基于XTF格式的側掃聲納數據解碼及可視化

郭　軍，馬金鳳，王愛學

(1.國土資源部海底礦產資源重點實驗室，廣東 廣州 510760；2.廣州海洋地質調查局，廣東 廣州 510760;3.武漢大學 測繪學院，湖北 武漢 430079;4.武漢大學 海洋測繪研究中心，湖北 武漢 430079)

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基于XTF格式的側掃聲納數據解碼及可視化

郭軍1,2，馬金鳳1,2，王愛學3,4

(1.國土資源部海底礦產資源重點實驗室，廣東 廣州 510760；2.廣州海洋地質調查局，廣東 廣州 510760;3.武漢大學 測繪學院，湖北 武漢 430079;4.武漢大學 海洋測繪研究中心，湖北 武漢 430079)

從側掃聲納原理出發，深入研究XTF格式的側掃聲納數據結構，對其進行自動解碼，提取各種統計參數及聲納回波強度信息，編程自動生成側掃聲納瀑布圖，實現側掃聲納數據可視化。以南海某海域實測XTF格式側掃聲納數據為例，進行解碼和可視化，實驗結果表明形成的側掃聲納圖像完全滿足海洋地質調查需求，對識別海底微地形地貌提供精確可靠的依據。

側掃聲納系統；XTF格式；解碼；可視化；瀑布圖

側掃聲納系統具有海底全覆蓋、分辨率高、效率高、精度高及海底微地形地貌直接成像的特點，其獲取的聲納圖像是海底地形地貌的一種真實客觀地反映，聲納圖像上呈現出的紋理及幾何結構是海底不同類型底質的直觀反映[1-6]。基于以上優勢，側掃聲納系統被廣泛應用于海底區域地質調查項目中，為底質識別和海洋油氣資源的探測提供可靠的基礎數據。

近年來，隨著廣州海洋地質調查局區域調查項目和大洋科考項目的開展，獲得越來越多XTF格式的側掃聲納數據，包括淺水數據和深海數據。目前，對側掃聲納數據的讀取主要依靠專業的商業軟件，如Triton Perspective軟件，SonarWeb軟件，SonarWizMap軟件等，但由于軟件的核心算法多涉及商業機密且軟件側重的功能不同，缺乏側掃聲納數據統計參數提取功能，造成無法精確提取整個工區側掃聲納的作業長度、覆蓋面積、測線的起始時間、起始經緯度等參數，不能滿足海洋地質調查的需求。為此，本文以南海某海域實測XTF格式側掃聲納數據為例，從側掃聲納原理出發，深入研究XTF格式的側掃聲納數據結構，對其進行解碼及可視化研究，提取相關統計參數并生成側掃聲納瀑布圖。

1　聲納成圖機理

側掃聲納原理：換能器發射聲脈沖，以球面波的方式傳播到物體后按原路徑反向散射至換能器，形成PING數據[7-8]。PING數據接收的是一條反映海底底質特性的像素序列，每一個像素反映的是其對應的聲強值。隨著船體的運動，側掃聲納不斷地向海底垂直發射波束并記錄回波，將采集的PING回波按測量的先后順序堆疊在一起即可形成原始的側掃聲納瀑布圖[9-11]。最后將PING的回波強度量化至灰度級上，便可形成側掃聲納灰度圖像。圖1為典型的側掃聲納瀑布圖。

側掃聲納瀑布圖由4部分組成：①零位線：換能器發射聲脈沖信號直接在顯示器上的記錄，同時也是拖魚航行的軌跡。②海底線：由每一行的第一個海底回波組成的強回波線，是水柱和海底回波圖像之間的明顯界限。③掃描線：聲納瀑布圖像的主要組成部分，為PING回波序列量化至灰度級上形成的單行序列圖像。④海面線：反映聲納的入水深度。

2　Edge Tech 4 200 MP

圖2　Edge Tech 4 200 MP側掃聲納測量系統

Edge Tech 4 200 MP是由美國生產的一款側掃聲納系統(見圖2)，該系統采用全頻譜chirp技術，其技術優勢為可獲得寬頻帶、高能量發射脈沖和高分辨率、高信噪比的回聲數據[12]，主要技術指標如表1所示。

表1　Edge Tech 4 200 MP主要技術指標

3　數據來源

試驗數據來源于廣州海洋地質調查局在南海某海域采集的XTF格式側掃聲納數據。聲納系統為Edge Tech 4 200 MP，數據采集為Edge Tech Discover軟件，單邊量程為200 m，作業時采用雙頻作業模式，即同時打開122 kHz和400 kHz作業，船速保持為5節左右，主測線按垂直構造布設，為NE-SE走向，聯絡測線垂直于主測線，為NW-SE走向，測線間距為5 km。定位系統為Trimble SPS351 DGPS導航定位儀，導航系統選用SDE-28S測深儀自由行。圖3為調查船只設備安裝位置示意圖。

調查海域位于南海近海，水深范圍大約0～90 m，已有的歷史調查資料顯示：該海域海底底質比較復雜，主要為泥砂、淤泥、兼有少量的沙礫、基巖等。

圖3　設備安裝位置示意

野外作業時，受數據采集軟件的限制，一條測線由若干個XTF格式文件組成，每一個XTF格式文件大小設置為300 MB左右，長度約4 km。

4　 XFT格式數據

XTF(Xtended Triton Format)是由美國Triton公司編制的一種用來存儲多種數據類型的二進制數據格式，其具有很強的伸縮性和可擴展性，可保存聲納、航行、遙測、測深等多種類型的信息，且不同類型信息的存儲并不互相影響。

每一個XTF文件都以一個文件頭記錄開始，緊跟其后為一個或者多個數據包，文件頭數據存儲在XTFFILEHEADER結構中，見圖4。每一個XTFFILEHEADER結構包含6個通道信息，通道信息存儲在CHANINFO結構中。

CHANINFO結構與文件結尾之間存儲著數據包，每一個數據包包含一個hand結構，主要有4種類型的數據包：聲納、測深、姿態及注釋。

圖4　XTF文件結構

5　XFT格式解碼及軟件編程實現

解碼時首先讀取頭部說明部分，依據頭部說明中的文件格式來判斷是否為XFT格式。編程讀取PING數據時采用循環結構，首先計算總的PING數，采用指針循環讀取每一個PING信息。根據采樣點個數NumSamples乘以采樣精度BytesPerSample計算出采樣數據的字節數，并以此讀取采樣數據。最終將每一個PING的數據完全解編，轉成明碼文件，寫到文本文件中，提供后續的參數統計計算及數據可視化。

本文采用MATLAB平臺，編程實現了XTF格式側掃聲納數據的解碼，程序界面如圖5和圖6所示。程序主要由文件、數據處理、航跡信息、質量評價、可視化5個模塊組成。數據處理包含單條測線解碼和多條測線解碼，獲得參數有：文件名、采樣設備、記錄程序、采樣間隔、采樣點個數、總PING數、測線長度、斜距量程、覆蓋面積等等。

圖5　軟件界面

圖6　測線解碼

6　瀑布圖顯示

對解碼提取的左右舷回波分別進行處理，按采樣順序橫向排列每一個回波得到一個PING數據，再將PING數據按照測量順序縱向堆疊，便可以得到二維的回波數組，數組的每一個元素線性量化至[0,255]之間，從而形成圖像數組，最后添加相應的圖像頭文件結構，即可形成側掃聲納的瀑布圖像文件。

表2為南海某海域實測XTF文件提取的數據包信息，據此計算Edge tech側掃聲納的橫向分辨率和縱向分辨率分別為1.7 cm和79 cm。

表2　實測XTF文件中提取的聲納數據包信息

從計算結果可以看出，橫向分辨率非常高，達到了厘米級，縱向分辨率相對較低，達到了79 cm(縱向分辨率與野外采集時船速有關)，盡管橫向分辨率和縱向分辨率的尺度不一樣，但其成圖效果足以滿足海洋地質調查的需求。圖7～圖9展示了軟件編程實現的側掃聲納圖像，可以看出沙波沙脊形態可辨，走向清晰，海底管線輪廓及走向格外明朗。經過計算獲得，圖7中沙波條紋寬度約4 m，高約1.3 m，圖8中沙脊寬約21 m，圖9中的海底管線寬約8 m。

圖7　沙波

圖8　沙脊

圖9　海底管線

瀑布圖中呈現出各種地形地貌，尤其是沙坡和沙脊，紋理結構清晰，輪廓明朗，連續性和分辨率較高，適用于大規模大范圍的海底地貌研究和海底目標物探測及標定，完全滿足地質調查的需求。

7　結束語

本文深入研究XTF格式側掃聲納原始數據結構，對XTF格式進行解碼，提取各種統計參數和聲納的回波強度信息，基于matlab平臺實現回波強度的可視化編程，取得理想的效果。實驗驗證上述實施過程和技術方法的正確性。

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[責任編輯：李銘娜]

Decode and visualization of side-scan sonar data based on extended triton format

GUO Jun1,2,MA Jinfeng1,2,WANG Aixue3,4

(1.Key Laboratory of Marine Mineral Resources，Ministry of Land and Resources, Guangzhou 510760，China；2.Guangzhou Marine Geological Survey,Guangzhou 510760，China；3.School of Geodesy and Geomatics，Wuhan University，Wuhan 430079，China；4.Marine Surveying and Mapping Research Center，Wuhan University，Wuhan 430079，China)

This paper presents in detail the data structure of the XTF format of side-scan sonar, realizes decode automatically, then extractes the statistics parameters and the echo intensity advantages，finally achieves the waterfall image of side-scan sonar and visualization of side-scan sonar data form the south china sea. The result shows the side-scan sonar image can meet the needs of marine geological survey and provide an accurate and reliable basis for submarine microgeomorphology recognition.

side-scan sonar；extended triton format；decode；visualization；waterfall image

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.11.010

2016-02-16

國家專項工作資助項目(GZH201100312-01);國土資源部海底礦產資源重點實驗室開放基金(1212011220117)

郭軍(1984-)，男，工程師，碩士.

TP391.41

A

1006-7949(2016)11-0050-04