基于摆动式单波束微地形探测的高程异常值剔除算法研究

生的, 这样不可避免地导致高程异常值的出现[1-4]。高程异常值是造成严重“伪”地形的首要因素, 因此有必要对其剔除。

吴英姿博士处理H/HCS-017型条带测深仪获得的水深数据, 依据地形变化的坡度小于45º的经验准则[5]。摆动式单波束探测与多波束探测的工作原理不同, 但它通过水声换能器的摆动使之达到横向大扇区、全覆盖的窄带探测, 并且水声换能器本身的高指向性等价于多波束的预成波束, 因此该经验准则也适合于摆动式单波束探测[2]。本文依据该准则, 根据摆动式单波束探测原理和振幅相关检测法工作特点, 提出了一种新的高程异常值剔除算法。由实验证明, 该算法能成功剔除高程异常值。

2 摆动式单波束探测简述

图1是摆动式单波束探测装置的XOZ截面示意图。由收发一体水声换能器发射出频率为500 kHz、波束角 =1.5º的超声波照射到水底面, 当碰到底面时产生反射或散射回波信号。信号接收系统在超声波发射的同时进入工作状态, 接收发射信号和回波信号。当接收完一个探测点的回波信号后, 由步进电机驱动水声换能器以1º的等间隔绕摆动中心转动角度, 进行下一次探测。并在水声换能器工作的同时, 探测装置一直沿着导轨前进。最后由发射信号与回波信号进行振幅相关性分析获得探测点高程数据。

图1 摆动式单波束探测装置示意图

Fig.1 Sketch map of pendulum single beam bathymeter

振幅相关检测算法如下[6-8]:

假设发射信号时序函数为{q(t)|0≤t≤h譊}, 回波信号时序函数为{p(t)|0≤t≤x譊}, 为采样间隔, 为发射信号采样点数, 为回波信号采样点数。根据广义平稳随机序列的互相关函数可得

Rpq(s)=E[q(t)?p(t

s)]

(1)

式中: s为时延数, 当s= T时, p(t)与q(t)具有最大相关性。那么p(t)与q(t)的互相关函数无偏估计表达式为

R pq(s) 1

q(t) p(t s)dt (2)

式中: 。设采样容量N= , 时延数s j ,

j [0,1, , ], 则式(2)离散序列表达式为

N

R (j ) 1pq

N

1q(i ) p(i j )

(3)

i 0

式中: i 0,1, ,N, 由式(3)获取互相关函数最大值所对应的信号延时来确定 T。再由 T计算出水声换能器到探测点的距离:

1

2

V T

(4)

式中: V为水中声速。最后在XOZ截面内, 以摆动中心为坐标原点, 第k个探测点对应的X坐标和Z坐标分别为

xk ( H) sin( )

z ( H) cos( ) (5)

k

式中: k 1,2,3, ,n, H为水声换能器板面到摆动中心的距离, 为水声换能器绕摆动中心摆动的角度。假设微地形高程参考值为z0, 则第k个探测点的高程值为

hk zk z0

(6)

另外, 在不增加任何硬件情况下, 利用振幅相关检测法计算高程值的同时, 可获得相应探测点的回波能量[7-8]: