Модель погрешности съемки батиметрического поля с помощью интерферометрического гидролокатора бокового обзора
Представлен вариант построения модели погрешности измеряемых глубин и их координат методом широкополосной съёмки для картографирования рельефа дна с помощью интерферометрических гидролокаторов бокового обзора. Надано варіант побудови моделі погрішності глибин та їх координат, що вимірюється методом...
Saved in:
| Published in: | Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану) |
|---|---|
| Date: | 2005 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Науково-технічний центр панорамних акустичних систем НАН України
2005
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/19121 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Модель погрешности съемки батиметрического поля с помощью интерферометрического гидролокатора бокового обзора / О.С. Голод, А.И. Гончар, Э.С. Зубченко // Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану): Зб. наук. пр. — Запоріжжя: НТЦ ПАС НАН України, 2005. — № 2. — С. 70-77. — Бібліогр.: 1 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859609977329549312 |
|---|---|
| author | Голод, О.С. Гончар, А.И. Зубченко, Э.С. |
| author_facet | Голод, О.С. Гончар, А.И. Зубченко, Э.С. |
| citation_txt | Модель погрешности съемки батиметрического поля с помощью интерферометрического гидролокатора бокового обзора / О.С. Голод, А.И. Гончар, Э.С. Зубченко // Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану): Зб. наук. пр. — Запоріжжя: НТЦ ПАС НАН України, 2005. — № 2. — С. 70-77. — Бібліогр.: 1 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану) |
| description | Представлен вариант построения модели погрешности измеряемых глубин и их координат методом широкополосной съёмки для картографирования рельефа дна с помощью интерферометрических гидролокаторов бокового обзора.
Надано варіант побудови моделі погрішності глибин та їх координат, що вимірюється методом широкосмугової зйомки для картографування рельєфу дна за допомогою інтерферометричних гідролокаторів бокового огляду.
The variant of inaccuracy model construction of measurable depths and their coordinates with broadband shooting for bottom relief mapping using interferometric side scan sonars is shown.
|
| first_indexed | 2025-11-28T10:02:20Z |
| format | Article |
| fulltext |
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2005 (№2)
70
УДК 528.475
МОДЕЛЬ ПОГРЕШНОСТИ СЪЕМКИ БАТИМЕТРИЧЕСКОГО
ПОЛЯ С ПОМОЩЬЮ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОГО
ГИДРОЛОКАТОРА БОКОВОГО ОБЗОРА
© О.С. Голод1, А.И. Гончар2, Э.С. Зубченко3, 2005
1
Государственный Северо-Западный технический университет, г. Санкт-Петербург
2
Научно-технический центр панорамных акустических систем НАН Украины, г. Запорожье
3
Военно-морская академия им. Н.Г. Кузнецова, г. Санкт-Петербург
Надано варіант побудови моделі погрішності глибин та їх координат, що вимірюється методом
широкосмугової зйомки для картографування рельєфу дна за допомогою інтерферометричних гідролокаторів
бокового огляду.
Представлен вариант построения модели погрешности измеряемых глубин и их координат методом
широкополосной съёмки для картографирования рельефа дна с помощью интерферометрических
гидролокаторов бокового обзора.
The variant of inaccuracy model construction of measurable depths and their coordinates with broadband
shooting for bottom relief mapping using interferometric side scan sonars is shown.
Наряду с обычными эхолотами для съемки рельефа дна в настоящее время
используются многолучевые эхолоты и гидролокаторы бокового обзора – интерферометры.
Они позволяют выполнять площадную съемку дна, при которой обеспечивается получение
равномерного с высокой плотностью покрытия морского дна измерениями глубин для
построения цифровой модели рельефа дна или его псевдообъемного изображения. Основное
отличие этих средств в применении различных способов определения направления прихода
эхо-сигнала.
В многолучевых эхолотах прием эхо-сигналов ведется на веер заранее
сформированных под заданными углами акустических лучей и направление прихода эхо-
сигнала определяется по максимуму амплитуды одного из приемных лучей.
В интерферометрах направление прихода эхо-сигналов определяется по разности фаз
сигналов, приходящих на две вертикально разнесенные на расстояние d приемные антенны.
Акустическая система такого ГБО имеет характеристику направленности в
угломестной плоскости вида [1]
),(Rsin
d
cos)(R 1 θ
θ
λ
π=θ
где )(R1 θ - характеристика направленности одного преобразователя,
θ
λ
π
sin
d
cos - функция, определяющая количество максимумов (лучей) в
характеристике направленности акустической системы, имеющую ряд максимумов и
минимумов, в результате чего создается эффект интерференции сигналов.
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2005 (№2)
71
Направление максимумов определяется формулой
,n
d
sin n
λ=θ
где n =0, 1,2…N-1, N- целая часть отношения d/λ.
При соответствующем выборе отношения d/λ можно получить несколько
интерференционных полос, соответствующих разности фаз сигналов ϕ=2πn. Например, если
разнести преобразователи антенной системы на расстояние d=0,3 м, то при рабочей частоте
гидролокатора, например, 100 кГц (длине волны λ=0,015 м) можно получить 20
интерференционных полос.
Наклонная дальность до интерференционной полосы определяется по шкале
дальности (Rн=сt/2), глубина X(t)=Zн=Rнsinθ=Rн(λ/d)n.
Таким образом, можно получить несколько значений глубин в полосе обзора
гидролокатора бокового обзора-интерферометра за каждую посылку.
Эффективное использование нового метода широкополосной съёмки для
картографирования рельефа дна с помощью интерферометрических гидролокаторов
бокового обзора (далее - ИГБО) требует разработки модели погрешности измеряемых этим
методом глубин и их положения.
Построение модели выполнено на основании рассмотрения алгоритма измерения
глубин и их координат при съемке рельефа дна ИГБО.
Измеренная интерферометром глубина и её координаты в приборной системе
координат (далее - ПСК) представлялись выражениями:
х=0; y=D sin (θ0+α); z=D cos(θ0+α); D= ср
0
с Ф
2πf
; sin α= а
0
∆Фс
2πLf
, (1)
где D - расстояние до точки отражения на дне;
θ0 - конструктивный угол, образуемый диаметральной плоскостью носителя и
нормалью к базе интерферометра;
α - угол, образуемый нормалью к базе интерферометра и направлением приёма
отражённого сигнала;
сср - средняя скорость звука в воде;
Ф - измеренная фаза сигнала, приведенная к середине базы интерферометра;
f0 - частота гидроакустического сигнала;
∆Ф - разность фаз, соответствующая направлению приёма отраженного сигнала;
са -скорость звука на горизонте антенны ГБО;
L - база интерферометра.
Координаты точки дна в системе координат носителя (далее - СКН) представлялись в
виде
XH=AXn+x0, (2)
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2005 (№2)
72
где Хн - матрица координат точки дна в СКН;
Хn - матрица координат точки дна в ПСК;
х0 - матрица координат начала ПСК в СКН;
А - матрица коэффициентов преобразования при повороте на ПСК на выставочные
углы до совмещения ее осей с осями СКН.
Координаты точки дна в геодезической системе координат (ГСК) представлялись как
ХГ =A1Xn+Xобс, (3)
где ХГ - матрица искомых координат и глубины точки дна;
А1 - матрица коэффициентов преобразования при повороте СКН на углы крена
дифферента и курса до совпадения с осями ГСК;
Хобс - матрица обсервованных координат буксируемой платформы.
Модель погрешностей строилась как ковариационная матрица координат при
преобразованиях по формулам (1)-(3). Ковариационная матрица координат точки дна в
приборной системе в ПСК представлялась в виде
Mn = SnM1S
Т
П , (4)
где Sn - матрица, элементы которой определялись как частные производные от выражений
(1) по аргументам ca, ccp, ∆Ф, f0, L, Ф1;
M1=diag{
a cp 0
2 2 2 2 2 2
c c ∆Ф f L Фm m m m m m } - ковариационная матрица скорости звука на
горизонте антенны, средней скорости звука, разности фаз, частоты гидроакустического
сигнала, базы интерферометра, измеряемой фазы сигнала.
Ковариационная матрица координат точки дна в СКН представлялась в виде
Mp=S1M2S
Т
1 , (5)
где S1 - матрица, элементы которой определялись как производные от выражений (2) по
установочным углам ПСК и координатам начала ПСК в СКН;
M2 - блочная матрица, элементами которой являются ковариационные матрицы
координат точки дна в ПСК, установочных углов ПСК и координат её начала в СКН.
Ковариационая матрица геодезических координат точки дна представлялась в виде
Mг = S2 M3 S
Т
2 (6)
где S2 - структурная матрица, элементы которой вычислялись как производные от
выражений (3) по углам крена, дифферента, курса и обсервованных координат носителя;
M3 - блочная матрица, элементы которой представлялись как ковариационные
матрицы координат точки дна в СКН, углов крена, дифферента и курса, а также
обсервованных координат носителя.
Полученная модель погрешностей (формулы (4)-(6)) реализована в программе для
персонального компьютера и позволила выполнить оценку вклада каждой погрешности, а
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2005 (№2)
73
затем и их суммарный вклад. Моделирование производилось для измеряемой глубины в
диапазоне от 0 до 200 м при углах наклона зондирующего луча от 30 до 70° без учёта
погрешностей определения положения носителя в ГСК. Выполненное моделирование
показало, что наименьший вклад вносит погрешность учёта частоты зондирующего
сигнала. Относительная СКП положения и глубины не зависит от глубины и возрастает с
увеличением угла. При величине этой погрешности 10 Гц погрешность положения глубины
составляет от 0,004 % до 0,028 %, а глубины - от 0,008 % до 0,01 %. С увеличением
погрешности частоты до 100 Гц СКП положения глубины составляет от 0,045 до 0,276 %, а
глубины - от 0,002 до 0,1 %.
Наибольший вклад вносит погрешность в измеряемой фазе. Погрешность в фазе
величиной в 0,1 % приводит к погрешности в положении глубины от 0,5 до 0,657 %, а
глубины - от 0,292 до 1,8 % для принятых углов наклона зондирующих лучей. Увеличение
погрешности измерения фазы до 1 % приводит к погрешности положения глубины в
указанном диапазоне углов падения от 2 до 2,6 %, а погрешности глубины - от 1 до 7,32 %.
Погрешность учета скорости звука на горизонте антенны в 1 м/с приводит к
погрешности положения глубины в указанном диапазоне значений углов зондирования от
0 до 0,057 %, а глубины - от 0 до 0,15 %. При увеличении погрешности до 2 м/с эти
величины соответственно составили от 0,001 % до 0,114 % и от 0 до 0,317 %. Погрешность
средней скорости звука в воде в 1,4 м/с приводит к погрешности определения положения
глубины от 0,055 до 0,261 %. Относительная погрешность глубины - не зависит от угла и
глубины и составила 0,093 %. При увеличении погрешности средней скорости звука до
2,5 м/с погрешность положения глубины составила от 0,097 до 0,466 %, а погрешность
глубины возросла до 0,167 %.
Погрешность учета положения антенны относительно начала СКН приводит к
погрешности положения глубины, которая уменьшается с глубиной и не зависит от угла
зондирования и при величине 0,1 м по всем трём осям для глубины 10 м составляет 1,414 %,
а для 200 м - 0,071 %. Погрешность глубины также не зависит от угла и уменьшается с
глубиной от 1 % до 0,05 % в диапазоне глубин 10 -200 м.
Погрешность в угле ориентирования антенны ГБО в СКН в 0,2° приводит к
погрешностям глубины и её положения, которые не зависят от глубины и для углов падения
от 30 до 70° были в пределах соответственно от 0,009 до 0,032 % и от 0,453 % до 1,422 %.
При увеличении погрешности ориентирования до 0,5° погрешность положения глубины
возрастает в том же диапазоне углов от 1,132 % до 3,556 %, а глубины - от 0,023 до 0,08 %.
Погрешности глубины и её положения вследствие погрешности учёта углов качки
слабо возрастают с глубиной и при величине в 0,1° при значениях углов качки 1,5 и 1° в
диапазоне глубин 10-200 м и углах падения от 30 до 70° возрастает с 0,02 % до 0,053 % и с
1 % до 2,6 %.
Погрешность учета курса приводит только к погрешности положения глубины, и в
моделируемом диапазоне углов падения зондирующего луча для глубин 10 м возрастает от
0,098 % до 0,482 %, а для 200 м - от 0,103 % до 0,489 %. Погрешность глубины и её
положения существенно зависит от величины базы интерферометра и погрешности
определения её длины, а также частоты гидроакустического сигнала. Рис. 1 - 4 показывают
характер этого влияния при длине базы, равной 2,5 и 5 длинам волн Хо гидроакустического
сигнала для двух частот сигнала, используемых в реальных ГБО.
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2005 (№2)
74
На рис. 5 - 6 показаны соответственно суммарные относительные погрешности
глубины и её положения вследствие погрешностей учета углового ориентирования 0,1° и
положения антенны 0,1 м в СКН, погрешностей углов качки 0,5°, погрешности курса 0,1°,
скорости звука в воде 1,4 м/с, 1 м/с, погрешностей разности фазы каждого направления
прихода отраженного сигнала 0,1 %, погрешности частоты зондирующего сигнала mf=5 кГц,
погрешности длины базы 0,001 м, погрешности измерения фазы отражённого сигнала при
длине базы L=5Х0 и частоте зондирующего сигнала f0=132 кГц для углов падения
зондирующего луча 30-70° в диапазоне глубин 10 200 м.
Рис.1. Относительная погрешность положения глубины
вследствие погрешности длины базы интерферометра mL=0,0005 м
при длине базы L=5λo для двух частот a) fo=432 кГц; б) f0=132 кГц
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2005 (№2)
75
Рис.2. Относительная погрешность глубины вследствие
погрешности длины базы интерферометра mL=0.0005 м
при длине базы L=5λo для двух частот a)f0 =432кГц; б)f0 = 132кГц
Рис.3. Относительная погрешность положения глубины
вследствие погрешности длины базы интерферометра mL=0,001 м
при длине базы L=2,5λ0 и частоте зондирующего сигнала f0=132 кГц
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2005 (№2)
76
Рис. 4. Относительная погрешность глубины вследствие погрешности
длины базы интерферометра mL=0.0005 м при длине базы
L=2.5λ0 и частоте зондирующего сигнала f0=132 кГц
Рис. 5. Суммарная относительная погрешность положения глубины вследствие
погрешностей учета углового ориентирования и положения антенны в системе координат
носителя, погрешностей углов качки, курса, скорости звука в воде, погрешностей разности
фазы каждого направления прихода отраженного сигнала, частоты зондирующего сигнала,
погрешности длины базы, погрешности измерения фазы отражённого сигнала при длине
базы L=5λ0 и частоте зондирующего сигнала f0=132 кГц
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2005 (№2)
77
Рис.6. Суммарная относительная погрешность глубины вследствие погрешностей
учета углового ориентирования и положения антенны в системе координат носителя,
погрешностей углов качки, курса, скорости звука в воде, погрешностей разности фазы
каждого направления прихода отраженного сигнала, частоты зондирующего сигнала,
погрешности длины базы, погрешности измерения фазы отражённого сигнала при длине
базы L=5λ0 и частоте зондирующего сигнала f0=132 кГц
Полученная модель погрешностей может быть использована для оценки погрешности
глубины и её координат при съемке батиметрического поля с помощью
интерферометрического гидролокатора бокового обзора.
Литература
1. Теоретические основы создания панорамных гидроакустических систем / А.И.Гончар, О.С.Голод,
Ю.А.Клочан, Л.И.Шлычек / Под ред. А.И.Гончара. – Запорожье: НТЦ ПАС НАН Украины, 1998. -
294 с.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-19121 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1815-8277 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-28T10:02:20Z |
| publishDate | 2005 |
| publisher | Науково-технічний центр панорамних акустичних систем НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Голод, О.С. Гончар, А.И. Зубченко, Э.С. 2011-04-20T11:10:28Z 2011-04-20T11:10:28Z 2005 Модель погрешности съемки батиметрического поля с помощью интерферометрического гидролокатора бокового обзора / О.С. Голод, А.И. Гончар, Э.С. Зубченко // Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану): Зб. наук. пр. — Запоріжжя: НТЦ ПАС НАН України, 2005. — № 2. — С. 70-77. — Бібліогр.: 1 назв. — рос. 1815-8277 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/19121 528.475 Представлен вариант построения модели погрешности измеряемых глубин и их координат методом широкополосной съёмки для картографирования рельефа дна с помощью интерферометрических гидролокаторов бокового обзора. Надано варіант побудови моделі погрішності глибин та їх координат, що вимірюється методом широкосмугової зйомки для картографування рельєфу дна за допомогою інтерферометричних гідролокаторів бокового огляду. The variant of inaccuracy model construction of measurable depths and their coordinates with broadband shooting for bottom relief mapping using interferometric side scan sonars is shown. ru Науково-технічний центр панорамних акустичних систем НАН України Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану) Модель погрешности съемки батиметрического поля с помощью интерферометрического гидролокатора бокового обзора Модель погрішності зйомки батиметричного поля за допомогою інтерферометричного гідролокатора бокового огляду Article published earlier |
| spellingShingle | Модель погрешности съемки батиметрического поля с помощью интерферометрического гидролокатора бокового обзора Голод, О.С. Гончар, А.И. Зубченко, Э.С. |
| title | Модель погрешности съемки батиметрического поля с помощью интерферометрического гидролокатора бокового обзора |
| title_alt | Модель погрішності зйомки батиметричного поля за допомогою інтерферометричного гідролокатора бокового огляду |
| title_full | Модель погрешности съемки батиметрического поля с помощью интерферометрического гидролокатора бокового обзора |
| title_fullStr | Модель погрешности съемки батиметрического поля с помощью интерферометрического гидролокатора бокового обзора |
| title_full_unstemmed | Модель погрешности съемки батиметрического поля с помощью интерферометрического гидролокатора бокового обзора |
| title_short | Модель погрешности съемки батиметрического поля с помощью интерферометрического гидролокатора бокового обзора |
| title_sort | модель погрешности съемки батиметрического поля с помощью интерферометрического гидролокатора бокового обзора |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/19121 |
| work_keys_str_mv | AT golodos modelʹpogrešnostisʺemkibatimetričeskogopolâspomoŝʹûinterferometričeskogogidrolokatorabokovogoobzora AT gončarai modelʹpogrešnostisʺemkibatimetričeskogopolâspomoŝʹûinterferometričeskogogidrolokatorabokovogoobzora AT zubčenkoés modelʹpogrešnostisʺemkibatimetričeskogopolâspomoŝʹûinterferometričeskogogidrolokatorabokovogoobzora AT golodos modelʹpogríšnostíziomkibatimetričnogopolâzadopomogoûínterferometričnogogídrolokatorabokovogooglâdu AT gončarai modelʹpogríšnostíziomkibatimetričnogopolâzadopomogoûínterferometričnogogídrolokatorabokovogooglâdu AT zubčenkoés modelʹpogríšnostíziomkibatimetričnogopolâzadopomogoûínterferometričnogogídrolokatorabokovogooglâdu |