多波束声纳图像整体灰度不均匀及中央波束区反射异常校正方法①

张会娟，阳凡林，李 峰，董春敏

（1.山东科技大学 测绘学院，山东 青岛266590；2.山东省青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛266033）

0 引 言

多波束声纳系统在测深的同时也获得了反向散射数据，反向散射数据在分析和解释海底地貌中扮演着十分重要的角色［1]，可利用其反演海底底质特性。海底声散射问题虽然在近40年中得到了广泛的研究和发展，但由于海底环境非常复杂，尤其在近海，沉积物类型变化复杂，使得声散射问题远未得到解决。近年来，随着人类对海底世界的认识和相关技术的研究，国内外许多学者尝试将多波束系统应用到海底目标的探测和分类，并取得了一定的成果［2－3]。

国外多波束技术起步较早的国家已在这一领域取得了很多重要成果，建立和发展了多波束数据处理理论［4－9]。加拿大的 Edouard Kammerer通过对声速剖面模型两水层之间界面上的反射系数的研究，减弱了声纳图像中的反射假象。加拿大New Brunswick大学的海洋测绘研究小组进行了较多的研究，其中Llewellyn深入研究了声纳的波束方向性与反向散射强度残留误差之间的关系；Beaudoin开发了软件对入射角和中央波束区的镜面反射进行了改正等。

国内，文献［10]采用两种方法对多波束声纳图像的中央波束区反射信号进行改正：1）在中央波束附近设定一个正负几度的范围，剔除这一区间的反射数据；2）根据波束入射角设定数据点的优先权数值大小，使得中央波束区附近的强度值同周围其它边缘波束的强度值统一起来。通过使用这两种方法可以使得每个波束所代表的强度信息能正确反映海底底质类型特征，削弱反射信号对海底底质分类造成的影响，效果较好。文献［11]总结了在不同入射角条件下多波束声纳波束脚印面积和反向散射强度的计算公式BS0＝0.9953BS0＋lgAE－lgR，使用此公式对中央波束区域的异常数据进行改正，能够基本消除脊状假像现象。但是它只适用于大部分中央波束区域的数据异常改正，仍有部分数据改正效果不理想。

由于国际上对此研究不完善，国内研究起步较晚，在尝试前人研究成果的基础上，综合考虑各种情况，分析了多波束声纳图像灰度整体不均匀的各种因素，采用Reed和Johnson通过计算航向改正系数来改正灰度的不均衡。针对中央波束区的镜面反射区进行了处理：分析了中央波束区的反向散射强度数据异常的产生原因，通过计算每一ping的中央波束区的改正数对中央波束区进行了有效改正。

·

1 整体灰度不均衡的校正方法

同水深数据一样，多波束回波强度数据含有大量的系统误差和异常数据，必须加以改正和滤波。多波束测深系统属于主动声纳系统，将声纳方程简化为

式中：EL为接收换能器上的回声信号的声能级；SL为多波束发射能级；2TL为往返传播损失；BTS为海底目标反向散射强度。

通过上述声纳方程以及图1，得到声传播过程会产生能量衰减。为了补偿因传播、波束指向性及海底底质等变化所引起的信号衰减，得到远近场均匀一致的声纳图像，必须对回波信号进行增益控制，包括时间增益控制、自动增益控制和手动增益控制，使得输出的声图具有最佳的效果。信号返回的强弱包含了海底地形和传播距离的变化信息（丁继胜等，1999）。为了削弱衰减的影响，就必须对衰减引起的信号减弱进行补偿。当水文因素和工作频率不变时，衰减与传播时间（距离）存在着一定的关系，传播距离愈大，强度衰减愈显著。为了消除衰减造成的回波强度损失，多波束系统中对此进行了时间增益补偿（TVG），保证了回波信号的原有水平，从而达到削弱衰减的影响。

图1 声波与介质面的作用

但是经过增益改正后的声图仍然存在灰度不均衡（如图2（a）），原因有几方面：波束束控带来误差；海水和底质对声波的吸收错综复杂，使得模型误差也会造成灰度的不均衡。对于灰度的不均衡，Reed等计算每航向列的平均灰度与整个图像的平均灰度比来完成改正，但是未考虑每航向列的灰度异常和噪声［12]。通过计算每列（航向）的改正系数Cj来改正灰度的不均衡

图2（c）和图2（d）为声纳图像的剖面图，图2（c）是未进行灰度均衡化的剖面图，图2（d）是使用上述方法改正之后的（b）图的剖面图。

2 中央波束区反射信号校正方法

船底垂直正下方的中央波束区附近由于受到镜面反射的影响，多波束换能器接收到的多为反射信号，它主要是由法向入射角和海底直接反射形成的，一般在中央波束正负几度范围内强度较大，表现在海底声像图上为沿船航迹线上的明亮条带［10]。这种条带在一定程度上影响了对多波束声纳影像的判读，所以，要对中央波束区进行改正之后才能进一步进行底质分类。

中央波束区可以通过每一ping数据中每一波束的Xi，Yi坐标与中央波束的X0，Y0坐标的关系以及深度数据H求得，如图3，图4（a）为一条带的回波强度数据的声纳图像的灰度图。可以看到，在灰度图的中央有条亮条纹，即为中央波束区。在这一区域换能器接收到的反射信号不能被当作一般的反向散射强度数据直接用于底质分类研究。

将每一ping的中央波束区的反向散射强度值求算数平均值m1i，再求得非中央波束区的反向散射强度的算数平均值¯m2i，则每一ping的改正数vi为

则对中央波束区的反向散射强度值进行改正为

由此得到的声纳图像为图4（b），图4（c）、（d）分别为进行中央波束改正前和改正后的声纳图像和剖面图。

图4 中央波束区附近数据异常的去除

3 结 论

多波束系统的工作原理使得多波束声纳数据存在较多误差，特别是中央波束区的镜面反射区和整体的灰度不均衡。通过对灰度不均衡的产生原因进行分析，通过计算每航向方向的改正系数进行了有效的改正；对影响多波束中央波束区反向散射强度异常通过计算中央波束区的算数平均值和非中央波束区的算数平均值，进而求得每一ping的中央波束区的改正数，从而对中央波束区反向散射异常数据进行了有效改正。

［1]赵建虎，刘经南.多波束测深及图像数据处理［M].武汉：武汉大学出版社，2008.

［2]阳凡林.多波束水深和图像精细处理方法研究［D].山东科技大学，2007.

［3]金邵华，翟京生，刘雁春，等.Simrad EM多波束反向散射强度数据精处理研究［J].测绘科学，2010，35（2）：106－108.

［4]ERIK H.Backscattering and seabed image reflectivity［S].EM Technical Note，January 7th，2000.

［5]ERIK H.Sound levels from kongsberg multibeams［S].EM Technical Note，September 20，2005.

［6]JOHN E，HUGHES C，KASHKA K，et al.Intercalibrating multi－source，multi－platform backscatter data sets to assist in compiling regional sediment type maps：bay of fundy［C]／／Proceedings of the Canadian Hydrographic Conference and National Surveyors Conference，2008.

［7]KRISTIAN C L.Corrections for beam pattern residuals in back－scatter Imagery from the kongsberg simrad EM300Multi－beam Echo－sounder［D].The University of New Brunswick，2006.

［8]Aluizio Maciel de Oliveira Junior，John E.Hughes Clarke.Recovering wide angular sector multibeam backscatter to facilitate seafloor classification［C]／／United States Hydrographic Conference，May，2007.

［9]OLIVEIRA A M，Clarke J E H .Recovering wide angular sector multibeam backscatter to facilitate seafloor classification［C]／／United States Hydrographic Conference，May，2007.

［10]唐秋华，周兴华，丁继生，等.多波束反向散射强度数据处理研究［J].海洋学报，2006.28（2）：51－55.

［11]王 煜，赵英俊，阳凡林，等.EM300X系列多波束ALL数据格式解析［J].山东科技大学学报，2009，28（5）：16－22.

［12]阳凡林.多波束和侧扫声纳数据融合及其在海底底质分类中的应用［D].武汉：武汉大学，2003.