一种表层声速约束的声速剖面高效时空重构方法及装置

1.本发明属于多波束测深数据误差处理领域，具体涉及一种表层声速约束的声速剖面高效时空插值方法及装置。


背景技术：

2.多波束测深装置已被广泛应用于海底地形测量中，声速误差会给其测深带来装置性影响，并导致海底地形的不准确表达。在多波束的测量过程中，由于现有观测手段难以对整个测区的声速场进行全面、连续的观测，声速剖面站点布设密度不够，某些区域会缺少足够的声速剖面数据，通常根据“时间最近”或“距离最近”原则选择替代的声速剖面。声速剖面只能描述测站附近时空的声速垂直变化，如果超出这一范围，声速剖面将存在代表性误差。声速误差通过声线跟踪进入多波束测深数据，给测深结果带来装置性误差。这类装置性误差通常随着入射角的增加而增加，使得测深数据中存在对称的波束异常，表现为两侧外束点同时向上或向下弯曲。在条带拼接过程中，当测深数据包含这些错误时，表达的水下地形则会发生畸变，地形图出现明显的地形异常。由于声速剖面具有时效性，不可能重新采集声速剖面。因此，需要研究多波束测深数据的后处理方法，以削弱声速误差的影响，获得高精度的水下地形。
3.重构声速剖面法是常见的处理方法，该类方法是对测区已有的声速剖面数据进行经验正交函数(empirical orthogonal function，eof)分析，提出了利用eof及少量参数重构声速剖面的方法。在海洋中，声速剖面具有一定规律，可以用结构化参数模型对其进行简化描述和拓展。结构化参数模型主要分为两类：解析函数模型和eof模型。研究表明，eof是描述声速剖面最有效的基函数。eof分析利用同一测区声速剖面的时空相关性，通过对测区内多个实测声速剖面提取eof特征向量，结合采样数据重构声速剖面。eof分析法重构声速剖面时基于优化算法获得新的声速剖面，水深特征作为优化算法的目标函数。为了扩大该类方法的适用范围，研究人员以相邻测线的重叠区域的一致性为目标函数，利用模拟退火算法优化eof分析的重构系数，重构声速剖面，在不同类型的海底地形中有较好的应用。因为该类方法以水深误差为优化算法的目标函数，以至于在迭代过程中需要对大量的测深数据反复进行声线跟踪，这将花费大量的计算时间，极大地降低了处理效率。


技术实现要素：

4.根据现有技术的不足，本发明的目的是提供一种表层声速约束的声速剖面高效时空重构方法及装置，解决了稀疏实测声速剖面带来的声速代表性差的难题，提高多波束测深成果的精度，只需要开展一次声线跟踪，极大提高了计算效率。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
6.一种表层声速约束的声速剖面高效时空重构方法，包括以下步骤：
7.对实测的声速剖面进行重采样，选择一致的采样深度步长，获取声速剖面等深度处的声速；
8.声速剖面的标准化；
9.以声速为约束，估计拓展法反距离时空插值公式的参数，构建与位置和时间相关的声速剖面内插模型，获取任一声速剖面的声速值。
10.进一步地，声速剖面的标准化的步骤为：
11.根据声速剖面统计特征，选择需要精重采样深度区间；
12.根据获得的精重采样深度区间，细化精重采样的深度步长。
13.进一步地，声速剖面统计特征为同深度声速标准差、声速标准差梯度和平均声速梯度。
14.进一步地，根据标准化后的声速剖面，建立声速矩阵cf；
15.根据拓展法时空反距离加权的插值公式，以声速矩阵cf的第一行数据为插值公式中的已知属性值，以声速的观测值为插值公式中的待插值，构建与位置和时间相关的声速剖面内插模型，估计模型参数；
16.根据模型参数插值公式，获取任一声速剖面的声速值。
17.进一步地，声速矩阵cf为：
[0018][0019]
式中，c(xj,yj,hi,αtj)表示第j个声速剖面的第i层的声速值，α为时空各向异性系数，(xj,yj,hi)表示第j个声速剖面的位置，tj表示第j个声速剖面的时间。
[0020]
进一步地，声速剖面内插模型为非线性回归模型，计算公式为：
[0021][0022]
式中，c
s1
＝c(x
si
,y
si
,h1,αt
si
)(i＝1,2,...,l)为第i个点在位置(x
si
,y
si
,h1)和时间t
si
处的表层声速值，c
1j
(α)＝c(xj,yj,h1,αtj)(j＝1,2,...,m)为第j个声速剖面的第一层的声速值，d
1j
为第i个表层声速点与第j个声速剖面站点在深度h1处的时空欧几里得距离，α为时空各向异性系数，β为距离的幂指数，m为声速剖面的个数，ε为模型残差，α和β均为模型
参数。
[0023]
进一步地，拓展法时空反距离加权的插值声速的计算公式为：
[0024][0025]
式中，为任一声速剖面的声速估值，c
i1
(α)为已知声速剖面数据集中的第1个声速剖面的第i层声速值。
[0026]
一种表层声速约束的声速剖面高效时空重构装置，包括：
[0027]
重采样模块，用于对实测的声速剖面进行重采样，选择一致的采样深度步长，获取声速剖面等深度处的声速；
[0028]
标准化模块，用于声速剖面的标准化；
[0029]
声速值获取模块，用于以声速为约束，估计拓展法反距离时空插值公式的参数，构建与位置和时间相关的声速剖面内插模型，获取任一声速剖面的声速值。
[0030]
一种表层声速约束的声速剖面高效时空重构设备，包括处理器和用于存储能够在处理器上运行计算机程序的存储器，处理器用于运行计算机程序时，执行上述任一项所述的表层声速约束的声速剖面高效时空重构方法的步骤。
[0031]
一种计算机存储介质，存储介质中存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现上述任一项所述的表层声速约束的声速剖面高效时空重构方法的步骤。
[0032]
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
[0033]
本发明提供的一种表层声速约束的声速剖面高效时空重构方法及装置，提出了表层声速约束的声速剖面高效时空插值的方法，以换能器提供的高精度表层声速为约束，估计拓展法反距离时空插值模型的参数，构建了与位置和时间相关的声速剖面内插模型，解决了稀疏实测声速剖面带来的声速代表性差的难题，提高多波束测深成果的精度，且本发明只需要开展一次声线跟踪，极大提高了计算效率。
附图说明
[0034]
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分。本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0035]
图1为本发明提供的一种表层声速约束的声速剖面高效时空重构方法的流程图。
[0036]
图2为本发明提供的一种表层声速约束的声速剖面高效时空重构装置的示意图。
具体实施方式
[0037]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0038]
本发明提供一种表层声速约束的声速剖面高效时空重构方法，包括以下步骤：
[0039]
对实测的声速剖面进行重采样，选择一致的采样深度步长，获取声速剖面等深度处的声速；
[0040]
声速剖面的标准化；
[0041]
以声速为约束，估计拓展法反距离时空插值公式的参数，构建与位置和时间相关的声速剖面内插模型，获取任一声速剖面的声速值。
[0042]
本发明提供的一种表层声速约束的声速剖面高效时空重构方法及装置，提出了表层声速约束的声速剖面高效时空插值的方法，以换能器提供的高精度表层声速为约束，估计拓展法反距离时空插值模型的参数，构建了与位置和时间相关的声速剖面内插模型，解决了稀疏实测声速剖面带来的声速代表性差的难题，提高多波束测深成果的精度，且本发明只需要开展一次声线跟踪，极大提高了计算效率。
[0043]
本发明中，通过换能器获取高精度表层声速。
[0044]
在进行重采样时，具体实施时，可以采用三次样条插值对声速剖面进行重采样。
[0045]
本发明中，声速剖面的标准化的步骤为：
[0046]
根据声速剖面统计特征，选择需要精重采样深度区间；
[0047]
根据获得的精重采样深度区间，细化精重采样的深度步长。
[0048]
本发明中，声速剖面统计特征为同深度声速标准差、声速标准差梯度和平均声速梯度。
[0049]
本发明中，对声速剖面进行时空插值的步骤为：
[0050]
根据标准化后的声速剖面，建立声速矩阵cf，
[0051]
根据拓展法时空反距离加权的插值公式，以矩阵cf的第一行数据为插值公式中的已知属性值，以换能器提供的表层声速的观测值为插值公式中的待插值，构建与位置和时间相关的声速剖面内插模型，估计模型参数。
[0052]
具体地，本发明中，声速矩阵cf为：
[0053][0054]
式中，c(xj,yj,hi,αtj)表示第j个声速剖面的第i层的声速值，α为时空各向异性系数，(xj,yj,hi)表示第j个声速剖面的位置，tj表示第j个声速剖面的时间。
[0055]
本发明中，声速剖面内插模型为非线性回归模型：
[0056][0057]
式中，c
s1
＝c(x
si
,y
si
,h1,αt
si
)(i＝1,2,...,l)为第i个点在位置(x
si
,y
si
,h1)和时间t
si
处的表层声速值，c
1j
(α)＝c(xj,yj,h1,αtj)(j＝1,2,...,m)为第j个声速剖面的第一层的声速值，d
1j
为第i个表层声速点与第j个声速剖面站点在深度h1处的时空欧几里得距离，α为时空各向异性系数，β为距离的幂指数，m为声速剖面的个数，ε为模型残差；
[0058]
估计模型参数α和β。
[0059]
本发明中，拓展法时空反距离加权的插值声速的计算公式为：
[0060][0061]
式中，为任一声速剖面的声速估值，c
i1
(α)为已知声速剖面数据集中的第1个声速剖面的第i层声速值。
[0062]
在本发明的一个具体实施例中，在水深为750m的测区中央和边缘分别对声速剖面进行插值，相较于传统的时间就近原则选取的替代声速剖面，插值声速剖面误差分别为0.712m/s和0.586m/s，优于替代声速剖面误差值的1.253m/s和0.695m/s；在测区的中央和边缘，利用插值声速剖面所得水深的精度分别为0.515m和0.427m，优于替代声速剖面的0.830m和0.647m，验证了本发明提供的方法的有效性。
[0063]
与传统的正交函数分析法构建声速剖面需要进行多次声线跟踪不同，本发明提供的方法只需要开展一次声线跟踪，极大提高了计算效率。
[0064]
对于声速剖面站点布设不够或某站点声速剖面缺失而引起的声速剖面代表性误差，eof分析重构声速剖面是常见的解决方法，但该类方法在重构声速剖面的过程中，不可避免地要进行反复迭代的声线跟踪计算，这大大降低了处理效率。该类方法中，通常以相邻测线的重叠区域的一致性为目标函数，利用模拟退火算法优化eof分析的重构系数，重构声速剖面，在不同类型的海底地形中有较好的应用，且当外循环次数达到38次时，该方法的目标函数基本达到稳定状态，此时的水深误差精度为0.583m，略低于利用本发明提供的方法构建声速剖面得到的水深精度0.515m。其中模拟退火算法的内循环长度(马尔可夫链的长度)为100，基于eof分析重构声速剖面的方法最少需要进行3800次的声线跟踪计算，而本发
明提供的方法所提出的插值算法只需要进行一次声线跟踪计算，明显提高运算效率。
[0065]
本发明提供一种表层声速约束的声速剖面高效时空重构装置，包括：
[0066]
重采样模块，用于对实测的声速剖面进行重采样，选择一致的采样深度步长，获取声速剖面等深度处的声速；
[0067]
标准化模块，用于声速剖面的标准化；
[0068]
声速值获取模块，用于以声速为约束，估计拓展法反距离时空插值公式的参数，构建与位置和时间相关的声速剖面内插模型，获取任一声速剖面的声速值。
[0069]
本发明提供一种表层声速约束的声速剖面高效时空重构设备，包括处理器和用于存储能够在处理器上运行计算机程序的存储器，处理器用于运行计算机程序时，执行上述任一项的表层声速约束的声速剖面高效时空重构方法的步骤。
[0070]
本发明实施例揭示的表层声速约束的声速剖面高效时空重构方法可以应用于处理器中，或者由处理器实现。处理器可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，表层声速约束的声速剖面高效时空重构方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理器(dsp，digital signalprocessor)，或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。处理器可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤，可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于存储介质中，该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成本发明实施例提供的表层声速约束的声速剖面高效时空重构方法的步骤。
[0071]
在示例性实施例中，表层声速约束的声速剖面高效时空重构设备可以被一个或多个应用专用集成电路(asic，application specific integrated circuit)、dsp、可编程逻辑器件(pld，programmable logic device)、复杂可编程逻辑器件(cpld，complex programmable logicdevice)、fpga、通用处理器、控制器、微控制器(mcu，micro controller unit)、微处理器(microprocessor)、或者其他电子元件实现，用于执行前述方法。
[0072]
可以理解，存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，也可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(rom，read only memory)、可编程只读存储器(prom，programmable read-only memory)、可擦除可编程只读存储器(eprom，erasable programmable read-only memory)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom，electrically erasable programmable read-only memory)、磁性随机存取存储器(fram，ferromagnetic random access memory)、快闪存储器(flash memory)、磁表面存储器、光盘、或只读光盘(cd-rom，compact disc read-only memory)；磁表面存储器可以是磁盘存储器或磁带存储器。易失性存储器可以是随机存取存储器(ram，random accessmemory)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的ram可用，例如静态随机存取存储器(sram，static random access memory)、同步静态随机存取存储器(ssram，synchronous static random access memory)、动态随机存取存储器(dram，dynamic random access memory)、同步动态随机存取存储器(sdram，
synchronousdynamic random access memory)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(ddrsdram，double data rate synchronous dynamic random access memory)、增强型同步动态随机存取存储器(esdram，enhanced synchronous dynamic random access memory)、同步连接动态随机存取存储器(sldram，synclink dynamic random access memory)、直接内存总线随机存取存储器(drram，direct rambus random access memory)。本发明实施例描述的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
[0073]
本发明还提供一种计算机存储介质，存储介质中存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现上述任一项所述的表层声速约束的声速剖面高效时空重构方法的步骤。
[0074]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种表层声速约束的声速剖面高效时空重构方法，其特征在于，包括以下步骤：对实测的声速剖面进行重采样，选择一致的采样深度步长，获取声速剖面等深度处的声速；声速剖面的标准化；以声速为约束，估计拓展法反距离时空插值公式的参数，构建与位置和时间相关的声速剖面内插模型，获取任一声速剖面的声速值。2.根据权利要求1所述的表层声速约束的声速剖面高效时空重构方法，其特征在于，声速剖面的标准化的步骤为：根据声速剖面统计特征，选择需要精重采样深度区间；根据获得的精重采样深度区间，细化精重采样的深度步长。3.根据权利要求2所述的表层声速约束的声速剖面高效时空重构方法，其特征在于：声速剖面统计特征为同深度声速标准差、声速标准差梯度和平均声速梯度。4.根据权利要求1所述的表层声速约束的声速剖面高效时空重构方法，其特征在于：根据标准化后的声速剖面，建立声速矩阵c
f
；根据拓展法时空反距离加权的插值公式，以声速矩阵c
f
的第一行数据为插值公式中的已知属性值，以声速的观测值为插值公式中的待插值，构建与位置和时间相关的声速剖面内插模型，估计模型参数；根据模型参数插值公式，获取任一声速剖面的声速值。5.根据权利要求1所述的表层声速约束的声速剖面高效时空重构方法，其特征在于，声速矩阵c
f
为：式中，c(x
j
,y
j
,h
i
,αt
j
)表示第j个声速剖面的第i层的声速值，α为时空各向异性系数，(x
j
,y
j
,h
i
)表示第j个声速剖面的位置，t
j
表示第j个声速剖面的时间。6.根据权利要求4所述的表层声速约束的声速剖面高效时空重构方法，其特征在于，声速剖面内插模型为非线性回归模型，计算公式为：
式中，c
s1
＝c(x
si
,y
si
,h1,αt
si
)(i＝1,2,...,l)为第i个点在位置(x
si
,y
si
,h1)和时间t
si
处的表层声速值，c
1j
(α)＝c(x
j
,y
j
,h1,αt
j
)(j＝1,2,...,m)为第j个声速剖面的第一层的声速值，d
1j
为第i个表层声速点与第j个声速剖面站点在深度h1处的时空欧几里得距离，α为时空各向异性系数，β为距离的幂指数，m为声速剖面的个数，ε为模型残差，α和β均为模型参数。7.根据权利要求4所述的表层声速约束的声速剖面高效时空重构方法，其特征在于，拓展法时空反距离加权的插值声速的计算公式为：式中，为任一声速剖面的声速估值，c
i1
(α)为已知声速剖面数据集中的第1个声速剖面的第i层声速值。8.一种表层声速约束的声速剖面高效时空重构装置，其特征在于，包括：重采样模块，用于对实测的声速剖面进行重采样，选择一致的采样深度步长，获取声速剖面等深度处的声速；标准化模块，用于声速剖面的标准化；声速值获取模块，用于以声速为约束，估计拓展法反距离时空插值公式的参数，构建与位置和时间相关的声速剖面内插模型，获取任一声速剖面的声速值。9.一种表层声速约束的声速剖面高效时空重构设备，其特征在于：包括处理器和用于存储能够在处理器上运行计算机程序的存储器，处理器用于运行计算机程序时，执行上述权利要求1-7任一项所述的表层声速约束的声速剖面高效时空重构方法的步骤。10.一种计算机存储介质，存储介质中存储有计算机程序，其特征在于，计算机程序被处理器执行时，实现上述权利要求1-7任一项所述的表层声速约束的声速剖面高效时空重构方法的步骤。

技术总结
本发明提供一种表层声速约束的声速剖面高效时空重构方法及装置，包括对实测的声速剖面进行重采样，选择一致的采样深度步长，获取声速剖面等深度处的声速，声速剖面的标准化，以声速为约束，估计拓展法反距离时空插值公式的参数，构建与位置和时间相关的声速剖面内插模型，获取任一声速剖面的声速值。本发明提供的一种表层声速约束的声速剖面高效时空重构方法及装置，解决了稀疏实测声速剖面带来的声速代表性差的难题，提高多波束测深成果的精度，只需要开展一次声线跟踪，极大提高了计算效率。效率。效率。


技术研发人员：赵建虎 刘美琴 杨志卫
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/10/15