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.     

基于多维度声学特征优选的多波束海底底质分类

海底表层底质分布信息的准确获取在构建海洋基础地理数据库中发挥着重要作用。目前,多波束是实现大范围海底底质分类的有效手段之一,基于多波束测深和反向散射强度数据所派生的声学特征被广泛应用于底质分类建模。然而,随着特征维度的增加,特征空间中存在的无关和冗余特征严重影响底质分类精度。为了定量评估声学特征对底质类别的表征能力,并消除无效特征对分类结果的干扰,本文提出了基于多维度声学特征优选的海底底质分类方法。首先,结合实际底质样本的物理属性对多维特征进行排序和优选,排除冗余和无关特征。其次,分别应用支持向量机、随机森林和深度信念网络构建海底底质监督分类模型。通过利用爱尔兰海南部多波束调查数据和实地取样信息进行试验,结果表明提出方法对海底底质的总体分类精度和Kappa系数分别最高达到了86.20%和0.834,相较于主成分分析和熵指标特征选择方法有明显提高,突出了该方法在海底底质探测及制图的应用潜力。     

介绍几种典型的海底底质分类技术

本文主要介绍了四家海洋仪器公司的最新海底底质分类技术。它们分别利用多波束的反向散射强度数据、单波束的回声波形结构数据和旁侧声纳数据。采用了多参数统计分析、波形结构分析和影像属性分析等方法，实现了快速、高效、大面积地对海底底质进行间接的分类。尽管它们的技术各不相同，但都可以分为监督分类方式和非监督分类方式。     

海底地形成图子系统MBMap的设计及特点

简要论述了基于GIS图层面向对象的海底地形成图子系统MBMap的设计思想和主要特点。该系统以处理矢量数据为主，但同时顾及到栅格数据。该系统最大的优点是基于海底数字地面模型进行自动化成图，不仅能够以变间距来绘制等值线，而且基于图形的内外边界建立等值树，从而实现等值线的快速矢量充填，另外，还基于OpenGL技术实现三维仿真图的绘制。系统不但提供了常规的GIS编辑制图功能，还提供了人机交互矢量化功能。该系统还可直接基于电子地图进行GPS导航定位。该系统的成功设计和实现，可望为开展“数字海洋”的研究提供原型。     

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。     

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。     

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。     

多波束海底地形三维虚拟仿真研究

基于多波束探测获得的高精度海底地形数据,通过对水下地形进行设色纹理渲染生成地形和纹理数据集,以三维建模软件Multigen Creator和Terra Vista为主要工具,采用细节层次LOD(Levels of Detail)技术和虚拟纹理映射技术,建立起视景仿真领域通用的OpenFlight数据格式的三维地形数据库模型。利用交互式三维可视化分析软件Vega Prime可以真实直观地反映海底地形环境,实现了海底地形的三维可视化与漫游,可以更直观地表现和解译水下地形数据。虚拟现实技术为海洋测量数据的三维可视化展示方面提供了新的技术途径,在水下目标分析、航行保障和水下AUV、ROV安全保障中具有良好的应用前景。     

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。     

Processing Multibeam Backscatter Data

A new highly precise source of data has recently become available using multibeam sonar systems in hydrography. Multibeam sonar systems can provide hydrographic quality depth data as well as high-resolution seafloor sonar images. We utilize the seafloor backscatter strength data of each beam from multibeam sonar and the automatic classification technology so that we can get the seafloor type identification maps. In this article, analyzing all kinds of error effects in backscatter strength, data are based on the relationship between backscatter strength and seafloor types. We emphasize particularly analyzing the influences of local bottom slope and near nadir reflection in backscatter strength data. We also give the correction algorithms and results of these two influent factors. After processing the raw backscatter strength data and correcting error effects, we can get processed backscatter strength data which reflect the features of seafloor types only. Applying the processed backscatter strength data and mosaicked seafloor sonar images, we engage in seafloor classification and geomorphy interpretation in future research.     

Processing Multibeam Backscatter Data

A new highly precise source of data has recently become available using multibeam sonar systems in hydrography. Multibeam sonar systems can provide hydrographic quality depth data as well as high-resolution seafloor sonar images. We utilize the seafloor backscatter strength data of each beam from multibeam sonar and the automatic classification technology so that we can get the seafloor type identification maps. In this article, analyzing all kinds of error effects in backscatter strength, data are based on the relationship between backscatter strength and seafloor types. We emphasize particularly analyzing the influences of local bottom slope and near nadir reflection in backscatter strength data. We also give the correction algorithms and results of these two influent factors. After processing the raw backscatter strength data and correcting error effects, we can get processed backscatter strength data which reflect the features of seafloor types only. Applying the processed backscatter strength data and mosaicked seafloor sonar images, we engage in seafloor classification and geomorphy interpretation in future research.     

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.     

多波束成像声纳系统低功耗设计

针对多波束成像声纳系统降低系统功耗提高续航能力的要求,从硬件和算法两个方面展开了对系统的低功耗设计。硬件方面通过采用单电源运算放大器(OPA)电路架构对系统调理模块的放大、滤波链路进行了重新设计,实际测试结果表明实现了14.37W的系统功耗降低。算法方面通过提出一种基于圆阵的旋转多波束形成方法,在完成系统多波束设计的基础上实现了85倍的资源优化效果,为信号处理模块的FPGA芯片低功耗选型提供了技术支撑。     

声速剖面改正对多波束测深的影响

声波在水中的传播受水的温度、盐度、深度以及时间等因素的影响,并且受水介质的运动而经常发生复杂变化。不同的声速结构将直接影响波束射线的空间路径,因此声速剖面的改正直接影响着多波束测深的精度。通过实测的几种变形的海底地形,阐明了声速剖面改正对多波束测深精度的影响,以及如何在测量过程中和数据后处理中避免、消除声速剖面改正带来的测深误差,提出了切实可行的方法。     

多波束和侧扫声纳系统在海底目标探测中的应用

介绍了多波束测深系统和侧扫声纳系统的工作原理,通过实例说明了多波束测深系统和侧扫声纳系统在海底目标探测的工作流程,总结出两种探测系统在探测海底目标上的优缺点,说明了多种探测手段的综合应用是海底目标探测技术的发展方向。     

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。