侧扫声纳系统及其在海洋环境监测和保护中的应用

总结了侧扫声纳系统在海洋环境监测和保护中的应用,介绍了侧扫声纳基本工作原理及其发展情况,并且对其以后的发展进行了简单探讨。     

海底微地貌测量系统

研制的IOA-1高分辨率测深侧扫声纳(HRBSSS)，为了解决现有测深侧扫声纳(BSSS)在其正下方附近的测深精度差以及不能检测从不同方向同时到达的回波，难以在复杂地形上工作的缺陷。把高分辨率波束形成技术，即高分辨率到达方向(DOA)技术应用于测深侧扫声纳(IOA-1 HRBSSS)的研制，使声纳能克服多途效应，并能在复杂海底上工作。在深水湖进行了长时间的试验，试验表明以上理论和设计是正确的，在国际上首次研制成功了高分辨率测深侧扫声纳实用样机。     

XTF格式侧扫声纳数据格式解析与应用

从侧扫声纳原理出发,深入分析XTF格式侧扫声纳数据文件组织结构与内容,通过软件开发实现对批量XTF格式侧扫声纳数据的自动解码,进而实现批量XTF格式侧扫声纳数据文件自动航迹提取、测线长度、测线走向、测线用时等统计信息计算,在短时间内不使用专门软件即可获取大量XTF格式侧扫声纳数据的基础信息,大大提高了此类数据的判读效率。     

侧扫声纳探测技术的研究现状及发展

侧扫声纳是海洋地形地貌测量的必备仪器之一。主要介绍了侧扫声纳探测技术的研究现状,重点阐述了其最新研究进展,给出了侧扫声纳技术未来的发展趋势。针对国内外实际应用需求,提出了几点建议,以期为我国侧扫声纳技术相关研究提供参考。     

侧扫声纳图像中央区的自动确定和重建

侧扫声纳是海洋测绘领域的常用设备,为解决侧扫声纳波束模式带来的声纳图像中央区域质量较差的问题,提出了侧扫声纳图像中央区的自动确定和重建方法。首先根据侧扫声纳测量原理,基于波束模式,自动确定侧扫声纳图像的中央区域;然后根据图像强度梯度和像素可靠信息,计算图像重建区域的优先级;最后根据优先级顺序,采用基于样例的方法对中央区进行重建,提高侧扫声纳图像质量。研究表明,重建后的侧扫声纳图像无论是在主观视觉还是客观评价指标方面,都取得了满意的结果。采用本文所提方法得到的重建图像,能够清晰地反映海底特征,具有很好的应用价值。     

XTF格式侧扫声纳数据质量评价

通过深入分析XTF格式侧扫声纳数据结构,选取了XTF格式侧扫声纳数据中的定位信息、时间信息、信号强度、船速、测线平直度及数据完整性6个要素作为质量评价指标,开发了XTF格式侧扫声纳数据质量评价软件系统,实现了对批量XTF格式侧扫声纳数据的计算机自动质量评价,具有较强的实用性。     

小波函数对侧扫声纳图像滤波效果的影响分析

侧扫声纳技术应用日益广泛，已成为海洋测量的重要工具，而去除噪声处理是对侧扫声纳图像进行正确判读的前提。利用小波函数滤波处理的方法，分别采用Haar、Daubechies、Coiflets、Symlets、Discrete Meyer、Biorthogonal、Reverse Biorthogonal等小波函数与中值滤波函数对侧扫声纳图像进行处理，并以平滑指数和边缘保持指数为评价指标，对滤波效果进行定量比较。试验表明，小波函数可以有效地平滑声纳图像，并能保持其较好的边缘效果。     

侧扫声纳在护底工程软体排检测中的应用

介绍了Edge Tech 4100-P型侧扫声纳系统的技术指标和工作原理。根据水下潜堤护底工程软体排的铺排特点,侧扫声纳系统可以高效地探测出海底面以上相邻的软体排结构物的拼接和叠加情况,同时还可以根据侧扫声纳图像判断软体排有无破损及破损后填充物流失情况,评估水下潜堤护底工程的安全系数。通过实例说明了侧扫声纳在软体排检测的外业工作流程,以及内业图像识别与分析,探讨侧扫声纳系统在水下水工结构物探测的应用前景。     

侧扫声纳和多波束测深系统组合探测海底目标

介绍了侧扫声纳和多波束测深系统的特点,通过实例说明了侧扫声纳和多波束测深系统在海洋目标探测中的综合应用。综合利用多波束测深系统测量数据和侧扫声纳声像图,可有效增强不同观测数据的互补性,提高工程质量。     

联合小波和NLM滤波的侧扫声纳回波信号降噪

为进一步降低侧扫声纳回波信号中非高斯分布的乘性噪声,获取更佳效果的侧扫声纳图像,提出了一种利用小波和NLM(nonlocal means)滤波的组合降噪方法。首先采用同态变换将侧扫声纳回波ping信号中的乘性噪声转换为加性噪声,然后利用小波阈值和NLM滤波对侧扫声纳每ping回波数据实施降噪处理,最后经过小波反变换和指数变换获取降噪后信号和图像。仿真实验和实测数据验证结果表明,该方法适用于侧扫声纳回波信号处理,可以获取较好的图像降噪效果。     

可变尺度区域拟合模型的侧扫声纳分割方法

为解决现有侧扫声纳图像目标分割准确度不高的问题,提出一种联合最大熵去噪和可变尺度区域拟合模型的侧扫声纳图像分割方法。首先,计算图像一维熵,基于最大熵原则对侧扫图像进行降噪处理,提高图像质量,并根据峰值信噪比评判降噪效果;然后基于可变尺度区域拟合模型,采用高斯核函数对分割活动轮廓进行约束,分割降噪后的侧扫声纳图像。通过对含有不同目标物的侧扫声纳图像进行分割实验,验证了联合最大熵去噪和可变尺度区域拟合模型的有效性。     

一种基于MATLAB的声呐条带图像自动拼接算法

准确地实现侧扫声呐条带的拼接对于了解海底地形、提高对海床地物反映的准确度起着重要的作用,而相邻条带的配准是声呐条带拼接的重要前提.MATLAB以其强大的矩阵运算功能及具有丰富的图像处理函数等特点,在图像处理方面占据明显的优势.文中利用MATLAB的IPT工具箱实现了基于互信息方法的声呐条带图像的自动快速配准,通过实验验证了该配准方法的有效性.并用小波变换方法对配准好的条带图像进行融合,实现声呐条带图像的有效拼接和镶嵌.     

侧扫声纳图像增强技术

随着海洋探测技术的飞速发展,侧扫声纳的图像质量和定位精度迅速提高,其应用日益广泛和深入。在声纳图像判读分析时,常常需要进行辐射改正和均衡增强。根据海底地貌声纳图像的特点,归纳了几种有效、适用的图像增强方法,并建立了声纳图像分析软件。     

Curvelet变换域侧扫声纳图像增强算法

针对海底侧扫声纳图像对比度低、纹理弱、噪声严重等问题,提出了一种基于第二代Curvelet变换的声纳图像增强算法。首先对原始声纳图像进行多尺度、多方向的Curvelet变换分解,得到低频子带和高频子带;然后引入非线性S型函数对低频系数进行处理,提高图像整体的对比度;采用一种可以避免过度增强的新型非线性函数对各尺度的高频子带系数进行处理,提高图像整体的对比度,增强图像边缘和纹理细节,并通过估计噪声水平设定阈值进行阈值降噪。最后经Curvelet逆变换得到增强图像。实验表明,该方法不仅改善了海底侧扫声纳图像对比度低的问题,而且降低了噪声,突出了声纳图像的边缘和纹理细节。     

Acoustic stereo images of the bottom surface

In order to enhance the efficiency of the interpretation of surface images obtained with a side scanning sonar, it is proposed to supplement the standard processing software with a program for obtaining acoustic stereo images. Examples of such images synthesized with this program using the data of a bottom sonar survey with a side scanning sonar and an echo sounder are presented. The cases are considered when the information on the bottom relief contained in sonar images obtained with a standard side scanning sonar or its modifications can be used instead of the data of an echo sounding survey.     

多波束声呐图像条带中央和边缘残差处理方法

多波束声呐图像是进行海底底质分类的主要数据源之一,由于受海洋噪声、声波散射和混响、仪器设备等因素影响,其经各项常规改正后仍存在明显残差,突出表现在中央波束区和条带重叠区,难以形成高质量的声呐图像。文中分析了多波束声呐图像残差的成因及影响,提出了一种基于多条带最小二乘拟合的多波束声呐图像残差处理方法。首先,得到相邻声脉冲(ping)信号中央区域、重叠区域以及整体趋势的拟合函数;然后,通过拟合函数计算得到中央和重叠区域的残差改正系数;最后,通过改正系数进行残差改正。实验分析表明,该方法在保留原始细节的基础上,有效削弱了残差对声呐图像的影响,对多波束声呐图像处理具有参考和应用价值。     

基于CAATI技术的条带测深/侧扫声纳系统C3D-LPM

侧扫声纳及多波束测深仪是应用非常广泛的海底地形地貌调查仪器。通过对侧扫声纳和多波束测深优缺点的对比分析,介绍了基于CAATI技术将高分辨率的侧扫图像和高质量的测深数据完美结合,生成高质量的三维图像的条带测深/侧扫声纳系统C3D-LPM,特别介绍了条带测深/侧扫声纳系统C3D-LPM的构造和技术规格。仪器实地使用结果表明,该仪器完全能够满足海洋工程和研究的需求,并具有其独特的技术特点和使用优势。     

多波束声纳计量测试系统设计

为满足多波束声纳量值溯源与传递需求,设计多波束声纳关键参数的计量测试系统。基于大比尺原型深水港池和多维运行控制机构,通过水下横向测距代替垂向测深的方式对多波束声纳进行了测深准确度与有效条带宽度的计量测试。阐述了测试系统的主要组成和测试方法,给出了本测试系统测深结果的扩展不确定度。参考标准值与示值(或标称值)比对结果表明,被检多波束声纳测深示值误差小于0.2%,条带宽度误差小于7%。为规范水下声纳设备技术指标校准,指导多波束声纳计量标准建设提供参考。