1.一种基于多波束重叠区约束的等效声速自动反演方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:S1,利用多波束数据的表层声速对多波束原始数据进行波束点位跟踪,获取多波束条带的重叠区域;
S2,对多波束条带的重叠区域进行网格化,利用遗传算法最小化重叠格网之间水深偏差,反演得到每条测线最优的等效声速;
S3,对每一测线利用反演得到的对应的等效声速重新进行波束点位跟踪,减弱利用表层声速进行波束点位跟踪存在的声速偏差,削弱重叠区域内条带之间的地形畸变,得到相邻条带重叠区域拼接连续的真实海底地形,从而摆脱波束点位跟踪对实测声速信息的依赖;
利用遗传算法最小化重叠格网之间水深偏差,包括:
将网格化后的多波束条带的重叠区域数据传入遗传算法,利用遗传算法进行寻优;遗传算法在范围内随机生成种群,然后交叉、变异操作,计算适应度函数,适应度函数E(g)为:式中,g为待求等效声速,表示区域内N个条带对应的声速梯度; 为每个网格节点的水深, 为格网中所有测点的反距离加权平均值水深,M为所选区域内格网总数,Km,n为区域中的m格网的第n条测线的测点总数;
判断当前适应度函数的g所计算的重叠区域的平均水深偏差是否小于1%的平均水深,如果达到则退出循环,返回每条测线的最优等效声速,若没达到重新进行迭代计算。
2.根据权利要求1所述的基于多波束重叠区约束的等效声速自动反演方法,其特征在于,在步骤S1中,获取多波束条带的重叠区域,包括:S101,对获取的多波束原始数据进行数据解析,利用数据中表层声速仪测得的表层声速信息或者假定一个声速剖面对数据进行声线跟踪,获取所有测点的初始水深与位置;
S102,沿垂直于多波束航向方向进行寻找各测线之间的重叠区域。
3.根据权利要求2所述的基于多波束重叠区约束的等效声速自动反演方法,其特征在于,在步骤S101,声线跟踪包括基于层内常声速的声线跟踪和基于层内常梯度的声线跟踪。
4.根据权利要求3所述的基于多波束重叠区约束的等效声速自动反演方法,其特征在于,基于层内常声速的声线跟踪包括:声速在第i层内以常速传播,层i上、下界面处的深度分别为zi和zi+1,层厚度为Δzi,θi、Ci分别为第i层的波束入射角和声速,根据Snell法则,sinθi/Ci=p,则波束在层内的水平位移yi和传播时间ti分别为:波束经历整个水柱的传播水平距离y和传播时间t为:
式中,N为水层个数;
如果入射角为0,即单波束测深时,则有:
y=0
5.根据权利要求4所述的基于多波束重叠区约束的等效声速自动反演方法,其特征在于,基于层内常梯度的声线跟踪,包括:声速在层i内以常梯度gi变化,波束在层内的实际传播轨迹为一连续的、曲率半径为Ri的弧段,表达式为:式中,Ci+1为下一层水层声速;
波束在该层经历的水平位移yi和弧线长度Si为:
式中,θi+1为下一层水深入射角;
由Snell法则得: 则第i层内声线的水平
位移yi和时间ti为:
式中, 为层i内的调和平均声速;
如入射角为0,则声波在每层内的传播轨迹为直线,竖直向下,每层内的传播时间为:
6.根据权利要求1所述的基于多波束重叠区约束的等效声速自动反演方法,其特征在于,遗传算法在范围内随机生成种群,然后交叉、变异操作,计算适应度函数的具体方法如下:S201,根据初值的范围(a,b),随机生成数据量 的初值,称之生成的初值为初始种群;
S202,分别计算生成的初始种群的每个种子值的E(g)函数值,根据每个种子值的大小对初始种群进行筛选,筛选出E(g)函数值小的种子,进行保留;然后对偏差超过阈值的种子根据变异概率和交叉概率进行变异交叉,形成新的种群;
S203,对新的种群重新计算各自的E(g)值,对优秀的种子值进行遗传保留,对劣质个体进行替换,再生成新的种群个体;
S204,对新生成的种群个体进行变异交叉操作,产生变异交叉后的新种群,再进行计算新种群的E(g);
S205,重复进行步骤S203和步骤S204,直至找到最优值或者达到最大的迭代次数从而退出,并输出最好的等效声速值。
7.根据权利要求1所述的基于多波束重叠区约束的等效声速自动反演方法,其特征在于,在步骤S2中,反演得到每条测线最优的等效声速,包括:等效声速归位过程为:
式中,g为声速梯度为一常数,Z为深度,C为声速,Cr为底层声速,C0为表层声速,Zr为底层水深值,Z0为入射表层声速,Constant为一个常值;
声波在水中的传播符合Snell定律的表达式为:
式中,θ0、θr分别为单层的上、下波束入射角,p为基于Snell得到的一常数;
根据等效声速剖面法原理得到传播时间t为:
结合式(10)和式(11),推导传播时间t为:
由于传播时间是精确测定的为已知量,因此将式(12)转换得到θr为:式中,t均为单程传播时间;
根据射线声学的理论,声线在常梯度层中的传播轨迹为一圆弧,则圆弧的半径R为:经过推导得到声线的在深度方向的位移Δz和在水平方向的位移Δx分别为:
8.一种基于多波束重叠区约束的等效声速自动反演系统,其特征在于,该系统实施如权利要求1‑7任意一项所述基于多波束重叠区约束的等效声速自动反演方法,该系统包括:多波束条带的重叠区域获取模块(1),用于利用多波束数据的表层声速对多波束原始数据进行波束点位跟踪,获取多波束条带的重叠区域;
反演等效声速模块(2),用于对多波束条带的重叠区域进行网格化,利用遗传算法最小化重叠格网之间水深偏差,反演得到每条测线最优的等效声速;
重波束点位跟踪模块(3),用于对每一测线利用反演得到的对应的等效声速重新进行波束点位跟踪,减弱利用表层声速进行波束点位跟踪存在的声速偏差,削弱重叠区域内条带之间的地形畸变,得到相邻条带重叠区域拼接连续的真实海底地形,从而摆脱波束点位跟踪对实测声速信息的依赖。
9.根据权利要求8所述的基于多波束重叠区约束的等效声速自动反演系统,其特征在于,所述基于多波束重叠区约束的等效声速自动反演系统搭载在计算机设备,该计算机设备包括:至少一个处理器、存储器以及存储在所述存储器中并在所述至少一个处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现上述所述基于多波束重叠区约束的等效声速自动反演系统中的功能。