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专利号: 2020101005737
申请人: 山东科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 计算;推算;计数
更新日期:2023-12-11
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于分治思想的多波束海底底质分类方法,其特征在于,具体包括以下步骤:步骤1,获取施加姿态改正后的多波束水深测量数据和回波强度测量数据,并分别进行粗差剔除;

步骤2,多波束水深测量数据标准化改正,通过对多波束水深测量数据进行异常数据剔除、声线折射假象改正、动态运动残差改正、潮汐改正,获取准确的海底地形信息;

步骤3,多波束回波强度测量数据精确补偿,通过对多波束回波强度信息进行系统参数变化改正、信号脉宽影响改正、几何传播衰减改正、海水能量吸收改正、波束脚印尺寸效应改正、声照入射角度精确计算、异常数据剔除,获得精确校正后的回波强度测量信息;

步骤4,利用步骤3精确校正后的回波强度测量信息,通过对回波强度数据进行分组处理,并基于稳健估计理论,设置滑动窗口截取数据序列,独立提取各组回波强度数据的声学特征参量;

步骤5,根据海底采样真值数据,结合各组回波强度数据提取到的声学特征参量,通过对各组回波强度数据提取到的声学特征参量进行聚类分析,并将聚类分析结果进行匹配融合,为全局分类结果赋予对应的地理或地质标签,从而得到准确的海底底质分类结果;

所述步骤3中声照入射角度精确计算具体包括如下子步骤:

步骤3.1:根据多波束回波强度测量数据中的声速剖面信息,对声呐信号到达海底的波束角信息进行声速剖面改正;

基于载体姿态传感器信息改正声波波束发射角,根据测量得到的声速剖面信息,利用Snell法则计算声波到达平坦海底的入射角θi,公式如下所示:θi=arcsin((ci/cs)sinθs)                            (1)式中,ci为换能器处的声速,cs为声波到达海底时的声速,θs为声速剖面校正前声波信号的发射角;

步骤3.2:根据精确校正后的海底地形信息,对海底地形起伏效应进行补偿,得到相当于海底真实入射角θT的声波波束信号;

计算声波波束的入射向量 与入射点海底法线向量 之间的夹角θT,公式如下所示:将海底曲面方程设为z=f(x,y),得到声波波束在海底入射点P处的法线向量 为:式中, 表示法线向量在x方向的投影分量, 表示法线向量在y方向的投影分量;

在测船坐标系下,设置海底沿航迹方向的倾角为α、航迹正横方向的倾角为β,得到测点海底的法线向量 为:将公式(3)和公式(4)代入公式(2)中,得到声波波束在海底的入射角θT的计算公式,如下所示:式中,θi表示声波到达平坦海底的入射角,A为方位角;

所述步骤3中波束脚印尺寸效应改正过程中,由于回波能量强度随传播时间增加受几何传播耗散和海水声能量吸收的影响,因此在测量过程中需要对多波束测量系统的回波信号施加时间变化增益;

根据脉冲长度ω,沿航迹方向的发射波束宽度θW,航迹正横方向的接收波束宽度θR,结合声波信号入射角θ和声波传播的距离R确定限定角θL,公式如下所示:,根据声波信号入射角θ与限定角θL的关系,计算波束有效声照面积S,公式如下所示:式中,c表示声速,τ表示脉冲长度;

利用波束有效声照面积S对回波强度测量值BSr进行补偿,公式如下所示:BS=BSr+10logS                            (9)式中,BS表示补偿后的回波强度值;

所述步骤4具体包括如下子步骤:

步骤4.1:根据声照入射角度精确计算结果,利用声波信号替代海底真实入射角θT,对回波强度数据进行分组;

通过将多波束系统垂直于航迹方向的角度分辨率θthere设置为回波强度数据组内最大角度差异,使得每一组组回波强度数据中各数据对应的θT之间的差异均不超过θthere;根据多波束测量开角θmax,则第一组数据所对应的θT位于[θmax‑θthere,θmax],第二组数据所对应的θT位于[θmax‑2×θthere,θmax‑θthere],以此类推,对回波强度数据进行分组;

步骤4.2:设置尺寸为k的滑动窗口截取回波强度序列xi;

计算滑动窗口内回波强度序列xi的中值μx,公式如下所示:μx=median(xi)                                  (10)式中,median(·)表示中值求取函数,i表示回波强度序列数,i=1,…,k;

计算滑动窗口内数据的标准差σx,公式如下所示:

σx=1.4826·median(abs(xi‑μx))                    (11)式中,abs(·)表示绝对值求取函数,median(·)表示中值求取函数;

根据中值μx和标准差σx,识别滑动窗口中的异常值xout:xout=(xi<μx‑3σx)||(xi>μx+3σx)                 (12)式中,||表示区间范围;

步骤4.3:基于稳健估计在滑动窗口所含数据中剔除识别出的异常值xout;

步骤4.4:根据最小二乘准确下的最优估计方法,使用剩余数据重新计算窗口内回波强度数据均值m作为该滑动窗口对应的声学特征值,公式如下所示:式中,kt为剔除异常值后滑动窗口内剩余的回波强度测量值个数。

2.如权利要求1所述的一种基于分治思想的多波束海底底质分类方法,其特征在于,所述步骤5具体包括如下子步骤:步骤5.1:采用聚类分析统计学习算法,各组回波强度数据提取到的声学特征参量进行无监督分类;

根据海底采样真值数据的地理标签类型,设置分类数量M;再利用最小化目标函数JL,对声学特征参量{vi,i=1,…,N}进行统计分类,得到每组数据对应的单独无监督分类结果,公式如下所示:式中,uij表示vi属于第j类别的隶属度,cj表示类别j的聚类中心,L表示人为设置的分类调整参数,||·||表示任一声学特征值与聚类中心的相似度;

步骤5.2:根据不同组别的分类结果,结合其空间位置信息,按照相同类别空间距离相近的原则对不同组别分类结果进行匹配,得到全局范围内无地理标签的海底分类结果;

步骤5.3:使用海底采样得到的真实海底地理或地质标签,通过对各分类类别选取其空间范围内分布的海底真值数据,并以其中出现频率最高的标签类别作为该分类类别的标签,从而为全局分类结果赋予对应的地理或地质标签。