高精度和高分辨率水下地形地貌探测技术综述

为提高我国水下地形地貌探测技术水平,促进对海洋的科学认知和高效开发利用,文章综述高精度和高分辨率水下地形地貌探测技术研发进展,并分析关键技术发展方向。研究结果表明:采用机载激光、多波束、侧扫声呐、浅地层剖面、双频识别声呐、合成孔径声呐和水下三维扫描声呐等探测技术以及无人船、水下机器人和海底观测网等探测平台,可获取高精度和高分辨率水下地形地貌信息;应在提高设备性能、减小探测误差和完善数据算法等方面加大研究力度,重点发展综合探测技术,从而全面和清晰地反映水下地形地貌。     

海底小目标声呐图像一维最大熵分割的改进方法

作为海洋高新技术,水声技术日益成为海洋水下探测的主要手段,而且有时是惟一的手段(比如对浑水或对远距离的情况).海底物体搜索、海底救捞、海底探宝、海底“黑烟囱”探测、海底施工以及海洋军事活动(如探测水雷)等多方面都涉及海底小目标(这里的“目标”泛指物体,包括各种人工制造物和自然形成物)探测.对海底小目标探测是一个困难而有意义的课题.高分辨成像声呐在海底小目标探测方面具有良好的应用前景.将高分辨成像声呐应用于海底小目标探测,图像处理是关键.图像分割是图像处理中的主要问题,也是机器视觉领域低层视觉中的主要问题,同时它又是一个经典难题.     

基于声呐图像的深海采矿车组合定位导航算法

实现高精度的定位导航是深海采矿车完成海底工作任务的基础条件。在采矿车行进过程中,声呐设备生成的图像信息能够反映海底场景的变化,从而体现采矿车本身的运动,由此建立了一种声呐图像里程计,并将其与轮式里程计和USBL测量数据相结合提出了一种深海采矿车组合定位导航算法。首先对多波束前视声呐图像进行预处理,然后使用Canny算法进行特征检测并对特征点云进行配准,再结合声呐成像原理构建了声呐图像里程计运动模型,最后通过轮式里程计运动模型推导预测方程、声呐图像里程计运动模型和USBL测量数据推导更新方程,利用EKF（extended Kalman filter）算法实现基于多传感器融合的定位与姿态估计。海试数据验证了该组合定位算法能实现轮式里程计、声呐里程计和超短基线在速度、位置、艏向角估计、定位速率的精度互补,具有一定的有效性和精确性,该算法为深海采矿车的定位与导航算法研发提供了参考。     

三维合成孔径声呐在海底掩埋目标探查中的应用现状与展望

为提高我国海底掩埋目标的探查技术,以适应不断发展的探测需求,文章综述了现有三维合成孔径声呐在海底掩埋目标探查中的应用现状,并对关键技术的发展方向进行了展望。结果表明:尽管三维合成孔径声呐在海底掩埋目标探查中具有较大的技术优势,但是由于技术难度大、复杂程度高,可提供成熟商用设备的单位仅有两家,中科探海研发的三维合成孔径声呐系统多项核心技术指标领先。运动误差估计和补偿技术,掩埋目标特征提取和识别分类算法,多通道大规模数据并行处理算法等关键技术将成为三维合成孔径声呐系统未来的发展方向。     

声呐探测技术在人工鱼礁建设中的应用

人工鱼礁作为海洋牧场的重要组成部分,在增殖和优化渔业资源、改善海洋生态环境、调整海洋渔业产业结构方面发挥着重要作用。人工鱼礁的规划设计、施工验收和后续的监测是建设海洋牧场技术方面的关键。为了充分发挥人工鱼礁的功能,需要对人工鱼礁开展精细及大规模的调查研究。传统的水下调查方式受限程度高,作业效率低下,而侧扫声呐可获取高分辨率的海底目标物图像,多波束测深系统可获取高精度的海底地形数据,两者结合可以给人工鱼礁的建设提供精确的海底地形地貌信息及人工鱼礁的空间信息,为人工鱼礁的设计、投放以及监测提供有效的技术支持。本文以目前国内外有关人工鱼礁建设的研究技术文献为基础,从人工鱼礁的前期选址、施工投放、空方量估算和后期监测等方面,归纳总结了水声技术及对应声学设备（侧扫声呐及多波束测深系统）在人工鱼礁建设中的应用,并对该技术应用前景做了展望。     

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。     

充分利用海洋环境提升声呐装备性能的研究

声呐装备的性能发挥与海洋环境密切相关。研究海洋环境对声呐装备的影响,积极推动环境适配型声呐装备的发展,对于综合利用水下探测和通信手段,提升我国水下信息化能力具有重要意义。着重分析典型海洋环境和过程对声呐性能的影响,包括不规则海底边界、海水的介质特性以及多尺度海洋动力过程, 通过算例对比说明环境效应对声呐的影响。进而,针对声呐装备的使用和发展,围绕环境适应与适配提出相关建议与措施。     

起伏地形条件下侧扫声呐探测存在的问题及改进方法——以海底管道检测为例

基于海底管道的检测数据,讨论了起伏地形对传统侧扫声呐探测结果的影响,为起伏地形条件下应用侧扫声呐探测海底管道的调查方案设计、探测精度优化提供参考。研究表明:海底管道周边存在的冲刷槽以及堆积体等复杂地形对侧扫声呐探测有遮挡效应,测量过程中需控制拖体与目标物的相对位置,保证有效覆盖,避免漏测;根据区域地形分布特征,海底跟踪时通过手动设置符合整体地形走势的水深值,忽略小规模起伏地形对拖体高度取值的影响,可有效降低斜距改正后平面位置偏离及目标物的形态畸变;分析了地形起伏的影响因素(k)对海底管道出露及悬空高度计算结果的影响,通过几何近似和简化,提出了海底管道出露及悬空高度计算结果改进方法,并应用该方法对已知管径的海底管道进行了验证,修正后管径反演值的绝均差和均方差都减小为原来的10%左右,可供侧扫声呐数据解释借鉴。     

基于FIO-COM的海洋声学预报系统的构建与应用

将海洋模式与声传播模型结合在一起,设计开发了一种适用于高性能计算机的全球海洋声学预报系统FIO-GOAFS,该系统以自然资源部第一海洋研究所全球0.1°分辨率海浪-潮流-环流耦合模式（FIO-COM）为基础,利用海洋模式预报的温、盐、深参数计算声速剖面,并对声速剖面进行水声环境特征诊断,之后将海洋模式与水下声场传播模型协同连接,结合地声模型（海底地形和底质参数）,实现了全球海域的水声环境特征诊断及水下声场及相关结果的预报。海洋模型提供水下声学预报所需的水体声速、海浪波高等参数,地声模型提供海底地形、底质声速、密度以及衰减等参数,通过调用海洋-声学连接模块提取声传播路径的地形及海洋环境参数剖面,实现海洋模型和声学模型的有效连接。全球海洋声学预报系统在高性能计算机上并行实现,主要包括声场计算中的频点、方位角并行以及声学预报时针对地理空间区域的并行。最后,利用该系统预报并分析了全球海域的水声环境特性及声呐作用距离的季节变化和空间分布特征,为现代声呐的设计、操作和水下应用提供参考。     

海底声学探测技术装备综述

先进的海底探测技术装备是快速和准确获取海底信息的关键,海底声学探测是目前最常用的方式之一。文章分别介绍多波束测深声呐、侧扫声呐、浅地层剖面仪和合成孔径声呐的研究现状、主流产品和发展趋势,分析我国相关技术装备存在研发较落后和产业化水平较低等问题,并提出加强军民融合,做好顶层设计以及推进产、学、研深度融合的建议。     

水声导航、定位技术发展趋势探讨

水声导航、定位技术在海洋科学和海洋工程中有着广泛的应用,近年来已逐渐向高精度、多传感器、多手段融合的方向发展。本文以导航、定位声纳的发展为关注对象,概述了水声导航、定位技术在技术前沿上的发展状况,提炼出其技术发展趋势,并介绍了水声导航、定位技术的应用前景。     

利用侧扫声呐和单道地震提取海底微地貌的方法

文章简要介绍侧扫声呐和单道地震系统的工作原理,并以海南岛南部近海海域为例,分析通过侧扫声呐图像和单道地震剖面提取沙波、沙脊、海底礁石和陡坎等海底微地貌的可行性及其过程。研究表明:沙波和海底礁石可通过对侧扫声呐图像的判读和识别,对比单道地震剖面图,直接在侧扫声呐图像上圈定;陡坎和沙脊可通过对单道地震剖面图的判读和识别,提取海底水深剖面数据制作平面剖面图,并结合潮流动力方向圈定;综合利用侧扫声呐和单道地震数据,可有效提高海底微地貌的解译精度。     

水声导航、定位技术发展趋势

水声导航、定位技术在海洋科学和海洋工程中有着广泛的应用,近年来已逐渐向高精度、多传感器、多手段融合的方向发展.本文以导航、定位声纳的发展为关注对象,概述了水声导航、定位技术在技术前沿上的发展状况,提炼出其技术发展趋势,并介绍了水声导航、定位技术的应用前景.     

旁侧声呐在海底探测中的应用和工作船动态定位施工技术

随着海洋工程建设及海上事故和海难的增多,日益增加的海底障碍物给海上安全生产和航运带来了前所未有的挑战和安全隐患,需要进行海上搜寻和水下探摸与处理。旁侧声呐和动力定位船的配合使用是处理这类问题的最佳选择,但租用动力定位船费用昂贵,成本很高。而根据工作区的实际情况利用渔船改装的动态定位船操作简单,且费用低廉,被海洋工作者广泛采用。本文介绍了旁侧声呐在海底障碍物探测中的应用和渔船改装的GPS动态定位船进行水上定位的工作原理和施工方法。装备GPS导航软件的渔船可以指示船只的实时位置。通过改变锚绳长度来改变船只位置的动态定位技术适用于水下搜寻和探摸处理工作。     

基于LOG算子的侧扫声呐海底线检测

针对侧扫声呐数据采集的特点,提出了一种基于图像边缘检测技术中LOG算子的海底线检测新方法,用于准确检测海底线从而对侧扫声呐资料进行斜距改正。通过实验数据处理,表明该方法较传统方法具有明显的优势。     

HiPAP100水下定位系统在海底摄像中的应用

分析了HiPAP100高精度声学定位系统及其水下定位原理,阐述了影响水声传播的因素及HiPAP100的解决办法,介绍了水下定位系统在我国海洋区域地质调查海底摄像测站作业中的应用,分析比较海底摄像常规定位与HiPAP100超短基线的定位精度,说明水下定位在海底摄像等水下拖曳和定点作业中的必要性和重要性。     

基于相关性分析的水下定位异常数据校正及丢失数据修补方法

超短基线是实现水下拖体设备精确导航定位的必备设备,是目前我国在国际海底区域进行资源深入调查研究的重要装备。受水声信号传播损失、多径效应和其它设备噪声等因素的影响,超短基线水下定位数据存在诸多异常点,已严重影响水下定位数据的可信度和使用。针对该问题,本文提出并实现了一种基于相关性分析的剔除随机异常点和回归填充改正算法,并采用国际海底区域实测水下定位数据对算法可靠性进行了验证,同时采用模拟仿真方法对小时间尺度的定位数据进行了预测对比,取得较好效果。结果表明,该算法快捷、有效,有望在后续国际海底区域调查中推广应用,为国际海底资源调查水下装备的准确定位提供直接服务。     

基于单水声信标距离量测的匹配定位方法

水声通信和测距能力是实现水下航行器准确定位的重要技术手段。当前基于水声定位的方法主要有利用测距和测向功能的水声定位技术以及水声测距辅助导航技术,二者的系统物理复杂度都比较高。本文提出了一种基于单水声信标距离量测的匹配定位方法,航行器在水声信标测距覆盖范围内,利用航行过程中多次测距信息构建测距圆序列形成位置约束,基于航位推算导航信息,将航行器在连续测距时间段内的相对航迹在圆序列上进行最优匹配,从而获得位置估计,通过对测距误差进行补偿可进一步提升定位精度。本方法所需物理系统结构复杂度低、可操作性强,仿真实验表明,该方法可以独立实现较高精度的定位。     

侧扫声纳系统在海底障碍物扫测中的应用

针对海道测量中侧扫声纳位置精度低的问题,利用GPS定位数据、单波束水深数据和侧扫数据,研究侧扫声纳扫海测量中海底障碍物信息精化问题。海上试验数据表明：文中提出的多源水声测量信息联合扫测海底障碍物的方法,可改善单一侧扫系统目标探测的精度,对海底目标物扫测具有较好的适用性。     

海底地质勘查现代技术方法的应用现状及发展趋势

概述了当今海底地质勘查现代技术的应用现状及发展趋势,主要包括高精度全球定位系统。海底地形测深系统,海洋水声,声层析技术,海底取样技术,深潜器技术和海底天然气水合物资源探测技术等,特别是20世纪90年代国家“863”计划海洋领域“海洋探查与资源开发技术”主题研究,研制和开发取得的一系列高技术成果。