多波束聲納圖像的補(bǔ)償及其與地形數(shù)據(jù)的融合＊

張 桐 吳繼峰 楊森林 郭江龍 孫文川

（1.中國人民解放軍國防信息學(xué)院 武漢 430033）（2.91916部隊 溫州 325000）（3.海軍大連艦艇學(xué)院海洋測繪系 大連 116018）

1 引言

隨著海洋工程建設(shè)、海底資源開發(fā)以及港口、航道建設(shè)和海底管線路由調(diào)查等各項事業(yè)的發(fā)展，海洋地質(zhì)學(xué)家和海洋工程專家愈來愈要求對海底沉積物的地質(zhì)屬性有全面的了解，而聲學(xué)方法則是對海底進(jìn)行探測的最有效、快捷的手段；另一方面，隨著現(xiàn)代聲吶技術(shù)的發(fā)展，水聲學(xué)家需要知道海底的聲學(xué)特性對聲波在海洋中傳播的影響，海底已成為當(dāng)今水聲學(xué)家們一個重要的研究對象［1］。多波束聲納系統(tǒng)經(jīng)過近幾十年的飛速發(fā)展由于它能快速、高效地對海區(qū)實(shí)現(xiàn)全覆蓋測量，并同時提供高分辨率的海底地形和反響散射強(qiáng)度信息，這使得快速、全面地掌握調(diào)查海區(qū)的底質(zhì)成為可能［2］。

國外具有代表性的兩種海底底質(zhì)分類方法是平均反響散射強(qiáng)度角度距離分析方法和聲納圖像統(tǒng)計分析方法，其中聲納圖像統(tǒng)計分析方法是在多波束聲納圖像的基礎(chǔ)上提取特征參數(shù)，用于主成分分析，再通過聚類分析來進(jìn)行不同底質(zhì)海底的劃分。在提取和海底底質(zhì)有關(guān)的聲納圖像之前，首先要對由原始聲強(qiáng)數(shù)據(jù)生成的聲納圖進(jìn)行“預(yù)處理”，還原因設(shè)備引起的損失信息，消除因地形起伏而引起的反向散射強(qiáng)度（聲納圖像的紋理）的變化，從而得到只反映海底底質(zhì)特性的海底聲強(qiáng)圖。

本文擬采用差值補(bǔ)償法對原始聲強(qiáng)圖進(jìn)行處理，還原聲納采集時損失的信息。首先將聲納圖中的有效信息進(jìn)行提取，再根據(jù)原始有效記錄信息，對原始數(shù)據(jù)的記錄盲區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償（從而減小因波束傾斜和地形起伏而產(chǎn)生的跳變），并在此基礎(chǔ)上根據(jù)Lambert法則進(jìn)行地形改正、瞬時聲照區(qū)面積改正。

2 原始聲強(qiáng)圖存在的信息損失

如圖1所示由于波束的傾斜和地形起伏的共同作用，多波束對聲強(qiáng)的記錄會出現(xiàn)跳變（在垂直航跡方向出現(xiàn)盲區(qū)3－4，5－6），有些區(qū)域由于聲線與地形切線的夾角很小致使返回?fù)Q能器的聲強(qiáng)極其微弱以及不同方向的回波同時到達(dá)換能器，導(dǎo)致某些區(qū)域的回波強(qiáng)度減弱（反映在聲納圖上為無記錄2－3），以上種種原因?qū)е侣晱?qiáng)圖出現(xiàn)無記錄的盲區(qū)（圖2），這些盲區(qū)沒有攜帶海底反向散射強(qiáng)度的信息，即使經(jīng)過地形和聲照區(qū)的改正也反映不出海底底質(zhì)的特性，給利用聲納圖進(jìn)行底質(zhì)分類帶來不便。

圖1 多波束回波數(shù)據(jù)記錄原理圖

圖2 存在盲區(qū)的聲強(qiáng)圖

3 差值補(bǔ)償法

3.1 三次多項式差值

對數(shù)據(jù)集進(jìn)行多項式曲線擬合在CAD、CAM和計算機(jī)圖形系統(tǒng)中有許多應(yīng)用。操作者希望畫出經(jīng)過數(shù)據(jù)點(diǎn)的無誤差光滑曲線。從傳統(tǒng)上講，一般使用曲線板或設(shè)計師的樣條主觀地畫出曲線，只要通過眼睛看是光滑的就可以了。從數(shù)學(xué)角度上分析，在每個區(qū)間［xk，xk＋1］可構(gòu)造一個三次函數(shù)Sk（x），使得分段曲線y＝S（x）和它的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)在更大的區(qū)域間［x0，xN］內(nèi)連續(xù)［3］（如圖3）。

圖3 差值原理圖

3.2 運(yùn)用差值法對聲強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理

取聲納圖中一的500ping繪出其聲強(qiáng)圖（圖4）和二維地形灰度圖（圖5），從圖中可以看出聲納圖中的信息損失是由地形起伏引起的，為了還原損失的聲強(qiáng)信息并保留原始聲強(qiáng)記錄數(shù)據(jù)，將有記錄的有效數(shù)據(jù)提取出來，采用三次多項式差值方法，補(bǔ)償損失信息，削弱記錄數(shù)據(jù)跳變對聲納圖的影響，補(bǔ)償結(jié)果如圖所示（圖6）。

圖4 原始聲強(qiáng)圖

圖5 二維地形灰度圖

圖6 補(bǔ)償結(jié)果圖

4 聲強(qiáng)圖的地形改正

多波束測深系統(tǒng)屬于主動聲吶系統(tǒng)，根據(jù)簡化的聲吶方程［4］：

其中EL為接收換能器上的回聲信號的聲能級；SL為發(fā)射能級；2TL為往返傳播損失；BS為反向散射強(qiáng)度。可以看出，通過對接收到的聲能級加往返傳播損失改正，可以得到海底反向散射強(qiáng)度值（包含聲波入射角、海底粗糙程度、沉積物的聲學(xué)參數(shù)、聲波在水體中的傳播狀況的信息），其反映了海底底質(zhì)類型的特征.通常根據(jù)海底反向散射強(qiáng)度值來劃分海底底質(zhì)類型。

反向散射強(qiáng)度：

其中A表示波束照射區(qū)面積（圖8）可以通過脈沖寬度（τ）、聲速（c）、發(fā)射波束寬度（θt）、接收波束寬度（θr）以及波束的入射角（θ）通過（1式）得出

圖7 聲強(qiáng)圖地形改正原理圖

當(dāng)θ≈0°時，BSb通常近似為一常數(shù)（BSn）；當(dāng)0°＜θ＜25°時，有研究表明，海底固有散射強(qiáng)度隨入射角作線性變化，變化較大；當(dāng)θ＞25°時，海底固有散射強(qiáng)度不但取決于波束的入射角，還依賴于海底底質(zhì)類型特征，其變化服從Lambert法則，由此得出BSb與θ的關(guān)系［5～8］：

將式（3）～式（6）代入式（2）可得：

由于真實(shí)海底地形存在高低起伏（如圖8存在坡面角β），而以上公式只適用于平坦海底，因此在進(jìn)行地形改正的實(shí)際操作中，要考慮地形起伏給入射角帶來的影響［9～10］：

β角的大小可由坡面上的三點(diǎn)求得，取M1（x1，y1，z1）、M2（x2，y2，z2）、M3（x3，y3，z3），則：

圖8 坡面角示意圖

θ′和A′才是考慮了地形起伏后的波束入射角和瞬時聲照區(qū)面積，將其帶入式（7）～式（9）后，對圖6進(jìn)行改正后，結(jié)果如圖9所示。

圖9 改正后的聲納圖像

5 結(jié)語

針對多波束原始聲強(qiáng)數(shù)據(jù)存在記錄盲區(qū)破壞了聲納圖的連續(xù)性這一問題，根據(jù)同一海底底質(zhì)的海區(qū)對聲波的平均反向散射強(qiáng)度隨地形成連續(xù)變化的規(guī)律，提出了差值補(bǔ)償法，還原了生那數(shù)據(jù)采集時的數(shù)據(jù)損失，并在此基礎(chǔ)上考慮了地形因素對聲納圖的影響，對聲納圖進(jìn)行了地形改正（運(yùn)用Lambert法則消除10lgcos2θ項、波束照射區(qū)面積改正消除10lgA項），使聲納圖能更好地反映海底底質(zhì)的信息，為基于聲納圖像的海底底質(zhì)分類提供依據(jù)。

［1］張叔英.地聲學(xué)：一門研究海底的重要學(xué)科［J］.物理學(xué)報，1997，26（5）：280－285.

［2］黃謨濤，翟國君，管錚，等.多波束測深技術(shù)研究進(jìn)展與展望［J］.海洋測繪，2000，20（3）：2－7.

［3］John H.Mathews Kurtis Detal.Fink.Numerical Methods Using MATLAB Fourth Edition［M］.New Jersey：Prentice Hall，2005.

［4］唐秋華，周興華，丁繼勝，等.多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)處理研究［J］.海洋學(xué)報，2006，28（2）：51－55.

［5］金紹華，朱穆華，崔楊，等.多波束聲納圖像的歸一化方法［J］.海洋測繪，2005（2）：216－217.

［6］李登峰.模糊多目標(biāo)多人決策與對策［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2003：76－77.

［7］謝明霞，郭建中，張海波，等.高維數(shù)據(jù)相似性度量方法研究［J］.計算機(jī)工程與科學(xué)，2010（5）：92－96.

［8］賀升平，覃征.一種新的機(jī)動目標(biāo)功能合群算法［J］.微電子學(xué)與計算機(jī)，2006，23（6）：16－19.

［9］王錚，劉高峰.基于證據(jù)理論態(tài)勢估計中的目標(biāo)分組方法［J］.艦船電子工程，2006，26（2）：46－48.

［10］鄧欽，李宗良，白七紅.多目標(biāo)決策與防空威脅判斷［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2007：216－217.