基于Caris Hips的ResonPDS格式数据声速剖面改正方法

来源:用户上传      作者:孙征安　田家俊

　　摘要：声波在水体中的传播速度受温度、盐度、压力等因素影响，声速剖面改正是获取高精度测深数据的重要步骤。受ResonPDS数据特殊格式限制，主流的多波束数据处理软件Caris Hips无法采用传统的方法进行处理，解析测线的相邻重叠部位会出现明显的错位现象。为解决Caris Hips软件与ResonPDS格式数据不兼容问题，提出了一种基于Caris Hips软件对ResonPDS格式数据声速剖面改正方法。试验结果表明：该方法的解析数据具有更好的一致性，质量优于传统方法。
　　关键词：多波束测深; Caris Hips软件; ResonPDS格式; 声速校正; 水下地形
　　中图法分类号：P229.1 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.S1.019
　　文章编号：1006 - 0081（2022）S1 - 0062 - 04
　　0 引 言
　　测深数据是绘制水下地形图的基础数据。随着社会经济的发展，对于水底地形的测量精度要求也在不断提高，尤其是在航道治理、码头清淤、水下施工等领域。在此背景下，具有高精度、高作业效率的多波束测深技术在世界各国精密海底地形测量中被推广应用。数据成果精度高低主要取决于各项影响精度因素的内业处理改正情况，因此处理方法十分重要。
　　多波束测深系统各项改正中影响精度因素主要涉及潮位（参考基准面）变化、换能器吃水变化和水介质声速变化3个方面。因此多波束测深系统相应的数据改正应包括潮位改正、换能器吃水改正和水介质声速剖面改正3项。其中，潮位和换能器吃水改正一般通过预报或实测数据直接进行深度改正，由于介质声速不仅受水团运动影响而经常发生复杂变化，且不同的声速结构将直接影响波束射线的空间路径，因此声速改正是各项数据改正中最重要、同时也是最难控制的影响因素。海水声速对多波束测深系统的测量数据（尤其是边缘波束的测深数据）影响很大，声速剖面的正确与否，直接关系到测量数据的准确性。为了达到为多波束测深系统提供正确的声速剖面的目的，所采取的方法和手段称为声速校正技术。对于高精度的追求也促使了该领域出现了很多的改正技术，其中多波束声速改正问题一直是研究的重点，各国学者对声速改正问题进行了大量研究，提出多种声速改正方法，如三角法、等声速、等梯度、声线跟踪法等[1-2]。
　　Caris Hips是目前被广泛使用的一款多波束数据后处理软件，虽然能够处理几乎目前所有的多波束数据格式，但是在处理流程上还存在一定差异。尤其是在声速剖面改正上，对于较常用的XTF格式可以按照标准化的流程进行处理，过程较简单。而对于ResonPDS格式数据就无法使用传统方法，这主要是由于ResonPDS数据格式有其自身的特殊性。本文针对ResonPDS格式数据，基于Caris Hips提出一种较好的声速剖面改进改正方法，提高了多波束测量成果精度。
　　1 Caris Hips声速剖面改正模型及方法
　　声波在水体中的传播速度c：
　　由于声速随着深度的增加逐层发生变化，大开角的多波束要想获得准确的声速传播路径必须进行逐层追踪归算。因此在多波束数据后处理中正确地进行声速剖面改正是获取高精度数据至关重要的一步，尤其是在大水深区域，必须进行声速剖面改正[4]。
　　在Caris Hips 9.0版本之前，Caris所采用的声速剖面改正模型是基于常梯度声线跟踪法的原理进行的，并且对于声线姿态的改正是根据实际的姿态角度来直接计算声线的实际入射角和水平角，然后通过声线位置计算，直接计算声线位置[5]。2015年，Caris发布了用于声速剖面改正的最新算法，该算法是基于加拿大纽布伦斯威克大学海洋测量组的研究成果所提出。该算法不再将多波束换能器作为一个整体考虑，而是在进行声线追踪时将发射阵列和接收阵列分别考虑（图1）。 并且，针对独立阵列可以计算每个波束到海底和返回的路径，利用这种算法改正过的数据更加准确[6]。
　　对于测区面积或时间跨度较大的工程项目，通常会存在多条声速剖面，为了避免分别对各组数据应用不同的声速剖面文件所造成的重复操作，Caris Hips软件采用的方式是建立一个声速剖面文件（内含多条带有位置和时间的声速剖面），然后基于时间和距离（Previousin Time， Nearest in Time， Nearest Distance Within Time， Nearest in Distance）硌≡窈鲜实纳速剖面用于对应的测线文件加以改正。
　　图2为区域声速改正模型。图2中P1，P2，P3，P4分别对应4条不同位置和时间采集的声速剖面，其采集时间先后顺序为P1→P2→P3→P4，竖向虚线位置为需要进行声速剖面改正的多波束条带数据。P1表示所应用的声速剖面为时间戳在条带时间之前且最接近条带时间的剖面;P2表示所应用的声速剖面为时间戳最接近条带时间的剖面;P3表示所应用的声速剖面为位置最接近且在所设时间窗中最接近条带时间的剖面;P4表示所应用的声速剖面为距离最靠近条带位置的剖面。
　　2 实例验证
　　2.1 船型文件创建
　　根据采集时所添加多波束驱动的不同，Reson PDS会形成两套不同的数据内容，从而导致Caris Hips在对Reson PDS格式多波束数据进行解析时也会存在两种不同的结果，其中的区别就在于所记录的数据中是否包含了“7027”数据集，“7027”中记录了原始的波束的双程旅行时及波束角度等。通常所采用的ResonPDS数据均是纪录了“7027”的，而对其处理也是最特殊的，下文均以此为基础展开。
　　为了在Caris Hips软件中对ResonPDS格式多波束数据进行声速剖面改正，在创建船型文件时要采用双探头模式船型文件，这是因为针对包含“7027”数据集的Reson PDS数据，Caris会在进行声速剖面改正时将发射换能器与接收换能器阵列作为两个独立单元来考虑，通过声速剖面参数来计算每个波束的传播路径。

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