層兩部分，固定層部分由2倍多波束換能器最邊緣波束與水平線(xiàn)之間夾角Φ構(gòu)成，自 由層部分則由60度以上剩余部分角度組成。
[0038] 根據(jù)多波束換能器坐標(biāo)系下水上下同目標(biāo)特征點(diǎn)處激光點(diǎn)與多波束點(diǎn)的平均坐 標(biāo)差，計(jì)算低掠射層固定層部分內(nèi)波束初始幾何旋轉(zhuǎn)角 <和初始放大系數(shù)rf,以及自由層 部分各波束對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角和放大系數(shù)獲得的具體方法如下：
[0039] 步驟9. 1 :在區(qū)域~內(nèi)選取水上下形狀規(guī)則的目標(biāo)，拾取換能器坐標(biāo)中心下K組約 束激光點(diǎn)和多波束測(cè)深點(diǎn)坐標(biāo)值（X1^uz 1)和（n zj，根據(jù)幾何關(guān)系，首先得到XOY平 面內(nèi)平均旋轉(zhuǎn)角θ1;
[0041] 步驟9.2 :根據(jù)幾何關(guān)系，得到與XOY平面垂直方向上的平均旋轉(zhuǎn)角θ2:
[0045] 假設(shè)換能器工作時(shí)開(kāi)角為#向右上方偏轉(zhuǎn)角度為β，掃岸一側(cè)某波束角為γ y ， 則可以得到低掠射層內(nèi)自由層部分各波束角對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角
[0047] 步驟9. 3 :根據(jù)兩種點(diǎn)云的坐標(biāo)，計(jì)算初始放大系數(shù)得：
[0048]
[0049] 同理可得低掠射層內(nèi)自由層部分各波束角對(duì)應(yīng)的放大系數(shù)
[0051 ] 優(yōu)選地，在所述的步驟10中，進(jìn)行幾何改正的具體方法如下：
[0052] 步驟10. 1 :根據(jù)步驟9中獲得的各波束放大系數(shù)，首先對(duì)低掠射層內(nèi)波束點(diǎn)進(jìn)行 距離改正：
[0054] 步驟10. 2 :根據(jù)步驟9中獲得的各波束旋轉(zhuǎn)角，對(duì)低掠射層內(nèi)各波束點(diǎn)進(jìn)行角度 改正，最終得到幾何改正后的坐標(biāo)（x'e，y'e，z'J :
[0056] 本發(fā)明所帶來(lái)的有益技術(shù)效果：
[0057] 本發(fā)明提出了一種基于激光點(diǎn)云為約束的多波束低掠射角波束歸位方法，與現(xiàn) 有技術(shù)相比，一種基于激光點(diǎn)云為約束的多波束低掠射角波束歸位方法，考慮到沿岸區(qū)域 內(nèi)海水聲速的時(shí)空變化變化，并結(jié)合表層聲速數(shù)據(jù)對(duì)擬合的聲速剖面中淺層聲速進(jìn)行了修 正；結(jié)合三維激光掃描儀與多波束測(cè)得的同目標(biāo)點(diǎn)云對(duì)多波束60度以上的聲波進(jìn)行幾何 改正，糾正了多波束每一發(fā)射和接收中掠射角較低的波束的位置，解決了船載水岸線(xiàn)一體 化測(cè)量系統(tǒng)中無(wú)縫拼接問(wèn)題。
【附圖說(shuō)明】
[0058] 圖1為本發(fā)明一種基于激光點(diǎn)云為約束的多波束低掠射角波束歸位方法的流程 框圖。
[0059] 圖2為本發(fā)明中船載水岸線(xiàn)一體化測(cè)量系統(tǒng)的工作示意圖。
[0060] 圖3為聲速不規(guī)則變化導(dǎo)致水上下同目標(biāo)錯(cuò)位的示意圖。
[0061] 圖4為本發(fā)明中幾何改正的示意圖。
[0062] 圖5為本發(fā)明中低掠射層角度改正角度范圍的示意圖。
[0063] 圖6為本發(fā)明中聲速剖面站的分布不意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0064] 下面結(jié)合附圖以及【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明：
[0065] 實(shí)施例：
[0066] 首先介紹一下本發(fā)明所需要的理論基礎(chǔ)：
[0067] 1、多波束勘測(cè)聲速剖面場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析方法
[0068] 國(guó)內(nèi)外研究表明在近海和遠(yuǎn)洋海域，聲速變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，在一定程度上 是可以預(yù)估的。聲速剖面結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)聲速剖面數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)化描述與擴(kuò)展，經(jīng) 驗(yàn)正交函數(shù)分析方法（empirical orthogonal function, EOF)也稱(chēng)特征向量分析（eigen vector analysis)或主成分分析（principal component analysis, PCA)，是分析矩陣數(shù)據(jù) 的結(jié)構(gòu)特性、提取主要數(shù)據(jù)特征量的一種方法，目前在氣象學(xué)研究中有較多應(yīng)用。在多波 束勘測(cè)聲速剖面場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型建立中，EOF展開(kāi)的基本思想就是將聲速^要素場(chǎng)序列分解 成正交的時(shí)間函數(shù)與正交的空間函數(shù)的乘積之和，把聲速剖面樣本采集點(diǎn)的地理坐標(biāo)看 作聲速場(chǎng)的權(quán)重系數(shù)，其他要素看作典型的聲速場(chǎng)。對(duì)于淺水的情況下，由于深度有限，水 面附近的聲速己成為聲速剖面的重要組成部分，局部對(duì)流己經(jīng)變成了重要的熱交換。陽(yáng)光， 大氣溫度對(duì)于淺水溫度的影響很大，使得聲速剖面在淺水環(huán)境下變化相當(dāng)劇烈，沈海遠(yuǎn)等 則利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)證實(shí)在一定區(qū)域內(nèi)的淺水聲速剖面已經(jīng)驗(yàn)證叫函數(shù)（EOF)近似表示，可以 達(dá)到較好的精度。其基本原理如下：
[0069] 設(shè)經(jīng)過(guò)層化處理到的N個(gè)聲速剖面等深度點(diǎn)處的深度為ih(i = 0, 1，…，K) 個(gè)聲速剖面樣本表示為矩陣的形式：
[0071] 定義C的協(xié)方差矩陣為R。，R?？杀硎緸椋?br>[0073] 其中的每一個(gè)元素 rn為：
[0075] 上式中，[(2,)為N個(gè)等深度聲速采樣數(shù)據(jù)的平均值。
[0076] 求出此協(xié)方差矩陣的特征值和特征向量，其特征向量就是所求的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)， 有：
[0077] RF = AF (16)
[0078] 式中，λ為協(xié)方差矩陣的特征值，F(xiàn)為與特征值相對(duì)應(yīng)的縱向量，即為特征向量， 則：
[0079] F (z；h) = (f〇 (z；h), ···, fk (z；h)), i = 0, ···, K (17)
[0080] L(ZiIi)，k, j = 0, "·Κ就是所確定的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)。于是，聲速場(chǎng)中任意一點(diǎn)的聲 速可以表示為：
[0082] 式中，加權(quán)平均系數(shù)a k(x，y)是地理坐標(biāo)（X，y)的函數(shù)。上式寫(xiě)成矩陣的形式為：
[0084] 假設(shè)欲確定的a k(x, y)函數(shù)的形式為：
[0085] α (X，y) = ao+aj+aj+apy (20)
[0086] 其中，&。、&1、&2、 &3是待求的參數(shù)。對(duì)同一層(：1〇〇，有：
[0088] 用矩陣表示為：
[0089] α (χ, y) = AX (22)
[0090] 根據(jù)最小二乘法原理，可得：
[0091] X = (AtPA) 1 (ΑΤΡ α ) (23)
[0092] 式中，X = [a。，&1，a2, a3]T即為所求定的參數(shù)。
[0093] 為了衡量選取的正交函數(shù)對(duì)聲速剖面的貢獻(xiàn)程度，引入方差貢獻(xiàn)計(jì)算公式：
[0095] 式中，λ j為前幾階空間函數(shù)對(duì)應(yīng)的特征值，K為特征值求解的個(gè)數(shù)。
[0096] 公式（19)是由K+1個(gè)未知數(shù)、K+1個(gè)線(xiàn)性方程組成的，因此可求出不同的函數(shù) ak(x，y)，然后可以依照式（21)進(jìn)行擬合。若求得的矩陣A中的特征值有少數(shù)幾個(gè)特征值 的絕對(duì)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其余的特征值，這時(shí)用較少的參數(shù)來(lái)表征聲速剖面是可行的?？梢杂纱?到小選定較大絕對(duì)值的特征值所確定的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)。假設(shè)由此而選定了 P個(gè)經(jīng)驗(yàn)正交函 數(shù)，一般選定P << K，方程組則變?yōu)橛蒔個(gè)未知數(shù)、Κ+l個(gè)線(xiàn)性方程組成的一個(gè)超定的系 統(tǒng)，對(duì)此利用QR分解的方法來(lái)求出在最小二乘意義下的最優(yōu)結(jié)果。于是可用求得的參數(shù)擬 合不同的聲速剖面。
[0097] 2、多波束聲速改正之幾何改正原理
[0098] 聲速改正后處理是為進(jìn)一步提高多波束聲速改正精度而引入的室內(nèi)多波束側(cè)身 數(shù)據(jù)的處理方法，其本質(zhì)是利用更精確或更接近真實(shí)的聲速剖面以及在無(wú)法確切了解聲速 結(jié)構(gòu)變化的情況下通過(guò)引入一些原則對(duì)多波束測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行在處理。多波束聲速改正后處 理方法可以分為兩類(lèi)。一類(lèi)是以改變聲速剖面為思路的處理方法，它涉及對(duì)多波束折射路 徑解的重新計(jì)算；在一類(lèi)是根據(jù)聲速對(duì)波束折射路徑解的控制規(guī)律進(jìn)行聲速改正，即幾何 改正。
[0099] 在多波束測(cè)量過(guò)程中有時(shí)會(huì)面臨無(wú)法確知聲速結(jié)構(gòu)變化的狀況。這種狀況常發(fā)生 在因某些原因（如聯(lián)合調(diào)查，船尾有其他設(shè)備或者電纜拖拽等）測(cè)量過(guò)程中無(wú)法經(jīng)常停船 進(jìn)行聲速測(cè)量或在聲速變化復(fù)雜的區(qū)域作業(yè)。針對(duì)這種情況，New Brunswick大學(xué)的海洋 制圖組建立了一種經(jīng)驗(yàn)改正法，以改正聲速不準(zhǔn)產(chǎn)生的假地形或地形畸變。這種方法不從 波束折射路徑解方法入手，而是通過(guò)對(duì)波束在測(cè)深橫剖面上的疊加統(tǒng)計(jì)，用幾何旋轉(zhuǎn)的方 法改正地形畸變，從而達(dá)到改善多波束測(cè)量精度的目的。這種方法基于如下假設(shè)：
[0100] (1)通過(guò)疊加足夠數(shù)量的波束測(cè)深橫剖面，所有局部地形特征均可以被正負(fù)抵消 二平均化；
[0101] (2)聲速不準(zhǔn)確導(dǎo)致的地形畸變可以通過(guò)波束在測(cè)深橫剖面上的單一旋轉(zhuǎn)來(lái)改 正。
[0102] 這種方法通常包括三個(gè)步驟：
[0103] ①進(jìn)行足夠數(shù)量的波束測(cè)深剖面疊加。由于中央波束受聲速影響最小，因此先將 測(cè)深橫剖面上的波束深度標(biāo)準(zhǔn)化至中央波束深度。
[0104] ②統(tǒng)計(jì)給定波束與中央的深度差、側(cè)向中心距之比，并將其轉(zhuǎn)化為角度（反正切 關(guān)系），統(tǒng)計(jì)各波束左右舷角度的均值即為標(biāo)準(zhǔn)化了測(cè)深橫剖面的旋轉(zhuǎn)改正角。