传统多波束系统与具有相干特点的多波束系统的研究

传统多波束系统和具有相干特点的多波束系统(以下简称相干多波束系统)在波束的形成原理上分别运用了束控法和相干法两种不同的方法。相干法在波束的形成原理上已经没有了传统的“波束”的概念,它在获取数据量上的绝对优势使相干多波束系统在数据密度、准确度以及分辨率上较之传统多波束系统都有较大的提高。这些特性使得相干多波束系统在测深方面尤其是浅水测深上将发挥越来越大的作用。     

原始多波束数据的格式转换与统一

针对国内外常用多波束系统原始数据的格式差异给数据管理和后处理成图带来的困难。在自主开发的微机版多波束海底地形电子成图系统MBChart中，研制了可扩充、兼容性好和记录完备自定义的二进制整数字节排列的标准多波束数据结构，以快捷、统一的方式实现各种数据的综合处理。     

多源多波束数据格式解码及统一管理软件设计

多波束数据的广泛利用目前存在两个问题：一是多波束数据多以二进制等形式存储,难以直接进行读取使用;二是由于不同厂商的数据格式不同,批量处理多个来源数据的难度较大。为此,研究了S7K、ALL、HSX、XTF、XSE、GSF共6种主流多波束数据格式及数据结构,并比较分析了不同数据格式之间的差异性。在此基础上,设计开发了一款能够自动解译并快速显示和存储所需数据的软件系统。该软件通过数据库技术管理海量数据,可以按照自定义格式存储关键数据并以文本格式输出,数据可视化图形实时检索定位,有助于提高多波束数据解译和分析的效率。     

多波束回声测深系统测量数据的分离提取方法

通过对Em系列多波束测深系统原始数据结构分析,提出了从原始测量数据中提取各种测量数据的技术方法,并编程实现了该方法。该技术方法对多波束测量数据的分析处理有重要的意义。     

相干声纳多波束与传统型多波束测深系统综合对比与实验分析

在工作原理、技术参数、采集软件和处理软件功能与操作,以及数据实测等方面对相干声纳多波束测深系统Geoswath Plus和传统型多波束测深系统Seabeam 1180进行了详细对比。对比表明,两套多波束系统的工作原理完全不同;传统型多波束测深系统在探头下方数据密集,两侧的数据逐渐变稀,相干声纳多波束测深系统在探头正下方的数据比较稀疏,探头两侧的数据较密集;相干声纳多波束测深系统Geoswath Plus的采集和处理软件实现了一体化,具有较直观的数据质量监控功能,传统型多波束测深系统Seabeam 1180可应用的后处理软件较多,功能更丰富;通过实测数据验证,两套多波束测深系统在数据测量精度上具有较好的一致性,不符值数列的标准偏差为3%—4%。对比为多波束测深系统的引进和选型提供了参考依据。     

EM1002S与GeoSwath多波束声纳系统测深精度比较分析

多波束勘测之前,为了保证多波束成果质量,需要对多波束声纳系统进行一系列设备安装校准和精度评估工作.基于在渤海湾开展的多波束海底地形地貌勘测项目,在项目勘测之前,对EM1002S与GeoSwath多波束声纳系统进行了安装校准,并对2套多波束声纳系统的测深精度进行了比较分析,通过计算得到两套系统之间的最大测深误差为-0.38 m,测深误差主要为0～0.2 m,无超限数据,结果分析显示2套多波束声纳系统的测深精度满足勘测技术要求,为我们调查工作的顺利开展奠定了良好的基础.     

多波束勘测的数据编辑方法

仪器自噪声、海况因素或多波束声纳参数设置不合理等因素导致多波束勘测中不可避免地存在噪音,而剔除假信息,恢复、保留起初信息,是后处理精确成图的必要前提。作者根据使用不同多波束系统的经验,并结合７６３计划海洋领域多波呸后处理软件研制的最新成果,提出用趋势面拟合法和投影法对海量多波束勘测数据进行编辑,在投影法的基础上,进上步提出用“水深分层法”、“相邻波束及相邻测线对比编辑”和“参考地形变化趋势编辑”等     

陆架边缘的多波束测量

大陆架边缘和大陆坡的水深变化较快，在中国东海陆架边缘水深从100m左右快速地变化到陆坡的几千米。从系统的测程和精度考虑，在陆架边缘和陆坡区同时使用浅水型和深水型多波束系统进行测量是一种合理的作业模式。深、浅水多波束系统在i作频率、发射更新率、信号取样率以及波束宽度上都有较大的不同，这些因素直接影响到海底地形测量成果。对用Simrad EM950浅水型多波束系统和SeaBeam2112深水型多波束系统在同一陆架边缘的测量结果进行了比较。     

基于相干原理的多波束测深新算法

为了改善多波束声纳的分辨率,提出了一种基于相干原理的测深新算法,对每一个波束脚印内的信号进行相干处理,获得了大量的海底深度值。在此基础上,采用新算法对仿真数据和某型号多波束测深声纳湖上实验数据进行处理。结果表明,相对于传统多波束测深算法,该算法可显著提高声纳海底测量的分辨率,获得大量的海底深度测量值。     

多波束数据融合方法研究

针对大型多波束地形调查中存在的多波束测量重叠区和接边区水深的不一致,研究了多波束测量重叠区和接边区的多波束数据的融合方法,分别采用反距离加权法、移动平均法和最小曲率法进行数据融合,比较3种方法的融合精度,认为最小曲率法是这3种方法中最适合用来进行重叠区多波束数据融合的方法.     

Processing and analysis of Simrad multibeam sonar data

The common approach to analysing data collected with multibeam and sidescan sonars is to visually interpret charts of contoured bathymetry and mosaics of seabed images. However, some of the information content is lost by processing the data into charts because this involves some averaging; the analysis might uncover more information if done on the data at an earlier stage in the processing. Motivated by this potential, I have created a software system which can be used to analyse data collected with Simrad EM1000 (shallow water) and EM12 (deep water) multibeam sonars, as well as to generate bathymetry contour charts and backscatter mosaics. The system includes data preprocessing, such as navigation filtering, depth filtering (removal of outlying values), and amplitude mapping using the multibeam bathymetry to correctly position image pixels across the swath. The data attributes that can be analysed include the orientation and slope of the seafloor, and the mean signal strength for each sounding. To determine bathymetry attributes such as slope, the soundings across a number of beams and across a series of pings are grouped and a least-squares plane fitted to them. Bathymetric curvature is obtained by detrending the grouped data using the least-squares plane and fitting a paraboloid to the residuals. The magnitudes and signs of the paraboloid's coefficients reveal depressions and hills and their orientations. Furthermore, the seafloor geology can be classified using a simple combination of these attributes. For example, flat-lying sediments can be classified where the backscatter, slope and curvature fall below specified values.     

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。     

混浊水域多波束反向散射强度传播损失改正

为了改善现有的反向散射强度传播损失改正方法在混浊水域适应性较弱的问题,提出了混浊水域声传播损失计算模型。首先利用不同深度的海洋环境参数构建声波吸收系数剖面,然后基于声速,沿波束传播路径,对每个波束分层计算传播损失。实验分析表明,本方法传播损失改正效果最佳,其Spearman等级相关系数绝对值仅为0.04,远小于传统模型和TVG改正,大大减弱了混浊水域情况下多波束回波强度与传播距离的相关性,有效改善了多波束声呐图像的质量。     

基于中值滤波加权修正的多波束声呐测深数据趋势面滤波方法

针对传统趋势面滤波方法中多项式拟合曲面系数向量的求取和作为阈值的均方根误差的求取都受到异常数据的影响,使该方法在异常测深数据较多的情况下滤波效果不佳的问题,提出了一种中值滤波加权修正的改进方法。在构造趋势面之前,对水深数据进行加权修正,以前后两次修正后数据的拟合优度的变化量作为是否进行下一步水深修正的依据,利用最终修正后的水深数据求取多项式拟合曲面系数向量和均方根误差,大幅降低了异常数据的影响,具有很强的抗差性。经仿真模拟数据和多波束实测数据滤波试验,该方法在异常数据较多的情况下依然良好,能够保持良好的滤波效果,明显优于传统趋势面滤波;同时,该方法能够保持较高的运算效率,适用于海量多波束测深数据的自动滤波。     

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.     

侧扫声呐探测数据管理系统设计与实现

侧扫声呐调查获得的数据是一类格式特殊、类型多样、结构复杂、数据量庞大、包含信息丰富的数据,设计和建屯侧扫声呐数据管理系统是数据深层次应用和共享的前提.针对侧扫声呐数据的特点,本文将侧扫声呐获得的完整数据体系规划为原始数据层、标准化数据层、目标数据层和元数据层4个层次,设计并开发了侧扫声呐数据管理系统,整个管理系统包括原...     

From oblique subduction to intra-continental transpression: Structures of the southern Kermadec-Hikurangi margin from multibeam bathymetry,side-scan sonar and seismic reflection

The southern Kermadec-Hikurangi convergent margin, east of New Zealand, accommodates the oblique subduction of the oceanic Hikurangi Plateau at rates of 4–5 cm/yr. Swath bathymetry and sidescan data, together with seismic reflection and geopotential data obtained during the GEODYNZ-SUD cruise, showed major changes in tectonic style along the margin. The changes reflect the size and abundance of seamounts on the subducting plateau, the presence and thickness of trench-fill turbidites, and the change to increasing obliquity and intracontinental transpression towards the south. In this paper, we provide evidence that faulting with a significant strike-slip component is widespread along the entire 1000 km margin. Subduction of the northeastern scrap of the Hikurangi Plateau is marked by an offset in the Kermadec Trench and adjacent margin, and by a major NW-trending tear fault in the scarp. To the south, the southern Kermadec Trench is devoid of turbidite fill and the adjacent margin is characterized by an up to 1200 m high scarp that locally separates apparent clockwise rotated blocks on the upper slope from strike-slip faults and mass wasting on the lower slope. The northern Hikurangi Trough has at least 1 km of trench-fill but its adjacent margin is characterized by tectonic erosion. The toe of the margin is indented by 10–25 km for more than 200 km, and this is inferred to be the result of repeated impacts of the large seamounts that are abundant on the northern Hikurangi Plateau. The two most recent impacts have left major indentations in the margin. The central Hikurangi margin is characterized by development of a wide accretionary wedge on the lower slope, and by transpression of presubduction passive margin sediments on the upper slope. Shortening across the wedge together with a component of strike-slip motion on the upper slope supports an interpretation of some strain partitioning. The southern Hikurangi margin is a narrow, mainly compressive belt along a very oblique, apparently locked subduction zone.     

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。     

SeaBeam 3030多波束系统在南海冷泉调查中的应用

在冷泉调查研究中,多波束系统因其快速高效、成本较低的特点被广泛应用.本文靶定南海北部陆坡琼东南盆地冷泉发育区,介绍了SeaBeam 3030多波束系统在冷泉发育区中的调查应用实例.通过分析多波束水深数据和水体数据,确定了调查区海底地形地貌以及水体羽状流特征,同时对该冷泉区开展综合调查的必要性进行了初步分析.研究表明,调...