深水多波束声呐测深数据精度评估

多波束测深精度评估是水深测量质量控制的重要方面,静态精度评估与交叉测线动态精度评估能够从不同角度表征测深精度,估计测量样本的综合误差。在实际调查作业过程中,由于缺少水深真值,在进行精度估计时缺少可操作性。本文利用Kongsberg EM120型深水多波束系统的测深数据,基于某一区域的重复测量数据,应用中央波束的水深数据进行静态精度分析;通过引入网格化方法,进行动态水深精度评估分析,并通过偏差分析揭示测量样本的误差分布特征。结果表明,中央波束水深数据静态精度评估与基于网格化方法的动态精度评估具有实际可操作性,其结果能够有效估计测深的综合误差;重复测量数据的偏差分析能够有效展示误差的分布特征。     

济州岛南部海域海底声呐图像分析与声学底质分类

东海北部外陆架靠近济州岛南部海域,是黄海槽向冲绳海槽延伸的部分,属于黑潮分支黄海暖流的通道入口,分布着脊槽相间的海底底形,对其海底声呐图像的处理分析及声学底质分类的分析研究,有助于了解该通道海底底形表层纹理特征及沉积物分布规律。基于在济州岛南部海域获取的多波束声呐数据,应用图像处理技术和方法,对数据进行了处理,获得了海底声呐影像图,并对其表层纹理特征进行了描述和分析;同时,基于多波束反向散射强度数据,结合19组海底地质取样数据,建立研究区海底反向散射强度与沉积物粒度特征之间的统计关系模型,并以改进的学习向量量化神经网络方法,实现对海底粉砂质砂、黏土质砂以及砂-粉砂-黏土3种底质类型的快速自动分类识别。     

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Kongsberg EM多波束的Snippet数据处理方法

多波束声呐记录的海底后向散射片段(Snippet)数据处理成角度响应曲线和地理编码(Mosaic)图像可以 帮助识别海底底质类型和反映地貌形态,这一过程包括辐射校正、角度响应改正(AVG)和几何地理编码,但不同的多波束系统硬件在辐射校正和角度响应改正方法上存在差异且传统处理方法忽略了声呐系统本身的指向性模型随时间变化的事实。以声呐方程为基础,针对Kongsberg EM 多波束系统提出了一套完整的Snippet数据处理流程,并分析了各步骤中存在的可变性,给出了每一步的处理建议,最后将此方法应用于EM2040浅水多波束实测数据,并验证了该方法的有效性和实用性。     

Acoustic imagery using a multibeam bathymetric system

Historically, measurement and collection of deep‐ocean acoustic imagery are accomplished by towed sidescan systems. Recently, work has been performed to extract acoustic imagery from current hull‐mounted wide‐swath bathymetric sonars with minimal hardware modification. Past work of deriving acoustic imagery from swath sonars has been performed primarily with SeaBeam's sixteen 2^2/3 ° preformed beams. The Navy is investigating the feasibility of extracting an acoustic image from the Sonar Array Survey Systems (SASS), a high‐resolution (1^o beams) wide‐fan (90°) bathymetric system. Due to the large data volume (approximately 1 MB per ping), SASS normally discards the raw acoustic returns once bathymetry is calculated. In early 1991 the Naval Air Development Center (NADC) installed the hardware on board the USNS Maury to capture and record the raw acoustic signal (inphase and quadrature) from the SASS's 144 hydrophones for later inversion to a backscatter image. Preliminary qualitative mosaics of the sidescan images show promising results and warrant further development.     

两种多波束反向散射强度数据归一化方法的建立与分析

多波束反向散射强度数据应用广泛,但由于受到角度响应的影响,导致生成的多波束声呐图像质量偏低,且现有角度响应改正方法在复杂海底底质环境下适应性较差。为此本文对散射强度进行分析,给出了两种多波束反向散射强度数据归一化方法,分别为基于高斯拟合以及角度响应的散射强度改正方法,前者主要是基于散射强度的变化规律进行改正,而后者则是基于声波的散射机理进行改正。实验结果表明两种方法较传统改正方法精度均有约30%的提升,并且角度响应方法较高斯拟合方法改正精度更高,但计算效率有所下降。以上实验验证了两种方法的有效性,实现了散射强度数据的归一化,提升了多波束声呐图像的质量。     

Simrad EM多波束声纳系统回波强度数据的分析与应用

首先分析了Simrad EM多渡束声纳系统回渡强度数据获取时系统进行的增益处理,分别探讨了深度数据包和海底图像数据包中回波强度数据的表征内容及意义,研究了不同数据包中回波强度数据的记录方式、特点及应用范围,为多波束水下目标识别和海底底质分类研究提供准确、表述清晰的基础数据.     

多波束反向散射强度数据处理研究

在探讨多波束测深系统反向散射强度与海底底质类型的关系基础上,研究影响反向散射强度的各种因素,主要分析了海底地形起伏、中央波束区反射信号对反向散射强度的影响,并给出了消除这些影响的方法;将处理后的“纯”反向散射强度数据镶嵌生成海底声像图,为海底底质类型划分以及地貌解译提供了基础数据和辅助判读依据.     

基于回波时间的多波束测深与声纳数据匹配方法

以多波束精确的水深数据为参照源,采用原始回波时间对多波束测深数据与其同源声纳数据进行匹配,从而获得高精度和高分辨率的海底影像数据,并避免了传统声纳图像处理过程中斜距改正所带来的几何形变。匹配结果采用光照图输出,并与三维水深图、原始声纳图像和CARIS处理后的声纳图像进行比较分析。该方法有效地提高了多波束数据的利用率,增强了对海底地形的探测分辨率。     

高分辨率波束形成器在多波束测深系统中的应用

对于海底地形测量,基于FT波束形成的幅度检测法空间分辨率较低,只能较准确给出有限测点的水深信息;平坦海底前提下,分裂子阵检测法或多子阵检测法可以得到连续测点的水深信息,复杂海底地形条件下,这两种方法均难以应用。能否利用高分辨率波束形成器来提高测深系统的空间分辨率是一个值得研究的问题。使用ESPRIT波束形成器处理了多波束测深系统的试验数据,并就其性能与FT波束形成器进行了比较与分析。     

基于多波束声呐的人工鱼礁区地形特征分析

建设人工鱼礁(Artificial Reef,AR)是恢复和养护近海渔业资源的重要措施。尽管中国沿海各地人工鱼礁规模宏大,但对于鱼礁投放后的监测明显不足。传统调查方法存在效率低、成本高等缺点,多波束测深系统(Multibeam Echo Sounder,MBES)为探测鱼礁区地形地貌提供了一种有效的技术手段。本文利用高分辨率的多波束测深系统,获取礁区详细的测深数据,快速确定鱼礁位置、形态等信息;应用地形分析工具提取地形变量(坡度、曲率、粗糙度、地形耐用指数及地形起伏度),分析投石后海底地形特征。研究表明,礁石投放后海底地形发生显著变化(水深5~10 m),礁石发生沉降现象(下沉深度约0.45 m),礁石周围出现冲淤地形(礁石堆高1.65 m,影响范围5 m左右)。分析人工鱼礁引起的微地形地貌的变化,可以为鱼礁的监测与效果评估工作提供一种新的技术方法,具有较强的现实意义。     

多波束回声数据的统计与底质分类应用

利用声反向散射数据作海底沉积物分类,是海洋地质学家感兴趣的话题,也是目前多波束声纳应用的一个研究热点。结合胶州湾实际调查数据,探讨了贝叶斯分类方法在该领域的应用。研究结果表明,该方法可以对不同的底质类型进行分类,可以识别未知的底质类型以及对混合在一起的两种不同类型的目标进行分类。     

多波束回波强度数据记录方式比较

分析了三种不同多波束测深系统回波强度的记录方式及数据结构,基于各自生成声纳图像的特点规律的差异,按其声纳图像不同用途对多波束测深系统进行了归类,其结果可为用户结合自身需求,正确购置多波束测深系统及合理应用声纳图像提供参考.     

Computer simulation of multibeam echo sounding over rough seafloor

A computer code that simulates multibeam echo‐sounding over realistic (three‐dimensional) bathymetry was used to compare available sounding systems. Two‐dimensional modeling dealt with the resolution of seafloor bathymetry and with the effect of postprocessing algorithms for some typical multibeam systems. The 2‐D bathymetric inputs were idealized bottom features. Three‐dimensional modeling dealt with the gross character of the seafloor, as detected by echo‐sounding systems. The 3‐D bathymetric inputs were realizations of terrain generated by a stochastic model of seafloor roughness. Three‐dimensional modeling indicated that the sounding system may slightly shift the location of peaks within the beam footprint. In addition, the simulated measurements were more sensitive to low‐wavenumber features (i.e., large‐scale roughness) than to high‐wavenumber features (i.e., small‐scale roughness). Resolution gradually decreased with increasing distance from centerline, due to the increasing footprint size of beams at increasing angular distance from the vertical. Lineated terrain was also smoothed by simulated echo‐sounding; lineations may indeed remain undetected if sounding system parameters are not properly selected. Inversion of the simulated measurements indicated that echo‐sounding measurements are dependent not only on the characteristics of the sounding system itself, but on other factors such as the character of the roughness and the orientation of the survey relative to the strike of lineations. The modeling technique provides a way to quantify the system response of a multibeam echo‐sounding system. This work resulted in recommendations as to the most appropriate system for an application in an area of rough bathymetry, and it led to the establishment of criteria for comparing multibeam systems in future applications.     

基于等效声速剖面法的多波束测深系统声线折射改正技术

多波束测深技术是近几年比较流行的海洋勘测手段之一,其具有全覆盖、无遗漏、高精度和高效率等特点。多波束测深系统的声学原理和海水的不均匀性,使得声波在传播过程中发生声线的折射现象,对波束测点的最终位置的归算带来较大的误差。针对多波束数据后处理方法,介绍了利用等效声速剖面法对多波束测深系统的声线折射进行改正的一种新方法,并通过试验对比,证明了该方法可以提高多波束测深系统的整体测量精度。     

Detection of deep water benthic macroalgae using image-based classification techniques on multibeam backscatter at Cashes Ledge,Gulf of Maine,USA

Benthic macroalgae form an important part of temperate marine ecosystems, exhibiting a complex three-dimensional character which represents a vital foraging and spawning ground for many juvenile fish species. In this research, image-based techniques for classification of multibeam backscatter are explored for the detection of benthic macroalgae at Cashes Ledge in the Gulf of Maine, USA. Two classifications were performed using QTC-Multiview, differentiated by application of a threshold filter, and macroalgal signatures were independently extracted from the raw sonar datagrams in Matlab. All classifications were validated by comparison with video ground-truth data. The unfiltered classification shows a high degree of complexity in the shallowest areas within the study site; the filtered demonstrates markedly less variation by depth. The unfiltered classification shows a positive agreement with the video ground-truth data; 82.6% of observations recording Laminaria sp., 39.1% of Agarum cribrosum and 100.0% (n = 3) of mixed macroalgae occur within the same acoustically distinct group of classes. These are discrete from the 8.1% recorded agreement with absences and nulls (>40 m) of macrophytes (n = 32) from a total of 86 ground-truth locations. The results of the water column data extraction (WCDE) show similar success, accurately predicting 78.3% of Laminaria sp. and 30.4% of A. cribrosum observations.     

多波束海底声像图的形成及应用研究

在探讨多波束海底声像图形成原理基础上,重点研究多个扇面、多个条带的反向散射强度数据拼接、镶嵌方法,将海底反向散射强度值向图像灰度值转换,最后形成海底声像图,为海底地貌解译、海底目标物探测以及海底底质类型划分提供判读依据。     

多波束声呐水体影像沉船自动提取方法

为解决人工浏览水体数据耗时且无法保证结果可重复性的问题,提高数据的利用率和定量分析能力,通过分析水体数据的成像机理,提出一种基于单帧水体影像自动提取沉船目标的算法,利用噪声抑制、数学形态学方法检测目标边缘,根据海底统计特性识别海底,再结合深度特性实现海底与沉船目标分离。使用实测数据验证了沉船自动提取算法,且抗噪性较强。通过水体影像提取的目标信息能够弥补水深点目标模型分辨率不足的缺点,为后续目标三维精细建模奠定基础。     

障碍物探测方法探讨

介绍了侧扫声纳、多波束测深系统、磁力仪的工作原理,提出了障碍物探测的相关技术要求。实例分析了综合利用侧扫声纳、多波束进行沉船探测的方法,结合侧扫声图和多波束水深探明障碍物的精确位置,测得最浅点水深,全面获得障碍物信息,大大提高了探测质量。对铁磁性小目标探测能力进行评估,并用实例加以分析和佐证。