選取方法的優(yōu)劣，動(dòng)態(tài)選取較優(yōu)的方法。

1 常用聲速剖面選取方法

在多波束數(shù)據(jù)后處理中，常用的聲速剖面選取方法有如下4種[4]：時(shí)間最近法、時(shí)間靠前法、距離最近法、一定時(shí)間內(nèi)距離最近法。

事實(shí)上，如何選取聲速剖面應(yīng)以測(cè)區(qū)聲速隨時(shí)間和空間的變化特性為依據(jù)，前述4種方法也顧及到這點(diǎn)，但較為粗略，為具體選取聲速剖面帶來不確定性。為此，有必要進(jìn)一步研究測(cè)區(qū)聲速變化特點(diǎn)，根據(jù)聲速剖面對(duì)測(cè)深值的影響，動(dòng)態(tài)選取最優(yōu)方法。

2 聲速剖面的動(dòng)態(tài)選取方法

時(shí)間最近法與距離最近法的理論依據(jù)是測(cè)區(qū)聲速特性與時(shí)間和空間位置存在一定的相關(guān)性，所以在探討動(dòng)態(tài)選取法時(shí)，以時(shí)間最近法與距離最近法為基礎(chǔ)。動(dòng)態(tài)選取法的基本原理是針對(duì)某一測(cè)區(qū)，分析4種常用方法的優(yōu)劣，動(dòng)態(tài)選取較優(yōu)的方法。為了方便敘述，首先給出深度誤差比和測(cè)點(diǎn)平均聲速的定義。

2.1 深度誤差比

根據(jù)William Capell的理論[5]，當(dāng)表層聲速已知時(shí)[6-7]，對(duì)某測(cè)點(diǎn)R，有

(1)

(2)

(3)

式中：Δht反映的是僅顧及聲速隨時(shí)間變化而導(dǎo)致的深度差；Δhs反映的是僅顧及聲速隨空間的變化而導(dǎo)致的深度差。結(jié)合式(2)、式(3)，定義深度誤差比為

(4)

2.2 測(cè)點(diǎn)平均聲速

僅顧及聲速隨時(shí)間變化時(shí)，令測(cè)點(diǎn)R的平均聲速為

(5)

僅顧及聲速隨空間變化時(shí)，可采用整個(gè)測(cè)區(qū)聲速剖面插值獲取基于空間位置的平均聲速

(6)

事實(shí)上，測(cè)區(qū)聲速的變化是隨時(shí)間和空間變化的綜合影響結(jié)果，為此，本文定義

(7)

由于測(cè)點(diǎn)R的任意性，所以式(7)構(gòu)建整個(gè)測(cè)區(qū)基于時(shí)間和空間的平均聲速模型。

2.3 動(dòng)態(tài)選取法

當(dāng)ρ>1時(shí)，即采用時(shí)間最近法獲得的深度誤差大于距離最近法，此時(shí)應(yīng)選取距離最近法所選的聲速剖面；當(dāng)ρ<1時(shí)，即采用時(shí)間最近法獲得的深度誤差小于距離最近法，此時(shí)應(yīng)選取時(shí)間最近法所選的聲速剖面；當(dāng)ρ=1時(shí)，即采用兩種方法獲得的深度誤差相等，此時(shí)選擇兩種方法的聲速剖面均可行，根據(jù)國(guó)內(nèi)的測(cè)量實(shí)際選取時(shí)間最近法[8]。

2.4 實(shí)例分析

為了驗(yàn)證動(dòng)態(tài)選取方法的有效性，選取東海某區(qū)域連續(xù)8 d實(shí)測(cè)的16個(gè)聲速剖面進(jìn)行分析，并按時(shí)間先后順序進(jìn)行編號(hào)。

各聲速剖面中，3、5號(hào)聲速剖面位置重合，1、11、15、16號(hào)聲速剖面位于邊界上，不符合實(shí)驗(yàn)要求，具體空間分布見圖1。

圖1 聲速剖面空間分布示意圖

分別選取部分聲速剖面點(diǎn)作為檢驗(yàn)點(diǎn)，其他點(diǎn)用于構(gòu)建平均聲速模型，得到測(cè)區(qū)基于時(shí)間和空間的平均聲速模型各12個(gè)。以位于測(cè)區(qū)中央的8號(hào)聲速剖面為檢驗(yàn)點(diǎn)時(shí)，構(gòu)建測(cè)區(qū)基于時(shí)間的平均聲速模型見圖2，構(gòu)建基于空間的平均聲速模型見圖3。

圖2 平均聲速隨時(shí)間的變化

圖3 平均聲速隨空間位置的變化圖(m/s)

圖2反映了測(cè)區(qū)平均聲速隨時(shí)間的變化。根據(jù)8號(hào)聲速剖面(星形標(biāo)記處)的時(shí)間參數(shù)，可得到該點(diǎn)的平均聲速為1 536.70 m/s。圖3反映了不同位置平均聲速的變化，星形標(biāo)記處的平均聲速為1 536.72 m/s。

對(duì)于8號(hào)聲速剖面，采用時(shí)間最近法得到的平均聲速為1 537.63 m/s；采用距離最近法得到的平均聲速為1 535.42 m/s。結(jié)合從平均聲速模型獲取的聲速數(shù)據(jù)，可計(jì)算出該位置的深度誤差比ρ8=0.71。比值小于1，可知在8號(hào)點(diǎn)應(yīng)采用時(shí)間最近法。同理，通過對(duì)選定實(shí)測(cè)的12個(gè)有效聲速剖面進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 聲速剖面動(dòng)態(tài)選取方法的結(jié)果

由于海水聲速變化十分復(fù)雜，通常情況下構(gòu)建的平均聲速模型與實(shí)際聲速特性之間存在一定差異，使得ρ值與采用最近法獲取的深度差的比值并不相等。在少數(shù)檢驗(yàn)點(diǎn)(如7、9和12號(hào)點(diǎn))上，這種差異還會(huì)造成動(dòng)態(tài)選取法選取結(jié)果的偏差。但從總體上看，平均聲速模型能在一定程度上反映測(cè)區(qū)聲速特性的變化規(guī)律，動(dòng)態(tài)選取法在大多數(shù)檢驗(yàn)點(diǎn)上選取得到較小深度不符值的聲速剖面。

動(dòng)態(tài)選取方法實(shí)現(xiàn)了在時(shí)間最近法與距離最近法之間的動(dòng)態(tài)選取，按照各項(xiàng)指標(biāo)的比較標(biāo)準(zhǔn)，動(dòng)態(tài)選取方法要明顯好于兩種直接選取方法。但是，動(dòng)態(tài)選取法未顧及時(shí)間靠前法和一定時(shí)間內(nèi)距離最近法的選取依據(jù)，在減小聲速誤差方面存在局限性。因此，在具體分析4種常用方法的選取質(zhì)量后，應(yīng)在其質(zhì)量最好的兩種方法中動(dòng)態(tài)選取最優(yōu)方法。

使用常梯度聲線跟蹤方法計(jì)算各檢驗(yàn)位置分別采用參考聲速剖面和實(shí)際聲速剖面時(shí)的深度不符值，并利用深度差值的均方根(RMS)等指標(biāo)來衡量選取方法的質(zhì)量，對(duì)選取方法的質(zhì)量評(píng)定見表2。

招聘辦公室設(shè)在二樓，主考官把應(yīng)試者集中在一間會(huì)議室里，告訴大家，應(yīng)聘裝修工的等下去做現(xiàn)場(chǎng)考試，應(yīng)聘管理人員的到經(jīng)理辦公室分別面試。應(yīng)聘裝修工的被帶走了，就剩下三名管理人員應(yīng)試者坐在那，一個(gè)一個(gè)被叫到經(jīng)理室面試，竹韻是最后一個(gè)被叫進(jìn)去的。

本文認(rèn)為質(zhì)量評(píng)定方法應(yīng)當(dāng)首先比較RMS值，然后再比較超限點(diǎn)數(shù)。這是因?yàn)镽MS值衡量的是深度誤差的平均水平，一般情況下RMS值越大，超限點(diǎn)數(shù)越多，若出現(xiàn)RMS較大但超限點(diǎn)很少的特殊情況，說明RMS的增大是由于少數(shù)測(cè)點(diǎn)深度異常引起的，此時(shí)選取方法較同等RMS條件下超限點(diǎn)較多的選取方法具有優(yōu)勢(shì)；若超限點(diǎn)數(shù)和RMS值均相等，則需要再比較最大誤差和次大誤差的量級(jí)[9]。基于這一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，4種常用方法的優(yōu)劣順序?yàn)椋阂欢〞r(shí)間內(nèi)距離最近法、時(shí)間靠前法、時(shí)間最近法、距離最近法。

表2 聲速剖面選取方法的質(zhì)量評(píng)定

3 動(dòng)態(tài)選取法的擴(kuò)展

通過實(shí)例的分析可知，基于時(shí)間與距離最近法的動(dòng)態(tài)選取多項(xiàng)指標(biāo)劣于一定時(shí)間內(nèi)距離最近法，并非最優(yōu)選取。為解決這一問題，通過對(duì)選定實(shí)測(cè)的12個(gè)聲速剖面進(jìn)行分析，對(duì)動(dòng)態(tài)選取方法進(jìn)行擴(kuò)展。

在距離最近法與時(shí)間最近法之間的動(dòng)態(tài)選取，稱為動(dòng)態(tài)選取法Ⅰ；在時(shí)間靠前法與一定時(shí)間內(nèi)距離最近法之間，稱為動(dòng)態(tài)選取法Ⅱ；在距離最近法與時(shí)間靠前法之間，稱為動(dòng)態(tài)選取法Ⅲ；在距離最近法與一定時(shí)間內(nèi)距離最近法之間，稱為動(dòng)態(tài)選取法Ⅳ；在時(shí)間最近法與時(shí)間靠前法之間，稱為動(dòng)態(tài)選取法Ⅴ；在時(shí)間最近法與一定時(shí)間內(nèi)距離最近法之間，稱為動(dòng)態(tài)選取法Ⅵ。

經(jīng)擴(kuò)展后的動(dòng)態(tài)選取方法評(píng)定如表3所示。對(duì)表3的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得如下結(jié)論：

1)方法Ⅰ、方法Ⅲ和方法Ⅳ的質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)十分接近，較其他動(dòng)態(tài)選取方法的質(zhì)量偏低，這是因?yàn)閮煞椒ㄔ?、5號(hào)檢驗(yàn)點(diǎn)處選取失誤造成。3、5號(hào)檢驗(yàn)點(diǎn)采用距離最近法造成的深度誤差較大，一旦選取失誤，將對(duì)選取方法的評(píng)定結(jié)果產(chǎn)生重大影響。造成選取失誤的原因在于本例中1～5號(hào)點(diǎn)處測(cè)區(qū)的平均聲速變化十分劇烈。

2)方法Ⅴ和Ⅵ的質(zhì)量接近，因?yàn)榉椒á龅暮蜻x方法包括最優(yōu)常用選取方法，但選取失誤差數(shù)較多；而方法Ⅴ的候選方法雖包括超限點(diǎn)較多的時(shí)間最近法，但選取的失誤差數(shù)較少，兩方法的質(zhì)量很大程度由時(shí)間靠前法決定。從評(píng)價(jià)指標(biāo)上看，兩方法較方法Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ有一定的提高，這主要是因?yàn)閮煞椒ǖ暮蜻x方法均不包括可能大幅增加RMS值的距離最近法。

3)由于方法Ⅱ的候選方法為時(shí)間靠前法和一定時(shí)間內(nèi)距離最近法，兩方法在常用選取方法中質(zhì)量靠前，因而相對(duì)其他5種動(dòng)態(tài)選取方法，方法Ⅱ的RMS值和超限點(diǎn)數(shù)均為所有方法中最小值，是較為理想的動(dòng)態(tài)選取方法。

表3 動(dòng)態(tài)選取方法的質(zhì)量評(píng)定

4 結(jié)束語

常用選取方法在整個(gè)測(cè)區(qū)均使用同一原則選取，當(dāng)依據(jù)的聲速特性與實(shí)際不符時(shí)，會(huì)帶入較大的聲速誤差，降低測(cè)深成果質(zhì)量。目前，海測(cè)部隊(duì)在多波束測(cè)量時(shí)常用一定時(shí)間內(nèi)距離最近法，本文提出的擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)選取方法Ⅱ顧及了測(cè)區(qū)的聲學(xué)特性，使用深度誤差比作為選取依據(jù)，較常用方法顯得更為合理，同時(shí)是包括4種常用方法和6種動(dòng)態(tài)方法在內(nèi)的最優(yōu)方法，對(duì)于提高測(cè)深成果質(zhì)量十分有益。

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[責(zé)任編輯：張德福]

Dynamic selection method about sound speed profile based onmulti-beam sounding

GAO Jian-jin1,ZHAO Ben2

(1.Bengbu Naval Petty Officer Academ,Bengbu 233012,China; 2.Troops 92899,Ningbo 315200,China)

For the relativity between the sound speed characteristic of water and sounding time or spatial position, it acquires the depth error ratio by mean sound speed model based on the nearest neighbor classification method and the most approaching time method. Then, sound speed profile is chosen dynamically by comparing with them. At the same time, the dynamic selection method is developed. The experiment results indicate: if refered sound speed characteristic accords with real situation, developed dynamic selection method is better than the current method.

multi-beam sounding; sound velocity profile; dynamic selection method

2014-02-20

高建盡(1979-),男，講師.

P733.2

：A

：1006-7949(2014)11-0034-04