多波束海底覆盖区域计算模型研究

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1、第3O卷第2期海洋测绘Vo1．3O．No．22010年3月HYDROGRAPHICSURVEYINGANDCHARTINGMar．．2010多波束海底覆盖区域计算模型研究邹永刚，翟京生，刘雁春，肖付民，贾俊涛(1．海军大连舰艇学院海测工程系，辽宁大连116018；2．海军海洋测绘研究所，天津300061)摘要：根据多波束探测原理，提出了一种波束脚印为梯形的多波束海底覆盖区域估计模型，讨论了在测船动态状况下测量时的海底覆盖区域变化规律，仿真试验表明该算法能够较好地显示多波束在海底的覆盖区域。关键词：多波束；梯形；海底覆盖区域；动态状况中图

2、分类号：P229。1文献标识码：A文章编号：1671~044(2010)02—0015．04z轴垂直深度基准面，向上为正；)，轴指向测线前进1引言方向，并垂直于轴；轴垂直于轴和y轴，构成右海底覆盖探测是现代海道测量重点关注的一手坐标系。个问题，直接涉及到探测区域的可靠性、安全性和Z完整性。IHO海道测量标准(s44)要求：特等测量，必须获得100％的海底覆盖；一等测量，“对船y只形成存在危险的海底特性及障碍物扫测时，须D在选定地区采用全床扫测”¨J。美国国家海洋和大气局(NOAA)和国家海洋服务局(NOS)明确要求海道测量人员在提交多波

3、束测量资料时必须包括波束海底覆盖图，以作为评估数据精度的参考图1坐标系统不意图依据J。确定多波束海底覆盖区域，可以实现扫2．1理想状态下的覆盖区域模型海测量质量控制的可视化分析，提高可靠性和效根据多波束系统的发射、接收原理，多波束系统率。在测量时实时给出波束海底覆盖区域图，能测量一次可以获得凡个波束角为0xO(0为横向波够减少漏测、补测的发生，提高测量的效率，节约束角，为纵向波束角)的窄波束，波束在海底形成工程费用。现在国外大多数海底覆盖区域图只是个波束覆盖区域。除中央波束外，其他波束均对波束覆盖区域进行粗略估计，一般设定为大小倾斜，由

4、中央到两侧发射角不断增加，波束从换能相同的矩形、圆形或椭圆，较少考虑到波束发射器至海底之间的实际传播距离也不断增加，故波角和测船姿态对覆盖区域所带来的变化和影响。束内边缘部分的斜距小于外边缘部分的斜距，又根据多波束探测原理，本文提出了一种基于波束因波束角是固定的，因此波束的外边缘宽度大于脚印为梯形的多波束海底覆盖区域模型，仿真分内边缘宽度。如图2所示，除中央波束的覆盖区析试验证明了其有效性。域为矩形外，其他波束的外边缘宽度大于内边缘宽度，其形状与梯形十分相似，故可用梯形代替。2多波束系统海底覆盖区域模型随着波束由中间向两侧扩展，波束脚印

5、的面积也为了方便计算，首先讨论所涉及到的坐标系统。越来越大。若认为所有的波束脚印一律都是面积在如图1所示，在P．XYZ为随船坐标系(VFS)，P为相等的矩形或圆形，将人为地放大或缩小其面积，定位时刻的定位中心位置，z轴垂直于甲板，向上就有可能将海底特殊地形的形状扩大或缩小。对为正；Y轴指向船首，轴指向测船右弦，并垂直于y于海底突起或浅点而言，真实反映其形状、大小十轴和z轴，坐标系坐标原点与定位中心原点重合，分重要，尤其是当其位置处于波束边缘时，利用较构成右手坐标系。0一xyz为当地水平坐标系(LLS)，能精确反映真实形状和大小的梯形比面

6、积不变的收稿日期：2009—05—19；修回日期：2010—01—10基金项目：国家自然科学基金项目(40671161)。作者简介：邹永刚(1983一)，男，湖南常德人，博士研究生，主要从事海洋测深数据处理研究。海洋测绘第30卷矩形或圆形能真实的反映海底变化。tan(等)，X(a1)=an(一号)印(等)，X(bDi(ifl-号)(3)同理，可得C，di的坐标为：t(等))=Di(ifl+号)COsI+_I图2多波束系统海底波束脚印JDi=一(等)，X(di)=an(号)(1)测深系统波束数目n为奇数cOSI￡+—。=一I当测深系统波束

7、数目n为奇数时，左右发射的波束数目相等且按中央波束对称。为便于计算，假式中，i=0，I±1l，l±2I，⋯，l±(一1)／2【．波束位于设波束往、返声线重合，且已进行声线弯曲改正。图3中表示其中任意一个波束发射到海底后形成的覆盖区域，令卢为波束间角(≤0)，对于第i个波束，是波束人射角(波束内边缘与换能器垂线的夹角)，D是第i个波束测量得到的水深值，a、b、C、d为第i个波束在海底覆盖区域的4个顶点，要得到波束海底覆盖区域的位置，就要准确确定四个顶点的坐标。圳譬、si。s(詈)cos(if1)(5)『yc。．，：，c。：。一图3单个波束

8、脚印Jyc：一：；，xc：。一卢在测船坐标系中，换能器的坐标为(0，0，0)，内波束边缘aibi与Y轴平行，故它们的X坐标相同，lyc。：，c：。一卢+a、b分别关于X轴对称，它们的y坐标值相反。换能器到波