聲線追蹤技術在全三維多波束處理軟件中的應用

摘 要：全三維多波束數據處理系統可以用來處理多波束數據，根據海洋聲場對多波束測深精度的影響可以有效地建立合適的聲線追蹤算法模型，為實施海上聲速剖面測量提供嚴密性的指導意見。文章根據應用實際，設計了三個切實可行的方案，并應用到全三維多波束數據處理系統中來，取得了較好的效果，為系統的實現提供了技術基礎。

關鍵詞：全三維多波束；海洋聲場；聲線追蹤

1 基本原理

聲線追蹤需從Snell法則開始引入。

Snell法則的表述為

其中？茲i和？茲i+1是聲速為Ci和Ci+1相鄰介質層面處波束的入射角和折射角；p為Snell常數。

海底深度測量的理想化模型中，假定的是水中的聲速是恒定的。由公式可知Ci≡Ci+1，而Snell常數P又為確定的常量，那么便可以知，sin？茲i≡sin？茲i+1，即？茲i≡？茲i+1。說明聲波在海水中是以直線傳播的。那么，要計算海深，則只需要根據聲波在海水中的傳播速度和接受波到達的時間（雙程旅行時間）來計算出聲波在海水中傳播的距離，除以二后得單程旅行時，然后根據三角函數定理乘以接收角的正弦值，得到該點的深度，乘以接收角的余弦值得到該點距離船底中心的水平偏移位置。通過上面描述的這些已知量，即可以描述出海底的準確地形。但是在實際的測量中，由于海水的溫度、鹽度、和壓力的影響，聲音在各個水層中的傳播速度是變化的。所以，可以將水層分為多個水層，每個水層中的聲速各不相同，致使聲波在海水中并不沿直線傳播。在實際的設備接收中，換能器只能夠獲取換能器本身所在水層的回波角度和聲波的旅行時間。若依然按照理想模型中的算法來計算波阻點的位置，那么就會出現很嚴重的誤差，參見圖1測深聲速剖面模型。所以，在實際的數據處理過程中，必須做聲線追蹤這一步驟，該步驟便是消除海水分層對聲波傳播的影響。對于聲線追蹤的解決方案暫時提出三個，根據數據類型和數據中聲速剖面的有無、多少、質量等決定采用的追蹤方案，該方案也可以由軟件的使用人員指定。這三個方案分別為：（1）聲線跟蹤法；（2）誤差修正法；（3）等效聲速剖面法。

1.1 聲線跟蹤法算法設計

聲線跟蹤可采用深度追加法實現，其過程為：（1）根據聲速剖面（或聲速經驗公式）獲得聲速函數C（z）。

1.2 誤差修正法的算法設計

2 成果及系統展示

將算法應用到全三維多波束系統中，通過聲線追蹤得到的某處海底界面如圖2所示。

3 結束語

全三維多波束處理系統是在Windows操作系統下運行的應用軟件，根據多波束測深特點，運用聲線追蹤技術，通過設計三種解決方案的算法結構并在系統中加以實現，最后結合其他一些重要技術共同完成該應用軟件系統，在實際生產中取得了良好的效果。

參考文獻

[1]韓春花，梁建峰，張俊明，等.大洋數據管理與共享平臺設計[J].計算機與現代化，2012，7：218-221.

[2]杜功煥，朱哲民，龔秀芬.聲學基礎[M].南京大學出版社，2001： 452-473.

[3]李洪生，等.分層海洋介質中聲線軌跡的改進算法[J].聲學技術，2008，27（2）：177-181.

[4]王百合，等.一種分層海洋中求取本征聲線的新方法[J].微機處理，2006，1：63-65.

[5]韓春花，張歡，張俊明.大洋數據加載系統的設計與開發[J].海洋信息，2015，8：16-20.