多波束声纳图像的补偿及其与地形数据的融合＊

张 桐 吴继峰 杨森林 郭江龙 孙文川

（1.中国人民解放军国防信息学院 武汉 430033）（2.91916部队 温州 325000）（3.海军大连舰艇学院海洋测绘系 大连 116018）

1 引言

随着海洋工程建设、海底资源开发以及港口、航道建设和海底管线路由调查等各项事业的发展，海洋地质学家和海洋工程专家愈来愈要求对海底沉积物的地质属性有全面的了解，而声学方法则是对海底进行探测的最有效、快捷的手段；另一方面，随着现代声呐技术的发展，水声学家需要知道海底的声学特性对声波在海洋中传播的影响，海底已成为当今水声学家们一个重要的研究对象［1］。多波束声纳系统经过近几十年的飞速发展由于它能快速、高效地对海区实现全覆盖测量，并同时提供高分辨率的海底地形和反响散射强度信息，这使得快速、全面地掌握调查海区的底质成为可能［2］。

国外具有代表性的两种海底底质分类方法是平均反响散射强度角度距离分析方法和声纳图像统计分析方法，其中声纳图像统计分析方法是在多波束声纳图像的基础上提取特征参数，用于主成分分析，再通过聚类分析来进行不同底质海底的划分。在提取和海底底质有关的声纳图像之前，首先要对由原始声强数据生成的声纳图进行“预处理”，还原因设备引起的损失信息，消除因地形起伏而引起的反向散射强度（声纳图像的纹理）的变化，从而得到只反映海底底质特性的海底声强图。

本文拟采用差值补偿法对原始声强图进行处理，还原声纳采集时损失的信息。首先将声纳图中的有效信息进行提取，再根据原始有效记录信息，对原始数据的记录盲区进行补偿（从而减小因波束倾斜和地形起伏而产生的跳变），并在此基础上根据Lambert法则进行地形改正、瞬时声照区面积改正。

2 原始声强图存在的信息损失

如图1所示由于波束的倾斜和地形起伏的共同作用，多波束对声强的记录会出现跳变（在垂直航迹方向出现盲区3－4，5－6），有些区域由于声线与地形切线的夹角很小致使返回换能器的声强极其微弱以及不同方向的回波同时到达换能器，导致某些区域的回波强度减弱（反映在声纳图上为无记录2－3），以上种种原因导致声强图出现无记录的盲区（图2），这些盲区没有携带海底反向散射强度的信息，即使经过地形和声照区的改正也反映不出海底底质的特性，给利用声纳图进行底质分类带来不便。

图1 多波束回波数据记录原理图

图2 存在盲区的声强图

3 差值补偿法

3.1 三次多项式差值

对数据集进行多项式曲线拟合在CAD、CAM和计算机图形系统中有许多应用。操作者希望画出经过数据点的无误差光滑曲线。从传统上讲，一般使用曲线板或设计师的样条主观地画出曲线，只要通过眼睛看是光滑的就可以了。从数学角度上分析，在每个区间［xk，xk＋1］可构造一个三次函数Sk（x），使得分段曲线y＝S（x）和它的一阶导数和二阶导数在更大的区域间［x0，xN］内连续［3］（如图3）。

图3 差值原理图

3.2 运用差值法对声强数据进行处理

取声纳图中一的500ping绘出其声强图（图4）和二维地形灰度图（图5），从图中可以看出声纳图中的信息损失是由地形起伏引起的，为了还原损失的声强信息并保留原始声强记录数据，将有记录的有效数据提取出来，采用三次多项式差值方法，补偿损失信息，削弱记录数据跳变对声纳图的影响，补偿结果如图所示（图6）。

图4 原始声强图

图5 二维地形灰度图

图6 补偿结果图

4 声强图的地形改正

多波束测深系统属于主动声呐系统，根据简化的声呐方程［4］：

其中EL为接收换能器上的回声信号的声能级；SL为发射能级；2TL为往返传播损失；BS为反向散射强度。可以看出，通过对接收到的声能级加往返传播损失改正，可以得到海底反向散射强度值（包含声波入射角、海底粗糙程度、沉积物的声学参数、声波在水体中的传播状况的信息），其反映了海底底质类型的特征.通常根据海底反向散射强度值来划分海底底质类型。

反向散射强度：

其中A表示波束照射区面积（图8）可以通过脉冲宽度（τ）、声速（c）、发射波束宽度（θt）、接收波束宽度（θr）以及波束的入射角（θ）通过（1式）得出

图7 声强图地形改正原理图

当θ≈0°时，BSb通常近似为一常数（BSn）；当0°＜θ＜25°时，有研究表明，海底固有散射强度随入射角作线性变化，变化较大；当θ＞25°时，海底固有散射强度不但取决于波束的入射角，还依赖于海底底质类型特征，其变化服从Lambert法则，由此得出BSb与θ的关系［5～8］：

将式（3）～式（6）代入式（2）可得：

由于真实海底地形存在高低起伏（如图8存在坡面角β），而以上公式只适用于平坦海底，因此在进行地形改正的实际操作中，要考虑地形起伏给入射角带来的影响［9～10］：

β角的大小可由坡面上的三点求得，取M1（x1，y1，z1）、M2（x2，y2，z2）、M3（x3，y3，z3），则：

图8 坡面角示意图

θ′和A′才是考虑了地形起伏后的波束入射角和瞬时声照区面积，将其带入式（7）～式（9）后，对图6进行改正后，结果如图9所示。

图9 改正后的声纳图像

5 结语

针对多波束原始声强数据存在记录盲区破坏了声纳图的连续性这一问题，根据同一海底底质的海区对声波的平均反向散射强度随地形成连续变化的规律，提出了差值补偿法，还原了生那数据采集时的数据损失，并在此基础上考虑了地形因素对声纳图的影响，对声纳图进行了地形改正（运用Lambert法则消除10lgcos2θ项、波束照射区面积改正消除10lgA项），使声纳图能更好地反映海底底质的信息，为基于声纳图像的海底底质分类提供依据。

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