复杂地形条件下基于声学定位的水下检波点高程获取方法

２０１６年２月　物　探　装　备　第２６卷第１期　·ＧＰＳ技术·　复杂地形条件下基于声学定位的　水下检波点高程获取方法　

何雪梅　秦学彬　王洪杰　张卓彤。　（１．中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东青岛２６６５８０；２．东方地球物理公司；３．中国地质大学（北京））　

何雪梅，秦学彬，王洪杰，张卓彤．复杂地形条件下基于声学定位的水下检波点高程获取方法．物探装备，２０１６，２６　（１）：５２—５６　

摘要　随着海上高精度地震勘探的发展，对水下检波点的高程精度的要求也越来越高。本文主要介绍了采用声学　定位方法获取水下检波点高程的原理和算法，并通过实例验证其精度，给出了该方法的作业参数。　关键词　声学定位　稳健估计选权迭代法　

Ｈｅ　Ｘｕｅｍｅｉ，Ｑｉｎ　Ｘｕｅｂｉｎ，Ｗａｎｇ　Ｈｏｎｇｊｉｅ　ａｎｄ　Ｚｈａｎｇ　Ｚｈｕｏｔｏｎｇ．Ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｆｏｒ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｌｅｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｃｅｉｖｅ　ｐｏｉｎｔ　ｕｓｉｎｇ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｎ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ａｒｅａｓ．ＥＧＰ，２０１６，２６（１）：５２－５６　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｏｆｆｓｈｏｒｅ　ｈｉｇｈ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｈｅｉｇｈｔ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ｒｅｃｅｉｖｅ　ｐｏｉｎｔｓ　ａｒｅ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ　ｈｉｇｈ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｍａｉｎｌｙ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｆｏｒ　ｄｅｔｅｒ—　ｍｉｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｌｅｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｃｅｉｖｅ　ｐｏｉｎｔ　ｕｓｉｎｇ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ，ｉｔｓ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｉｓ　ｖｅｒｉｆｉｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ，ｒｏｂｕｓｔ　ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ，ｉｔｅｒａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗｉｔｈ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｗｅｉｇｈｔｓ　

０　引言　在河流、湖泊或海上地震勘探过程中，一般采用　测量水深结合验潮得到水下检波点高程。在水下地　形比较平坦的情况下，该方法精度能够满足地震勘　探的需求，如渤海湾地区海底比较平坦，在该地区的　地震勘探项目中全部采用该方法。在起伏较大、陡　度较大的水下地形条件下，海底电缆或节点设备在　下沉过程中，由于风浪、潮流的影响会发生漂移，与　理论位置有一定的偏移，其高程也会发生一定的变　化，采用该方法获得的检波点的高程是理论位置的　高程，精度较低，如南海、红海等地区，海底起伏很　大，由潮流引起的点位偏移也很大，如何获得高精度　的检波点高程是一个亟待解决的问题。　在每个检波点上捆绑一个声学应答器，采用声　学定位的方法，既可以获取水下检波点的平面位置，　也可以获取高精度的高程。本文就如何在复杂地形　条件下，基于声学定位的水下检波点高程获取方法　进行了介绍。　１声学定位系统组成及工作原理　１．１声学定位系统组成　声学定位系统主要由ＧＰＳ接收机、计算机（定　位软件）、主控机、换能器和应答器等组成　。图１　所示为声学定位系统组成示意图。　

定　位　控　制　

吉　波　传　输　时　间　

图１　声学定位系统组成示意图　＊何雪梅，女，１９７０年出生，高级工程师。１９９２年毕业于北京科技大学计算技术及应用专业，现主要从事测量技术的研究工作。　第２６卷　第１期　何雪梅等：复杂地形条件下基于声学定位的水下检波点高程获取方法　５３　（１）ＧＰＳ接收机提供位置信息，用于计算换能　器的位置。　（２）定位软件主要用于设置坐标系统、定位设　备等参数，采集ＧＰＳ位置数据和声学定位数据，应　答器位置的实时解算、显示以及标准数据的存储。　（３）主控机接收定位软件的参数设置，调整信　号发射功率和接收增益，通过换能器与应答器进行　水声通讯，将声波传输的时间上传给定位软件。　（４）换能器将声信号发送给应答器，并接收应　答器回应的声信号，将声信号转换成电信号送回主　控机。　（５）应答器具有唯一的组号和ＩＤ号，跟检波器　一起布设在水底，处于监听状态，当应答器检测出呼　叫自己的声信号时，发出相应的回应信号。　１．２声学定位原理　换能器发送声波至海底，位于海底的应答器被　唤醒后返回一个声波信号。利用声波在海水中的传　播时间和声速，求得换能器至应答器的距离。如图　２所示，船在行进过程中的不同时刻发送声波至应　海面　ｔ　，ｔ　，…，ｔ　分别为相对应的换能器至应答器之　间的声波传输时间；　Ｃ为声音在水中的传播速度。　

２声学定位数据处理　２．１　定位模型　设（－ｚ。，Ｙ。，ｚ。）为水下待求的应答器的概略坐　标，换能器至应答器的计算距离为Ｓ　，观测距离为　

，则：　

Ｓ　一￣／（ｚ０—５６　）　＋（　ｏ—Ｙ　）　＋（　０一　）　（２）　ｒ　＝：＝ｃｔ　（３）　设７２为观测值改正数，　为应答器位置改正数，　则误差方程为：　７２一Ｂ３一Ｚ　（４）　式中：　

ＶＩ　换能器　ｖ２　Ｔ换能器　■换能器　Ｂ—　

应答器　图２声学定位示意图　

答器可获得多个距离，利用至少３个以上距离观测　值，并结合船载ＧＰＳ位置数据和船姿数据，通过稳　健估计的方法求出海底应答器的坐标　。　稳健估计法：　

ｆ（　１一ｚ）。＋（　１～　）。＋（　ｌ—　）　一（ｃｔ１）　ｌ（ｚ２一　）　＋（　２～　）　＋（ｚ２一　）　一（ｃｔ　２）　］　ｉ　【（

ｚ　一ｚ）　＋（　一　）。＋（　一　）。一（ｃ　）　（１）　式中：　（ｚ１，Ｙｌ，２；１），（　２，Ｙ２，ｚ２），…，（　，Ｙ　，　）分另０为　，Ｖ　，…，　处换能器的坐标；　

法方程为：　Ｂ　ＰＢ３一Ｂ　Ｐｌ一０　（５）　式中：Ｐ为观测值的权；　Ｔ表示矩阵的转置。　解法方程可得应答器位置的改正数　、各观测　值的改正数　和单位权中误差　。：　

一（Ｂ　ＰＢ）　Ｂ　Ｐｌ　（６）　

（７）　式中：　为观测总数。　由　确定各观测权函数，用解算的位置替代初　始位置，再解算法方程，类似迭代计算，直至前、后两　次解的差符合限差为止，得到最后结果。　

弘ｌｕ一～；一一～～；　一　一　一　ｎ　５４　物　探　装　备　２．２选权方法　稳健估计思想是将存在粗差的观测值对估计结　果的影响降到极其微弱。数据处理采用选权迭代　法，根据逐次迭代平差的结果来不断地改变观测值　的权，最终使含有粗差的观测值的权趋于０，从而达　到削弱其影响的目的　。常用的选权迭代法主要有　最小二乘法、绝对和极小法、Ｈｕｂｅｒ法、一次范数最　小法和ＩＧＧ等。　（１）最小二乘法　

Ｐ一１　（２）绝对和极小法　

Ｐ＝　（３）Ｈｕｂｅｒ法　ｆ　１　ｌ　ｌ　２　Ｐ＝１　＞２　ｌ　ｌ　ｌ　。　。　

（４）一次范数最小法　ｐ．＿　１　Ｊ　ｌ＋０．００００１　

（５）ＩＧＧ法　ｆ　１　Ｉ　ｌ　１．５ａ。　Ｐ：｛　＜　２．５ａｏ　

【０　ｌ　Ｊ＞２．５ａ。　将某水库的声学定位数据分别采用以上５种选　权迭代法进行数据处理。表１为不同选权迭代法数　据处理结果质量比较。　从表１的处理结果可以看出，绝对和极小法与　

一次范数最小法虽然迭代次数比较高，但其解算结　果的内符合精度明显优于其它３种选权迭代法，故　可采用绝对和极小法或一次范数最小法来进行数据　处理。　２．３　作业参数　与ＧＰＳ定位一样，换能器位置与应答器组成的　

表１不同选权迭代法数据处理结果质量比较　北坐标Ｘ　Ｘ方向的标　东坐标ｙ　ｙ方向的标　标准差Ｓ　迭代　应答器　选权迭代法　（ｍ）　准差Ｏ＂ｘ（ｍ）　（ｍ）　准差　（ｍ）　（ｍ）　次数　

３４２６６９２．７　Ｏ．６１　６０２６０５．８　１．Ｏ３　１．２Ｏ　５　最小二乘法　３４２６６９２．９　Ｏ．Ｏ２　６０２６０６．３　０．０７　Ｏ．Ｏ７　４５　绝对和极小法　１—１　３４２６６９２．７　Ｏ．５５　６Ｏ２６Ｏ６．Ｏ　Ｏ．９７　１．１２　８　Ｈｕｂｅｒ　３４２６６９２．９　０．０３　６Ｏ２６Ｏ６．３　０．０９　０．０９　４４　一次范数最小法　３４２６６９２．７　０．４８　６０２６Ｏ５．６　Ｏ＿８７　Ｏ．９９　１１　ＩＧＧ法　３４２６７２９．４　Ｏ．４７　６０２６０６．８　１．１６　１．２５　４　最小二乘法　３４２６７２９．４　０．Ｏ２　６０２６０７．３　Ｏ．Ｏ７　Ｏ．Ｏ７　３３　绝对和极小法　１—２　３４２６７２９．４　Ｏ．４４　６Ｏ２６０６．９　１．Ｏ９　１．１７　５　Ｈｕｂｅｒ　３４２６７２９．４　Ｏ．Ｏ２　６Ｏ２６０７．３　０．０７　０．０７　３１　一次范数最小法　３４２６７２９．４　Ｏ．４２　６０２６０７．１　１．０４　１．１２　８　ＩＧＧ法　

几何图形对结果影响很大，一般要求换能器高度角　应大于１０。，采集点应均匀分布在应答器两侧，定位　时定位船应沿与理论测线横偏小于水深３．５倍距离　的航线进行双边观测。　当在有潮位变化的水域作业时，应当对潮位进　行验潮，数据处理时应依据潮位对换能器的　进　行修正。　３检波点高程计算　采用潮汐表、验潮仪、ＧＰＳ　ＲＴＫ、ＧＰＳ　ＰＰＰ等　验潮方法获取潮位，根据声学定位的时间和潮汐值　得到定位时的水面高程ｈ，减去水深Ｈ即为该检波　点的高程。图３所示为检波点高程计算示意图。