吳冬強(qiáng), 卜憲海, 許方正, 馮成凱, 陽凡林,2
(1.山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266590;2.自然資源部海島(礁)測(cè)繪技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266590)
多波束測(cè)深技術(shù)是當(dāng)前水下地形地貌探測(cè)的主要手段,能夠?qū)5讓?shí)現(xiàn)條帶式的全覆蓋測(cè)量,具有高精度、高密度和高效率等特點(diǎn)[1-3]。波束歸位即利用多波束采集波束信息與各輔助設(shè)備采集的數(shù)據(jù),通過一定的數(shù)學(xué)模型將波束腳印由換能器坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化到地理坐標(biāo)系和某一深度基準(zhǔn)面下的水深的過程,是多波束數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵問題之一[4],其涉及的參數(shù)包括發(fā)射和接收導(dǎo)向角、發(fā)射時(shí)刻發(fā)射換能器姿態(tài)、接收時(shí)刻接收換能器姿態(tài)、發(fā)射和接收換能器安裝偏差角等共14個(gè)角度。
針對(duì)多波束測(cè)深波束歸位模型問題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究。趙建虎等[5]結(jié)合航向、潮位、聲速、姿態(tài)等數(shù)據(jù)對(duì)波束腳印計(jì)算的影響,建立了一定的假設(shè)條件,并給出了波束歸位的詳細(xì)過程與步驟;黃謨濤等[6]研究了多波束測(cè)深系統(tǒng)與機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)在位置歸算上存在的共性,給出了2者位置歸算模型,推導(dǎo)了相應(yīng)的精度評(píng)定模型;陽凡林[7]、何林幫等[8]考慮到水下聲線彎曲對(duì)波束歸位的影響,指出瞬時(shí)波束向量為安裝偏差和姿態(tài)影響的綜合產(chǎn)物,并據(jù)此推導(dǎo)了顧及安裝偏差角和姿態(tài)角影響的瞬時(shí)波束向量的數(shù)學(xué)計(jì)算模型,提高了多波束測(cè)深點(diǎn)的計(jì)算精度;楊紹海等[9]、朱小辰等[10]推導(dǎo)了波束腳印位置歸算模型,并利用實(shí)測(cè)淺水多波束測(cè)深數(shù)據(jù)對(duì)模型的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。
上述研究成果在波束歸位模型上存在一定的假設(shè)或局限性,即將發(fā)射換能器和接收換能器近似作為一個(gè)整體,忽略了2個(gè)換能器各自靜態(tài)角度偏差和聲波在往返海底與換能器期間發(fā)射換能器與接收換能器存在的姿態(tài)和航向變化。因此,上述模型一般適用于處理淺水型多波束測(cè)深儀獲取的數(shù)據(jù),如R2Sonic2024、SeaBat7125等,該類多波束的收發(fā)換能器體積小,通常集成安裝,可近似作為整體;且由于淺水作業(yè),發(fā)射Ping率較高,波束旅行時(shí)極短,發(fā)射與接收時(shí)刻收發(fā)換能器狀態(tài)變化也可近似忽略。然而,對(duì)于中深水型多波束測(cè)深儀而言,波束旅行時(shí)較長(zhǎng),收發(fā)換能器姿態(tài)變化則難以忽略,采用上述模型必然在計(jì)算過程中引入誤差,尤其為橫搖方向的變化,使得邊緣波束水深誤差易超出1%的測(cè)深精度[11]。為解決該局限性,Beaudion等[12]提出一種虛擬同心陣(virtual concentric array,VCCA)模型,該模型將收發(fā)換能器作為2個(gè)獨(dú)立單元,不僅考慮了收發(fā)換能器靜態(tài)角度偏差,還考慮了波束往返期間換能器的姿態(tài)變化,計(jì)算精度較高,已應(yīng)用于開源多波束數(shù)據(jù)處理軟件MB-system中;Hamilton[13]在VCCA模型的基礎(chǔ)上,考慮了發(fā)射換能器和接收換能器間的位置偏移對(duì)波束腳印的影響,并提出一種通過迭代解算波束腳印的收發(fā)分置模型,更接近發(fā)射與接收波束在海水中的傳播狀態(tài)。盡管2個(gè)模型有較高的計(jì)算精度,但其波束向量推導(dǎo)過程相對(duì)復(fù)雜、不易理解。
為此,本文基于VCCA模型,提出一種基于同心雙曲線相交的波束歸位算法,以虛擬同心陣中心與2個(gè)雙曲線交點(diǎn)的連線方向構(gòu)建波束向量,將VCCA模型中復(fù)雜的波束向量推導(dǎo)過程轉(zhuǎn)化為求解相交雙曲線方程的形式,在確保計(jì)算精度的同時(shí)獲得更為直觀且更接近實(shí)際的波束歸位模型。
為構(gòu)建同心雙曲線相交(co-concentric hyperbolic intersection,CHI)模型,首先需要定義相關(guān)坐標(biāo)系。本文算法坐標(biāo)系定義參照VCCA模型中坐標(biāo)系的定義方式,主要包括虛擬換能器坐標(biāo)系和當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系。其中,虛擬換能器坐標(biāo)系的定義方式如下:1)利用發(fā)射時(shí)刻t1的發(fā)射換能器瞬時(shí)狀態(tài)向量Tx和接收時(shí)刻t2的接收換能器瞬時(shí)狀態(tài)向量Rx對(duì)波束收發(fā)期間換能器狀態(tài)變化進(jìn)行記錄;2)將2個(gè)向量平移到2個(gè)位置的中點(diǎn);3)定義中點(diǎn)位置為坐標(biāo)系原點(diǎn)O,Tx為Xa軸,Za軸正交于包含Tx和Rx的平面,Ya軸正交于Xa軸和Za軸,坐標(biāo)系符合右手法則。
其中,Tx可由發(fā)射時(shí)刻姿態(tài)數(shù)據(jù)與發(fā)射換能器安裝偏差推導(dǎo)得到,Rx可由接收時(shí)刻姿態(tài)數(shù)據(jù)與接收換能器安裝偏差推導(dǎo)得到[12]。為將在虛擬換能器坐標(biāo)系下計(jì)算得到的波束腳印坐標(biāo)歸算至當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系下,需建立2個(gè)坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣RGeo[13]。
當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系的定義與三軸指向的選擇順序有關(guān),主要有東北天(ENU)和北東地(NED)2種形式,本文算法采用北東地形式,其定義過程可參見文獻(xiàn)[4]。
波束腳印為發(fā)射波束與接收波束聲學(xué)能量在海底投影的交叉區(qū)域,若無波束導(dǎo)向時(shí),發(fā)射與接收波束聲學(xué)能量可抽象為扇形平面;若存在波束導(dǎo)向時(shí),發(fā)射和接收聲學(xué)能量則可抽象為圓錐面[14]。因此,波束腳印可抽象為發(fā)射圓錐面與接收?qǐng)A錐面在海底投影形成的2個(gè)曲線的交點(diǎn)。由于發(fā)射圓錐面與接收?qǐng)A錐面頂點(diǎn)重合,即為虛擬換能器坐標(biāo)系原點(diǎn)[12-13],故圓錐面頂點(diǎn)至波束腳印之間的連線即為待求波束向量。
根據(jù)平面與圓錐面截線定理[15]可得,平面與圓錐面相交可形成雙曲線、拋物線和橢圓,如圖1。由于虛擬換能器坐標(biāo)系是由發(fā)射時(shí)刻發(fā)射換能器狀態(tài)和接收時(shí)刻接收換能器狀態(tài)構(gòu)建得到,發(fā)射圓錐面中軸線與接收?qǐng)A錐面中軸線均位于虛擬換能器坐標(biāo)系XaOYa面內(nèi)。因此,在虛擬換能器坐標(biāo)系下,波束腳印所在交點(diǎn)平面始終平行于XaOYa平面,即交點(diǎn)平面與兩圓錐面中軸線夾角β始終為0°。因此,發(fā)射和接收?qǐng)A錐面在該平面上的投影曲線始終為雙曲線[15],波束腳印即為2個(gè)雙曲線的交點(diǎn),從而避免了其他圓曲線同時(shí)出現(xiàn)而給解算過程帶來的困難。
圖1 平面與圓錐面相交得到不同的圓曲線Fig.1 Different curves formed with different planes intersecting the cone
由1.2節(jié)可知,在虛擬換能器坐標(biāo)系下,波束腳印為發(fā)射和接收?qǐng)A錐面在海底投影形成的2個(gè)雙曲線的交點(diǎn)。因此,發(fā)射圓錐面與接收?qǐng)A錐面在交點(diǎn)平面中所形成的兩雙曲線之間的幾何關(guān)系可如圖2所示。
圖2 本文算法中波束腳印表示方式Fig.2 Description of footprints formed by the intersection of two hyperbolas in this paper
計(jì)算波束向量需要解算雙曲線方程,為便于求解,以雙曲線參數(shù)方程形式分別對(duì)發(fā)射和接收雙曲線進(jìn)行定義:
(1)
(2)
式中:at和bt為發(fā)射雙曲線參數(shù);ar和br是接收雙曲線參數(shù);t1和t2為未知量,其物理意義為用于描述發(fā)射向量和接收向量在各自圓錐面上的方位。參數(shù)a本質(zhì)為雙曲線頂點(diǎn),其具體數(shù)值與波束導(dǎo)向角和交點(diǎn)平面所在深度有關(guān),如圖3所示。
圖3 雙曲線參數(shù)定義Fig.3 Parameter definition of the hyperbola
由于2個(gè)圓錐面頂點(diǎn)相同,因此發(fā)射向量與接收向量重合,且不隨水深變化,如圖3所示,當(dāng)水深增加后,虛擬換能器中心(圓錐面頂點(diǎn))至波束腳印之間構(gòu)成的波束向量方向不變,故可將2個(gè)圓錐面在單位水深下的交點(diǎn)平面上的投影所形成的2個(gè)雙曲線交點(diǎn)與圓錐面頂點(diǎn)之間的連線作為波束向量。因此令R=1,根據(jù)文獻(xiàn)[15-16]可得,發(fā)射和接收雙曲線參數(shù)為:
(3)
式中:Tsteer和Rsteer分別為發(fā)射導(dǎo)向角和接收導(dǎo)向角,2角度分別與發(fā)射圓錐面與接收?qǐng)A錐面的圓錐半角互余。
受發(fā)射和接收2個(gè)時(shí)刻換能器姿態(tài)變化的影響,接收雙曲線軸線與發(fā)射雙曲線軸線存在一定的角度偏差,大小為δ,如圖2所示。由于本文算法采用VCCA算法中虛擬換能器坐標(biāo)系的定義方式,故δ具體數(shù)值可得到:
(4)
對(duì)接收雙曲線進(jìn)行角度為δ的二維旋轉(zhuǎn),并聯(lián)立發(fā)射雙曲線參數(shù)方程,得到具體方程組為:
(5)
然后將式(3)、(4)中定義的參數(shù)代入式(5),利用牛頓迭代法進(jìn)行求解得到在虛擬換能器坐標(biāo)系下波束點(diǎn)坐標(biāo)Va(xa,ya,1);進(jìn)而根據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣RGeo將其歸算到當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系下,即VL=RGeo·Va。VL(xL,yL,zL)則為所求波束向量,其用于聲線跟蹤的波束入射角θ1和計(jì)算側(cè)向距、航向距的方位角θ2可進(jìn)一步表示為[17-18]:
(6)
最后,利用上述波束向量進(jìn)行聲線跟蹤,并將跟蹤結(jié)果進(jìn)行吃水改正、GNSS偏心改正等步驟,歸算至地理坐標(biāo)即完成波束歸位過程。
為驗(yàn)證本文算法的有效性,實(shí)驗(yàn)分析分別選取某海區(qū)多波束測(cè)量獲取的淺水(小于500 m)數(shù)據(jù)和中深水(大于500 m)數(shù)據(jù),利用本文算法、常規(guī)波束歸位算法[19]和VCCA算法對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并對(duì)數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行比對(duì),同時(shí)利用條帶重疊區(qū)進(jìn)行深度不符值的計(jì)算。由于VCCA算法已被開源多波束數(shù)據(jù)處理軟件MB-system采用,故以該算法數(shù)據(jù)處理結(jié)果作為基準(zhǔn)對(duì)本文算法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。
淺水實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)測(cè)量采用的多波束測(cè)深儀為Kongsberg EM2040,該多波束測(cè)深儀為淺水型測(cè)深儀,其可探測(cè)水深最大范圍為635 m,每Ping波束數(shù)為400,波束開角為80°。
深水實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)測(cè)量采用的多波束測(cè)深儀為Kongsberg EM302,該多波束測(cè)深儀為全水深型測(cè)深儀,其可探測(cè)水深范圍為10~7 000 m,采用4個(gè)扇區(qū),每Ping波束數(shù)為432,波束開角為125°。
選取淺水區(qū)某2條重疊測(cè)線數(shù)據(jù),使用開源多波束數(shù)據(jù)處理軟件MB-system(即VCCA算法)對(duì)測(cè)線數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到的光照地形圖如圖4所示,選擇其中一條測(cè)線數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,該測(cè)線水深在18~28 m范圍,測(cè)深點(diǎn)總數(shù)為369 200個(gè),共923 Ping。
圖4 MB-system處理后得到的淺水區(qū)光照地形圖Fig.4 Sun illuminate, depth colored grid of the shallow water data processed by MB-system
分別使用本文算法和常規(guī)波束歸位算法對(duì)該測(cè)線數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并計(jì)算本文算法與VCCA算法數(shù)據(jù)處理結(jié)果以及常規(guī)算法與VCCA算法數(shù)據(jù)處理結(jié)果之間的差值,其中,水深偏差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。
圖5 淺水?dāng)?shù)據(jù)水深偏差統(tǒng)計(jì)Fig.5 Statistics of the depth deviations with shallow water data
從圖5(a)可見,本文算法與VCCA算法水深偏差值可近似為0,即本文算法與VCCA算法計(jì)算結(jié)果基本一致,因此體現(xiàn)了本文算法的有效性;從圖5(b)可見,常規(guī)波束歸位算法與VCCA算法數(shù)據(jù)處理結(jié)果存在一定的差異,即忽略發(fā)射時(shí)刻換能器的姿態(tài)變化給計(jì)算結(jié)果帶來了誤差。
對(duì)2種算法與VCCA算法之間的數(shù)據(jù)處理比對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析,并按水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范[20]中水深測(cè)量精度要求(1%水深)對(duì)水深差值中超限測(cè)深點(diǎn)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。
由表1可以看出,本文算法與VCCA算法平面位置偏差與水深偏差最大值均為0.2 cm,最小值均為0,平均相對(duì)誤差可近似為0,且不存在超出1%測(cè)深精度要求的測(cè)深點(diǎn);常規(guī)算法與VCCA算法平面位置偏差最大值和最小值分別為0.2 m和0,水深差值最大值為0.341 m,最小值為0,平均相對(duì)誤差為0.22%,其中約有805個(gè)超限點(diǎn),占總測(cè)深點(diǎn)數(shù)的0.21%。
表1 淺水?dāng)?shù)據(jù)測(cè)深點(diǎn)誤差統(tǒng)計(jì)Table 1 Error statistics of the soundings form the shallow water data
為進(jìn)一步驗(yàn)證算法有效性,使用面面疊置法計(jì)算部分測(cè)線重疊區(qū)域數(shù)據(jù)處理結(jié)果的深度不符值,并統(tǒng)計(jì)出深度不符值的總數(shù)、均值、中誤差及分布情況,并參照水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范[20]對(duì)主檢比對(duì)互差的相關(guān)要求(大于2%水深)統(tǒng)計(jì)超限點(diǎn)比例,結(jié)果如表2所示。
表2 深度不符值統(tǒng)計(jì)分析Table 2 Statistical analysis of depth discrepancy
由表2可知,常規(guī)波束歸位算法深度不符值中誤差以及均值較VCCA算法大,而本文算法與VCCA算法不符值統(tǒng)計(jì)結(jié)果近似一致,表明本文算法計(jì)算結(jié)果較常規(guī)算法精度更高。
綜合圖5和表1、2可見,本文算法計(jì)算結(jié)果與VCCA算法計(jì)算結(jié)果差值較小,可近似為0,證明了本文算法具有有效性;常規(guī)算法與VCCA算法數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果之間存在偏差,且存在不滿足1%測(cè)深精度的超限點(diǎn),但超限點(diǎn)數(shù)相對(duì)較少僅占總數(shù)的0.38%,且參照規(guī)范要求可知,3種算法處理的淺水區(qū)數(shù)據(jù)未存在超出2%水深的測(cè)深點(diǎn),表明數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。因此,對(duì)于淺水?dāng)?shù)據(jù),可認(rèn)為波束往返期間換能器的姿態(tài)變化所帶來的影響并不明顯。
選取深水區(qū)某2條相鄰測(cè)線數(shù)據(jù),使用開源多波束數(shù)據(jù)處理軟件MB-system對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到的光照地形圖如圖6所示。選擇其中一條測(cè)線數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,該測(cè)線水深在795~1 060 m范圍,測(cè)深點(diǎn)總數(shù)為704 160個(gè),共1 630 Ping。
圖6 MB-system處理后得到的深水區(qū)光照地形圖Fig.6 Sun illuminate, depth colored grid of the deep water data processed by MB-system
同樣使用本文算法和常規(guī)波束歸位算法對(duì)該測(cè)線數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并計(jì)算本文算法與VCCA算法數(shù)據(jù)處理結(jié)果以及常規(guī)算法與VCCA算法數(shù)據(jù)處理結(jié)果之間的差值,其中,水深偏差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7所示。
圖7 深水?dāng)?shù)據(jù)水深偏差統(tǒng)計(jì)Fig.7 Statistics of the depth deviations with deep water data
對(duì)2種算法與VCCA算法之間的數(shù)據(jù)處理比對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并按1%的測(cè)深精度對(duì)水深差值中超限測(cè)深點(diǎn)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。
由表3可以看出,本文算法與VCCA算法平面位置偏差與水深偏差最大值均為0.3 cm,最小值均為0,誤差平均值可近似為0,且不存在超限點(diǎn);常規(guī)算法與VCCA算法平面位置偏差最大值為44.44 m,最小值為1.1 cm,水深差值最大值為51.0 m,最小值為0,平均相對(duì)誤差為0.95%,其中超限點(diǎn)數(shù)為263 427個(gè),約占測(cè)深點(diǎn)總數(shù)的37.4%。
表3 深水?dāng)?shù)據(jù)測(cè)深點(diǎn)誤差統(tǒng)計(jì)Table 3 Error statistics of the soundings form the deep water data
同樣計(jì)算2個(gè)測(cè)線部分重疊區(qū)域的深度不符值,并統(tǒng)計(jì)出深度不符值的總數(shù)、均值、中誤差、分布情況及超限點(diǎn)占比,如表4所示。
表4 深度不符值統(tǒng)計(jì)分析Table 4 Statistical analysis of depth discrepancy
由表4可知,本文算法結(jié)果與VCCA算法深度不符值結(jié)果仍可近似一致,而常規(guī)算法深度不符值結(jié)果較淺水?dāng)?shù)據(jù)明顯增大,且存在超出2%水深精度要求的測(cè)深點(diǎn)。
結(jié)合圖7和表3、4可知,本文算法計(jì)算結(jié)果與VCCA算法計(jì)算結(jié)果差值仍可近似為0,再次證明了本文算法的有效性;同時(shí),隨著水深的增加,常規(guī)算法與VCCA算法間的偏差值逐漸增大,波束腳印坐標(biāo)整體發(fā)生偏移且水深結(jié)果也超出1%的測(cè)深精度要求,同時(shí)數(shù)據(jù)質(zhì)量也不再滿足規(guī)范要求。因此,對(duì)于深水?dāng)?shù)據(jù),由波束往返期間換能器的姿態(tài)變化對(duì)測(cè)深結(jié)果帶來的影響則較為明顯。
綜合淺水與深水?dāng)?shù)據(jù)處理結(jié)果可以看出:常規(guī)波束歸位算法在數(shù)據(jù)處理過程中忽略了波束往返期間換能器的姿態(tài)變化,給數(shù)據(jù)處理結(jié)果帶來了誤差,在淺水區(qū)域,該誤差較小,但隨著水深增加,誤差也逐漸增大,并超出1%的測(cè)深精度,因此,常規(guī)波束歸位算法僅僅適用于處理淺水多波束測(cè)量數(shù)據(jù);本文算法數(shù)據(jù)處理結(jié)果與VCCA算法數(shù)據(jù)處理結(jié)果基本一致,且在淺水和深水區(qū)域存在的水深偏差均滿足1%的水深測(cè)量精度要求,同時(shí),通過計(jì)算條帶重疊區(qū)的深度不符值,表明本文算法與VCCA算法在同一精度水平,因此本文算法對(duì)于處理淺水和深水多波束測(cè)量數(shù)據(jù)較常規(guī)算法均有較高的精度,從而更具有普適性。
1)多波束測(cè)深波束往返期間發(fā)射換能器的姿態(tài)變化產(chǎn)生的影響在淺水區(qū)相對(duì)較小,因此,常規(guī)模型只適用于淺水區(qū);當(dāng)測(cè)區(qū)水深增加時(shí),該影響產(chǎn)生的誤差逐漸增大,使用常規(guī)模型易導(dǎo)致測(cè)深點(diǎn)位置整體出現(xiàn)偏差且水深誤差易超出1%的測(cè)深精度要求。
2)本文基于VCCA算法,提出一種同心雙曲線相交的波束歸位算法,將波束腳印作為發(fā)射圓錐面和接收?qǐng)A錐面與交點(diǎn)平面投影形成的兩雙曲線交點(diǎn),并推導(dǎo)了雙曲線參數(shù)定義與解算方法,從而將VCCA算法中復(fù)雜的波束向量推導(dǎo)過程轉(zhuǎn)化為求解相交雙曲線方程的形式,模型更加直觀且易于理解。
3)使用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)本文算法進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明,常規(guī)波束歸位算法由于忽略波束往返期間換能器的姿態(tài)變化,使得數(shù)據(jù)處理結(jié)果存在誤差,且隨著水深的逐漸增加誤差也逐漸增大,因此常規(guī)算法僅適用于處理淺水多波束測(cè)量數(shù)據(jù);本文算法對(duì)淺水與深水多波束數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果與VCCA算法數(shù)據(jù)處理結(jié)果基本一致,計(jì)算結(jié)果滿足1%的水深測(cè)量精度要求,因此本文算法具有有效性,對(duì)后續(xù)多波束數(shù)據(jù)處理研究具有很好的參考性。