Simrad EM多波束声纳系统回波强度数据的分析与应用

金绍华，翟京生，刘雁春，崔高嵩，肖付民

(1．海军大连舰艇学院 海洋测绘与科学系，辽宁 大连 116018；2.海军海洋测绘研究所，天津 300061)

Simrad EM多波束声纳系统回波强度数据的分析与应用

金绍华1，翟京生2，刘雁春1，崔高嵩1，肖付民1

(1．海军大连舰艇学院 海洋测绘与科学系，辽宁 大连 116018；2.海军海洋测绘研究所，天津 300061)

首先分析了Simrad EM多波束声纳系统回波强度数据获取时系统进行的增益处理，分别探讨了深度数据包和海底图像数据包中回波强度数据的表征内容及意义，研究了不同数据包中回波强度数据的记录方式、特点及应用范围，为多波束水下目标识别和海底底质分类研究提供准确、表述清晰的基础数据。

多波束声纳系统；回波强度；时间变化增益；声纳图像

多波束声纳系统作为一项全新的海底地形精密探测技术，由于它能全覆盖、快速、高精度地获取海底的深度信息，已成为海底水深测量的主要技术手段。多波束声纳系统在测深的同时，也记录了回波强度数据，该数据不但可用于分析和解释海底地貌，如果被合理归算，也可用于海底底质分类和水下目标识别方面的研究。

影响多波束回波强度的因素较多，因为它不仅仅依赖于海底的物理特性，还受测量结构（发射距离和角度），海水的特性（吸收、折射）和声纳系统本身参数（阵列指向性模式，接收处理）等因素的影响。为了得到有意义的回波强度数据，多波束声纳系统在数据获取时通常进行增益处理，不同的声纳系统其增益的函数模型是不同的，致使记录的回波强度表征的意义不同。为了正确地利用多波束记录的回波强度数据，首先要给出增益函数模型的清晰定义，然而，大多数多波束声纳系统的技术说明书对增益处理的表述并不明确。另外，一些多波束声纳系统，它的深度数据包（Depth Datagram）和海底图像数据包（Seabed Image Datagram）中都记录回波强度数据，两者的特点及应用范围也是需考虑的问题。基于此，本文以Simrad EM系列多波束声纳系统为例，详细探讨了系统的增益处理过程及回波强度数据表征的内容，读取深度数据包和图像数据包中的回波强度数据，分析数据的特点及应用范围。为多波束水下目标识别和海底底质分类研究提供准确、表述清晰的基础数据。

1 回波强度数据分析

1.1 多波束声纳方程

多波束声纳系统测量的回波信号级（EL）用声纳方程表示为：

式中：SL为声波的发射声源级（Source Level），由发射换能器的指向性指数DIT(Directivity Index)调制而成；TL为传播过程中产生的能量损失（Transmission Loss），简化模型为TL=20log R+αR，R为声波传播的距离，α（dB/km）为声波在海水中的平均吸收系数，它是声纳频率和传播介质特性（温度，盐度，深度和pH）的函数[7]；BS为目标产生的反向散射或反射信号的强度(Backscatter Strength)，它不但取决于海底的特性，而且依赖于声波在海底瞬时的反向散射面积A[8]，用公式表达为：

式中：BSB为单位面积海底反向散射强度，它是海底类型和入射角θ的函数，当 θ≈0°时，BSB通常近似为一常数（BSn）；当 θ≥25°时，有研究结果表明[9]，海底固有反向散射强度随入射角的变化服从 Lambert法则；当 0＜θ＜25°时，海底固有散射强度随入射角做线性变化：

SH为接收阵列的灵敏度；PG为接收系统的处理增益，包括固定增益FG （Fixed Gain）和时间变化增益TVG（Time Varied Gain）两部分；对于不同的声纳系统，接收处理增益是不同的，为了说明Simrad EM多波束声纳系统记录的回波强度表征的意义，首先分析系统的接收处理增益。

1.2 接收处理增益

由于多波束声纳系统接收回波强度的动态范围是有限的，为了避免回波信号过载或淹没于噪声中，在数据获取时，运行TVG放大回波信号。TVG的设计首先要使平均信号级在接收器中处于最适宜的量级以能满足海底反射率的随机变化；另外，为了利于海底探测和显示海底的图像（主要关注海底反射率的对比度），TVG应具有变平波束取样振幅的功能。Simrad EM多波束声纳系统的具体实施过程如下：

（1）基于前面的pings，估计波束垂直入射时的海底反向散射强度BSn和斜入射时的反向散射强度BS0；

（2）设置固定增益，使回波信号级在接收器内有最大的动态范围；

（3） 基于模型（1），（2），（3）改正传播损失（2TL），瞬时反向散射面积A（10 log A）和入射角θ对回波强度的影响。

经过上述处理后，系统记录的回波强度基本反应斜入射时海底反向散射强度BS0的变化，实际上，固定增益并不能完全消除声源级和接收灵敏度的影响，但由于它是一常量，不影响声纳图像反应BS0的变化规律，因此可将多波束记录的回波强度视为海底反向散射强度，该数据存储于海底图像数据包中。深度数据包中的回波强度数据没有经过模型（3）的改正，它反映的是BSB随入射角的变化。

2 回波强度记录方式及特点

2.1 深度数据包回波强度的记录方式及特点

多波束系统在进行回波强度采样时，测量对象仍是海底波束脚印。对于深度测量，探测的是代表波束脚印中心处的平均往返时间或相位的变化，而对于声纳图像，探测的是一个回波强度的时序观测量，对于深度数据包中的回波强度数据，每一个波束只选取该时序强度的最大值或平均值作为该波束的回波强度值（图1）。

图1 深度数据包回波强度的记录方式

由于同时记录了一个波束脚印的几何信息和强度信息，可以用其几何信息（入射角、往返时间）去除海底地形对回波强度的影响，得到只反映海底底质特征的回波强度信息。但在处理中，将每一个波束探测的时间序列强度取为一个值，可能丢掉有用的空间信息。另外，每一波束只记录一个回波强度值，在边缘波束，其空间分辨率较低，不利于显示海底的细节信息。当海底平坦，水深15 m，波束角为2°×2°的多波束在航迹方向和航迹正横方向上空间分辨率的变化如图2所示。当波束角为75°时，航迹正横方向的分辨率为7 m。

图2 波束脚印空间分辨率的变化

2.3 声纳图像数据包中回波强度的记录方式及特点

对于声纳图像数据包，采用一定的时间间隔τs采样每一个波束的回波强度时序观测值（图3）。由于海底地形和波束角的影响，在每一波束记录的采样数是不等的。

采样后数据的存储信息的主要内容如表1所示：

图3 每一波束记录多个回波强度值

表1 Simrad EM系列多波束Seabed Image数据包回波强度数据的记录描述

这种回波记录方式不但将每一波束的回波强度信息和海底地形剖面对应起来，容易进行地形改正，而且由于波束采样点的增加，提高了海底的空间分辨率。因此，通常我们对回波强度数据的应用都是基于该数据。

3 多波束回波强度数据的应用

由于海底界面的不平整性及海底物理特性空间变化的不规则性，海底的散射是一个随机的过程。对海底声学散射的研究，主要有两个方面：（1）从能量的观点出发探索海底平均反向散射强度的变化规律；（2）采用随机过程的数学方法研究散射强度的统计特性，如分布函数、相关特性和能量谱等。基于这两项研究，多波束回波强度数据的应用体现为：一是分析区域平均反向散射强度随入射角的变化曲线；二是基于声纳图像分析反向散射强度的统计特性。

3.1 平均反向散射强度随入射角的变化曲线

深度数据包中的回波强度数据反应BSB随入射角的变化，可用于生成反向散射强度随入射角的变化曲线。由于每一个波束瞬时接收强度的随机特性，遵从长尾的Rayleigh分布[4]，必须在一段有限的时间区域内计算多ping回波强度的平均值以得到回波强度的有效估值。图4为青岛胶州湾Simrad EM3000多波束声纳系统深度数据包中记录的回波强度数据在不同底质类型区域得到的平均反向散射强度随入射角的变化曲线，分析曲线的变化规律，可用于海底底质分类。

图4 不同底质类型区域平均反向散射强度随入射角的变化曲线

3.2 声纳图像的形成

Seabed Image数据包的回波强度数据，由于其表示BS0的变化规律，且分辨率高，可用于生成声纳图像。假设每ping由N个象素点表示，刈幅宽度为W，则每个像素表征的横向距离通常，为了保证声纳图像的连续性，相邻ping之间的dg之差最好不超过5%。dg确定后，对像素点周围dg内的所有波束采样点值取平均，得到该像素点的回波强度值，如图5所示。如果像素点周围没有回波强度采样点值，我们采用线性内插法计算该像素点的回波强度值。

图5 像素点的横向坐标和回波强度值

经过处理后，只需记录像素点表征的横向距离dg，像素点数N和从左到右排列的回波强度值，就可以确定每个像素点的横向坐标yp，建立坐标与回波强度的关系并生成声纳图像图6，声纳图像不但可用于分析和解释海底地貌、也可用于水下目标探测识别和海底底质分类。

图6 声纳图像

4 结论

（1）Simrad EM多波束声纳系统深度数据包中的回波强度数据表征的是BSB随入射角的变化信息，且每一个波束提供一个回波强度值，该数据可用于生成平均反向散射强度随入射角的变化曲线，在曲线上提取特征参数，可用于海底底质分类方面的研究。

（2）Seabed Image数据包中回波强度数据表征的是不同区域BSO的变化信息，由于每个波束记录了多个回波强度值（分辨率高），可用于生成声纳图像；声纳图像在分析解释海底地貌，海底目标探测及海底底质分类中都得到广泛应用。

（3）正确理解回波强度表征的内容后，为了应用反向散射强度随入射角变化曲线或声纳图像进行海底底质分类方面的研究，对回波强度数据还应进行声线弯曲改正、海底地形改正以及声纳图像的归一化处理等内容。

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Abstract：Simrad EM multibeam sonar systems have echo intensity as part of their data output.The systematic gain in collecting these data is analyzed.The content and significance of echo intensity showed by depth datagram and sonar image datagram are respectively explored.The recording pattern,characteristic and applied scope are studied at last.The founding will provide exact and clear basic data in underwater target identification and seafloor classification by multibeam sonar systems.

Key words：multibeam sonar system;echo intensity;time variable gain;sonar image

Analysis and Application of Echo Intensity Data in Simrad EM Multibeam Sonar System

JIN Shao-hua1,ZHAI Jing-sheng2,LIU Yan-chun1,CUI Gao-song1,XIAO Fu-min1
（1.Dept of Hydrography Cartography,Dalian Navy Academy,Dalian Liaoning 116018,China;2.Tianjin Institute of Hydrographic Surveying and Charting,Tianjin 300061,China）

TB565

A

1003-2029（2011）01-0048-04

2010-07-06

国家自然科学基金资助项目（40871207）

金绍华（1978-），男，辽宁大连人，讲师，博士生，现主要从事多波束数据处理及应用研究。