深水多波束回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)處理技術(shù)探討

馬金鳳，羅偉東，劉勝旋，郭 軍

(1.國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510075;2.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州510075)

0 引言

多波束回波強(qiáng)度(Multibeam Backscatter Strength)通常也稱多波束反向散射強(qiáng)度或背向散射強(qiáng)度。多波束測深系統(tǒng)在進(jìn)行多波束測深時(shí)，一般均同時(shí)記錄接收信號(hào)的回波強(qiáng)度(金紹華等，2011)。

多波束脈沖信號(hào)在發(fā)射與接收過程中，由于多種因素(如海水介質(zhì)的吸收與散射、聲波的散射和混響、聲能的球面擴(kuò)散損失、海底沉積層對(duì)聲波的吸收和海底地形起伏等)的影響，聲波的強(qiáng)度逐漸減弱，并且換能器接收到的回波強(qiáng)度測量值一般不能直接反映真實(shí)的海底底質(zhì)特征，因此必須對(duì)其進(jìn)行處理(趙建虎等，2008)。

國內(nèi)外學(xué)者雖然對(duì)回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)的處理已進(jìn)行過廣泛研究，但多數(shù)是用自研數(shù)學(xué)模型進(jìn)行1種或者2種類型的校正，并無用規(guī)范軟件多種校正同時(shí)處理的先例。不同類型的聲納系統(tǒng)各有其特性，EM 122多波束系統(tǒng)具有較高的定位和測深精度，可獲得高精度地理參考系下的局部曲面，從而利用測深時(shí)采集到的所有信息進(jìn)行真實(shí)掠射角的計(jì)算。在地形變化復(fù)雜水域，底質(zhì)分類多采用多波束聲吶圖像。

處理后的數(shù)據(jù)不但可用于分析和解釋海底地貌，也可用于反演海底底質(zhì)類型及其分布狀況或者水下目標(biāo)識(shí)別方面的研究。為此，以EM122多波束聲納系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)為例，詳細(xì)探討應(yīng)用CARIS多波束處理軟件對(duì)某水深在5 000 m范圍多波束作業(yè)區(qū)的背向散射數(shù)據(jù)的處理方法。

1 EM 122回波強(qiáng)度記錄方式及特點(diǎn)

EM 122多波束測深系統(tǒng)在資料采集階段對(duì)回波強(qiáng)度信號(hào)的處理與對(duì)測深信號(hào)的處理一樣，均經(jīng)過了一些必要的參數(shù)改正，例如每一個(gè)測深波束點(diǎn)均經(jīng)過探頭偏移距改正、姿態(tài)改正、聲速剖面改正，最后給每一個(gè)波束點(diǎn)均賦予經(jīng)緯度坐標(biāo)及水深值。同樣，EM系統(tǒng)對(duì)每一個(gè)波束點(diǎn)的回波強(qiáng)度也進(jìn)行了一些必要改正，例如聲學(xué)信號(hào)的傳播損失改正(TVG)、聲線彎曲改正、入射角改正等，每個(gè)波束均獲得了1個(gè)與水深值對(duì)應(yīng)的回波強(qiáng)度值(孫文川等，2011)?，F(xiàn)場采集資料未進(jìn)行海底地形起伏、中央波束鏡面反射區(qū)、波束照射區(qū)面積對(duì)回波強(qiáng)度的影響等改正。

樣例數(shù)據(jù)位于太平洋某深海區(qū)，屬大型斷塊狀隆起，主要由相對(duì)獨(dú)立的平頂海山構(gòu)成，海山頂面最淺水深為800～1 500 m，鄰近深海盆地水深為5 000～6 500 m?；鹕交字系某练e物主要有早白堊世—古新世的生物礁灰?guī)r、泥巖等，始新世—早中新世的有孔蟲灰?guī)r及古近紀(jì)—全新世的有孔蟲砂、軟泥等硅質(zhì)、泥質(zhì)沉積物，沉積物厚度不等。據(jù)淺層剖面測量資料顯示，海山頂面松散沉積物厚度可達(dá)80～100 m。測線的布設(shè)為東西平行走向。

2 CARIS處理回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)

2.1 處理流程

CARIS是一個(gè)綜合水深、海底影像、水體數(shù)據(jù)的處理軟件，可以同時(shí)處理多波束、背向散射、側(cè)掃聲納、雷達(dá)和單波束，支持超過40種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的聲納數(shù)據(jù)格式。CARIS對(duì)于多波束回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)的處理使用Geocoder模塊，主要在現(xiàn)場改正的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化去噪處理(Beaudoin et al，2002;Dufek，2012)。

圖1 CARIS處理背向散射數(shù)據(jù)模塊Fig.1 Module of processing backscattered data using CARIS software

在處理前，必須對(duì)測線數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理，將離散的回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)網(wǎng)格化成規(guī)則的數(shù)據(jù)，以便于計(jì)算機(jī)顯示與處理。網(wǎng)格化間距由程序根據(jù)波束腳印的大小、數(shù)據(jù)密度自動(dòng)設(shè)置。圖2為1條測線的局部數(shù)據(jù)，水深約5 200 m，回波強(qiáng)度的網(wǎng)格化間距約50 m(圖3a)。

圖2 水深地形圖(網(wǎng)格間距：50 m)Fig.2 Topographic map of water depth(grid spacing 50 m)

2.2 時(shí)變?cè)鲆娓恼?/h3>

聲波在傳播過程中的損失包括波的球面擴(kuò)展損失與傳播介質(zhì)的吸收損失。為了消除傳播損失對(duì)海底介質(zhì)散射的影響，需要對(duì)衰減引起的信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償。結(jié)合缺省的水體聲衰減參數(shù)以及聲線傳播路徑，多波束系統(tǒng)在資料采集時(shí)應(yīng)用變?cè)鲆鎀VG函數(shù)補(bǔ)償，消除傳播損失對(duì)回波強(qiáng)度的影響，保證回波的原有水平。數(shù)據(jù)后處理時(shí)，應(yīng)用實(shí)際測得的聲波衰減系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)改正，如無實(shí)測聲波衰減系數(shù)，則利用原有聲波衰減系數(shù)重新進(jìn)行處理(唐秋華等，2006;金紹華等，2010)。改正效果如圖3b所示。

圖3 多波束回波強(qiáng)度各種改正后的效果圖(a—d網(wǎng)格化間距約50 m)Fig.3 Results of corrected multibeam backscatter strength(a－d grid spacing about 50 m)

2.3 角變?cè)鲆娓恼?/h3>

角變?cè)鲆娓恼慈肷浣歉恼??；夭◤?qiáng)度與入射角的關(guān)系如圖4(金紹華等，2014)。對(duì)于底質(zhì)均勻單一的平坦海底區(qū)域，在入射角為0°的中央波束附近，由于波束近似垂直發(fā)射、垂直接收，系統(tǒng)接收到的主要是反射信號(hào)，而非反映海底沉積特征的散射信號(hào)，因此在中央波束附近區(qū)域經(jīng)常存在1條與航跡線一致的高回波強(qiáng)度條帶(Hammerstad，2000;Kongsberg Maritime AS，2004)。隨著入射角的增大，回波強(qiáng)度逐漸變?nèi)?。在?shù)據(jù)后處理時(shí)，角變?cè)鲆娓恼?種改正模式：平坦、趨勢(shì)與自適應(yīng)，主要是對(duì)現(xiàn)場入射角改正殘余量進(jìn)行優(yōu)化去除。示例采用平坦模式，改正效果如圖3c。

圖4 回波強(qiáng)度與波束入射角的關(guān)系Fig.4 Relationship between backscatter strength and incident angle of beam

2.4 去噪

濾波器的濾波強(qiáng)度有4個(gè)等級(jí)：弱、中等、強(qiáng)與超強(qiáng)。濾波器在濾除白噪聲方面有很好的特性，它能有效地降低回波強(qiáng)度值中出現(xiàn)的與周圍像素點(diǎn)在強(qiáng)度上有明顯差的孤立像素噪聲，同時(shí)可以很好地保護(hù)散射強(qiáng)度值的細(xì)節(jié)信息，獲得高質(zhì)量的回波強(qiáng)度信息(Lurton et al，1994;Hellequin et al，2003)。改正效果如圖3d。

3 灰度量化與拼接鑲嵌

由于多波束系統(tǒng)獲得的回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)單位為分貝(dB)，多波束回波強(qiáng)度的變化范圍取決于海底的地貌特征、地質(zhì)類型和多波束系統(tǒng)，為了將回波強(qiáng)度值以影像的方式表現(xiàn)，必須將海底回波強(qiáng)度值向灰度級(jí)別進(jìn)行量化處理，形成海底回波強(qiáng)度影像。

灰度量化的方法選擇決定了鑲嵌圖的好壞。量化方法包括分層量化、均勻量化和非均勻量化：分層量化是把每一個(gè)離散樣本的連續(xù)灰度值只分成有限多的層次，均勻量化是把原圖像灰度層次從最暗至最亮均勻分為有限個(gè)層次，如果采用不均勻分層為非均勻量化。當(dāng)圖像的采樣點(diǎn)數(shù)一定時(shí)，采用不同量化級(jí)數(shù)的圖像質(zhì)量不一樣：量化級(jí)數(shù)越多，圖像質(zhì)量越好;量化級(jí)數(shù)越少，圖像質(zhì)量越差;量化級(jí)數(shù)小的極端情況就是二值圖像。

灰度量化的選擇決定聲納鑲嵌圖的好壞。由于示例區(qū)域回波強(qiáng)度值范圍較小，灰度圖像明暗對(duì)比度不理想，為了能更好地進(jìn)行底質(zhì)分類工作，采用均勻量化的方法?；叶攘炕挠?jì)算方法：分別從每條測線網(wǎng)格數(shù)據(jù)中讀取回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)的最大值Valmax與最小值Valmin，采用0～255范圍灰度級(jí)，將回波強(qiáng)度值轉(zhuǎn)化為灰度值(張會(huì)娟，2012)。計(jì)算公式如下：

式(1)中，Val是某一文件的回波強(qiáng)度值，Scale為該文件的灰度因子，G為回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)的灰度值。在程序中一般取整函數(shù)將非整數(shù)的計(jì)算灰度值轉(zhuǎn)換成整數(shù)灰度值，以適應(yīng)繪圖程序的讀寫要求。

由于分別對(duì)每一條測線進(jìn)行灰度量化處理，量化后的灰度值能夠最佳匹配該文件的回波強(qiáng)度范圍，因此灰度影像亮度適中、對(duì)比度清晰明顯，非常有利于對(duì)影像的判讀研究。但由于每條測線的回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)最大值與最小值均不盡相同，會(huì)導(dǎo)致測線與測線之間的灰度因子也不盡相同，從而造成影像的灰度出現(xiàn)差異(圖5)，給解譯帶來不便。為解決這種問題，可以對(duì)全區(qū)所有的測線采用1個(gè)統(tǒng)一的灰度因子，并將所有的測線影像按照一定的原則鑲嵌成1個(gè)整體影像，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一量化處理。但統(tǒng)一量化有2個(gè)問題值得注意：一是統(tǒng)一量化后影像的對(duì)比度有所下降，發(fā)灰、發(fā)白，不利于解釋;另一點(diǎn)是要避免質(zhì)量差的影像數(shù)據(jù)對(duì)質(zhì)量好的影像數(shù)據(jù)的影響。

影像鑲嵌主要用于全覆蓋測線相鄰測線的統(tǒng)一拼接，以獲得統(tǒng)一量化、亮度與對(duì)比度均勻的回波強(qiáng)度影像，利于解譯與進(jìn)一步的底質(zhì)識(shí)別處理。鑲嵌后的結(jié)果如圖6所示。

4 結(jié)論

應(yīng)用CARIS軟件的Geocoder模塊對(duì)多波束回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)的規(guī)范化流程處理方法，探討了沒有進(jìn)行地形改正的回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)使用均值化回波強(qiáng)度的圖像鑲嵌方法的灰度量化方法。通過對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)的處理，驗(yàn)證了方法的有效性，大大改善了多波束回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)處理的效果，為多波束水下目標(biāo)識(shí)別和海底底質(zhì)分類研究提供準(zhǔn)確、表述清晰的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖5 鑲嵌前影像Fig.5 Image before mosaicing

圖6 鑲嵌后影像Fig.6 Image after mosaicing

如果將海底攝像資料以及取樣資料作為底質(zhì)類型的先驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合測定底質(zhì)樣品的物理及土工參數(shù)，建立回波強(qiáng)度與底質(zhì)類型之間的定量關(guān)系，則可以更加準(zhǔn)確地反演底質(zhì)類型。

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