多波束聲納圖像整體灰度不均勻及中央波束區(qū)反射異常校正方法①

張會(huì)娟，陽(yáng)凡林，李 峰，董春敏

（1.山東科技大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，山東 青島266590；2.山東省青島市勘察測(cè)繪研究院，山東 青島266033）

0 引 言

多波束聲納系統(tǒng)在測(cè)深的同時(shí)也獲得了反向散射數(shù)據(jù)，反向散射數(shù)據(jù)在分析和解釋海底地貌中扮演著十分重要的角色［1]，可利用其反演海底底質(zhì)特性。海底聲散射問(wèn)題雖然在近40年中得到了廣泛的研究和發(fā)展，但由于海底環(huán)境非常復(fù)雜，尤其在近海，沉積物類(lèi)型變化復(fù)雜，使得聲散射問(wèn)題遠(yuǎn)未得到解決。近年來(lái)，隨著人類(lèi)對(duì)海底世界的認(rèn)識(shí)和相關(guān)技術(shù)的研究，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者嘗試將多波束系統(tǒng)應(yīng)用到海底目標(biāo)的探測(cè)和分類(lèi)，并取得了一定的成果［2－3]。

國(guó)外多波束技術(shù)起步較早的國(guó)家已在這一領(lǐng)域取得了很多重要成果，建立和發(fā)展了多波束數(shù)據(jù)處理理論［4－9]。加拿大的 Edouard Kammerer通過(guò)對(duì)聲速剖面模型兩水層之間界面上的反射系數(shù)的研究，減弱了聲納圖像中的反射假象。加拿大New Brunswick大學(xué)的海洋測(cè)繪研究小組進(jìn)行了較多的研究，其中Llewellyn深入研究了聲納的波束方向性與反向散射強(qiáng)度殘留誤差之間的關(guān)系；Beaudoin開(kāi)發(fā)了軟件對(duì)入射角和中央波束區(qū)的鏡面反射進(jìn)行了改正等。

國(guó)內(nèi)，文獻(xiàn)［10]采用兩種方法對(duì)多波束聲納圖像的中央波束區(qū)反射信號(hào)進(jìn)行改正：1）在中央波束附近設(shè)定一個(gè)正負(fù)幾度的范圍，剔除這一區(qū)間的反射數(shù)據(jù)；2）根據(jù)波束入射角設(shè)定數(shù)據(jù)點(diǎn)的優(yōu)先權(quán)數(shù)值大小，使得中央波束區(qū)附近的強(qiáng)度值同周?chē)渌吘壊ㄊ膹?qiáng)度值統(tǒng)一起來(lái)。通過(guò)使用這兩種方法可以使得每個(gè)波束所代表的強(qiáng)度信息能正確反映海底底質(zhì)類(lèi)型特征，削弱反射信號(hào)對(duì)海底底質(zhì)分類(lèi)造成的影響，效果較好。文獻(xiàn)［11]總結(jié)了在不同入射角條件下多波束聲納波束腳印面積和反向散射強(qiáng)度的計(jì)算公式BS0＝0.9953BS0＋lgAE－lgR，使用此公式對(duì)中央波束區(qū)域的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行改正，能夠基本消除脊?fàn)罴傧瘳F(xiàn)象。但是它只適用于大部分中央波束區(qū)域的數(shù)據(jù)異常改正，仍有部分?jǐn)?shù)據(jù)改正效果不理想。

由于國(guó)際上對(duì)此研究不完善，國(guó)內(nèi)研究起步較晚，在嘗試前人研究成果的基礎(chǔ)上，綜合考慮各種情況，分析了多波束聲納圖像灰度整體不均勻的各種因素，采用Reed和Johnson通過(guò)計(jì)算航向改正系數(shù)來(lái)改正灰度的不均衡。針對(duì)中央波束區(qū)的鏡面反射區(qū)進(jìn)行了處理：分析了中央波束區(qū)的反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)異常的產(chǎn)生原因，通過(guò)計(jì)算每一ping的中央波束區(qū)的改正數(shù)對(duì)中央波束區(qū)進(jìn)行了有效改正。

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1 整體灰度不均衡的校正方法

同水深數(shù)據(jù)一樣，多波束回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)含有大量的系統(tǒng)誤差和異常數(shù)據(jù)，必須加以改正和濾波。多波束測(cè)深系統(tǒng)屬于主動(dòng)聲納系統(tǒng)，將聲納方程簡(jiǎn)化為

式中：EL為接收換能器上的回聲信號(hào)的聲能級(jí)；SL為多波束發(fā)射能級(jí)；2TL為往返傳播損失；BTS為海底目標(biāo)反向散射強(qiáng)度。

通過(guò)上述聲納方程以及圖1，得到聲傳播過(guò)程會(huì)產(chǎn)生能量衰減。為了補(bǔ)償因傳播、波束指向性及海底底質(zhì)等變化所引起的信號(hào)衰減，得到遠(yuǎn)近場(chǎng)均勻一致的聲納圖像，必須對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行增益控制，包括時(shí)間增益控制、自動(dòng)增益控制和手動(dòng)增益控制，使得輸出的聲圖具有最佳的效果。信號(hào)返回的強(qiáng)弱包含了海底地形和傳播距離的變化信息（丁繼勝等，1999）。為了削弱衰減的影響，就必須對(duì)衰減引起的信號(hào)減弱進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)水文因素和工作頻率不變時(shí)，衰減與傳播時(shí)間（距離）存在著一定的關(guān)系，傳播距離愈大，強(qiáng)度衰減愈顯著。為了消除衰減造成的回波強(qiáng)度損失，多波束系統(tǒng)中對(duì)此進(jìn)行了時(shí)間增益補(bǔ)償（TVG），保證了回波信號(hào)的原有水平，從而達(dá)到削弱衰減的影響。

圖1 聲波與介質(zhì)面的作用

但是經(jīng)過(guò)增益改正后的聲圖仍然存在灰度不均衡（如圖2（a）），原因有幾方面：波束束控帶來(lái)誤差；海水和底質(zhì)對(duì)聲波的吸收錯(cuò)綜復(fù)雜，使得模型誤差也會(huì)造成灰度的不均衡。對(duì)于灰度的不均衡，Reed等計(jì)算每航向列的平均灰度與整個(gè)圖像的平均灰度比來(lái)完成改正，但是未考慮每航向列的灰度異常和噪聲［12]。通過(guò)計(jì)算每列（航向）的改正系數(shù)Cj來(lái)改正灰度的不均衡

圖2（c）和圖2（d）為聲納圖像的剖面圖，圖2（c）是未進(jìn)行灰度均衡化的剖面圖，圖2（d）是使用上述方法改正之后的（b）圖的剖面圖。

2 中央波束區(qū)反射信號(hào)校正方法

船底垂直正下方的中央波束區(qū)附近由于受到鏡面反射的影響，多波束換能器接收到的多為反射信號(hào)，它主要是由法向入射角和海底直接反射形成的，一般在中央波束正負(fù)幾度范圍內(nèi)強(qiáng)度較大，表現(xiàn)在海底聲像圖上為沿船航跡線上的明亮條帶［10]。這種條帶在一定程度上影響了對(duì)多波束聲納影像的判讀，所以，要對(duì)中央波束區(qū)進(jìn)行改正之后才能進(jìn)一步進(jìn)行底質(zhì)分類(lèi)。

中央波束區(qū)可以通過(guò)每一ping數(shù)據(jù)中每一波束的Xi，Yi坐標(biāo)與中央波束的X0，Y0坐標(biāo)的關(guān)系以及深度數(shù)據(jù)H求得，如圖3，圖4（a）為一條帶的回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)的聲納圖像的灰度圖。可以看到，在灰度圖的中央有條亮條紋，即為中央波束區(qū)。在這一區(qū)域換能器接收到的反射信號(hào)不能被當(dāng)作一般的反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)直接用于底質(zhì)分類(lèi)研究。

將每一ping的中央波束區(qū)的反向散射強(qiáng)度值求算數(shù)平均值m1i，再求得非中央波束區(qū)的反向散射強(qiáng)度的算數(shù)平均值ˉm2i，則每一ping的改正數(shù)vi為

則對(duì)中央波束區(qū)的反向散射強(qiáng)度值進(jìn)行改正為

由此得到的聲納圖像為圖4（b），圖4（c）、（d）分別為進(jìn)行中央波束改正前和改正后的聲納圖像和剖面圖。

圖4 中央波束區(qū)附近數(shù)據(jù)異常的去除

3 結(jié) 論

多波束系統(tǒng)的工作原理使得多波束聲納數(shù)據(jù)存在較多誤差，特別是中央波束區(qū)的鏡面反射區(qū)和整體的灰度不均衡。通過(guò)對(duì)灰度不均衡的產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，通過(guò)計(jì)算每航向方向的改正系數(shù)進(jìn)行了有效的改正；對(duì)影響多波束中央波束區(qū)反向散射強(qiáng)度異常通過(guò)計(jì)算中央波束區(qū)的算數(shù)平均值和非中央波束區(qū)的算數(shù)平均值，進(jìn)而求得每一ping的中央波束區(qū)的改正數(shù)，從而對(duì)中央波束區(qū)反向散射異常數(shù)據(jù)進(jìn)行了有效改正。

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