1、劉曉,李海森, 周天,徐超,么彬水聲技術(shù)重點實驗室多子陣多波束海底地形地貌多子陣多波束海底地形地貌一體化探測技術(shù)一體化探測技術(shù) 研究背景研究背景12 算法測試結(jié)果算法測試結(jié)果34結(jié)論及展望結(jié)論及展望主要內(nèi)容主要內(nèi)容 多子陣多波束海底成像方法多子陣多波束海底成像方法2測深測深一、研究背景一、研究背景1.多波束測深聲吶的應用多波束測深聲吶的應用 作為一種高效、高精度的海洋勘測設(shè)備，具有可同時測深和海底作為一種高效、高精度的海洋勘測設(shè)備，具有可同時測深和海底聲吶成像的優(yōu)點。特別是近年來其成像結(jié)果在海底生境調(diào)查、底聲吶成像的優(yōu)點。特別是近年來其成像結(jié)果在海底生境調(diào)查、底質(zhì)分類等研究中都得到了廣泛的應用

2、質(zhì)分類等研究中都得到了廣泛的應用 聲吶成像聲吶成像多波束測深多波束測深聲吶聲吶沙底上的海草沙底上的海草暗礁上的藻類暗礁上的藻類測深測深一、研究背景及意義一、研究背景及意義2. .利用多波束測深聲吶進行海底成像利用多波束測深聲吶進行海底成像的主要方法的主要方法 偽側(cè)掃成像法偽側(cè)掃成像法海底海底聲吶聲吶t（1）偽側(cè)掃成像偽側(cè)掃成像(Pseudo-sidescan Imagery)法法：獨立于用于：獨立于用于測深的多波束形成兩個額外的寬波束，對寬波束覆蓋的扇面測深的多波束形成兩個額外的寬波束，對寬波束覆蓋的扇面進行幅度時間序列采樣進行幅度時間序列采樣聲吶聲吶海底海底（2）單值法：單值法：每個接收窄波

3、束只取一個聲強值，如波束主每個接收窄波束只取一個聲強值，如波束主軸方向的聲強值，或者是每個波束內(nèi)的平均聲強值。軸方向的聲強值，或者是每個波束內(nèi)的平均聲強值。 單值法單值法聲吶聲吶海底海底t（3）片斷片斷（Snippet）法：法：對每個接收窄波束都進行幅度時間序?qū)γ總€接收窄波束都進行幅度時間序列采樣，又稱腳印時間序列列采樣，又稱腳印時間序列（Footprint Time Series）法法 。Snippet方法方法一、研究背景及意義一、研究背景及意義3.三種方法對比三種方法對比優(yōu)優(yōu)勢勢劣劣勢勢聲吶正下方存在盲區(qū)，且聲吶正下方存在盲區(qū)，且因為使用了不同的波束測因為使用了不同的波束測量，需要對聲強數(shù)

4、據(jù)與測量，需要對聲強數(shù)據(jù)與測深數(shù)據(jù)進行復雜的融合深數(shù)據(jù)進行復雜的融合偽側(cè)掃成偽側(cè)掃成像法像法圖像分辨率高圖像分辨率高圖像分辨率低，尤其是圖像分辨率低，尤其是邊緣波束區(qū)域邊緣波束區(qū)域單值法單值法聲強數(shù)據(jù)與深度數(shù)據(jù)一聲強數(shù)據(jù)與深度數(shù)據(jù)一一對應，避免了數(shù)據(jù)融一對應，避免了數(shù)據(jù)融合問題合問題成像質(zhì)量受地形起伏影響成像質(zhì)量受地形起伏影響較大較大 Snippet法法避免了聲強數(shù)據(jù)與測深數(shù)避免了聲強數(shù)據(jù)與測深數(shù)據(jù)的融合問題，能同時獲據(jù)的融合問題，能同時獲得高分辨率的聲吶圖像。得高分辨率的聲吶圖像。當前研當前研究熱點究熱點一、研究背景及意義一、研究背景及意義3. . Snippet法法成像質(zhì)量受地形起伏影響較

5、大原因分析成像質(zhì)量受地形起伏影響較大原因分析傳統(tǒng)的多波束測深算法（如幅度、相位檢測法）只能估計出波束主軸方向檢測傳統(tǒng)的多波束測深算法（如幅度、相位檢測法）只能估計出波束主軸方向檢測點的空間位置，所以點的空間位置，所以Snippet法中除波束主軸方向其他聲強樣本的空間位置是法中除波束主軸方向其他聲強樣本的空間位置是通過假設(shè)波束內(nèi)為平海底情況得到，當波束內(nèi)的地形存在起伏時，解算的檢測通過假設(shè)波束內(nèi)為平海底情況得到，當波束內(nèi)的地形存在起伏時，解算的檢測點的位置與實際情況存在誤差，使得聲強數(shù)據(jù)與測深數(shù)據(jù)不能準確地一一對應。點的位置與實際情況存在誤差，使得聲強數(shù)據(jù)與測深數(shù)據(jù)不能準確地一一對應。 提出一種

6、多子陣多波束海底成像方法提出一種多子陣多波束海底成像方法 Snippet法原理幾何示意圖法原理幾何示意圖1、方法概述、方法概述二、多子陣多波束海底成像方法二、多子陣多波束海底成像方法利用多子陣檢利用多子陣檢測法獲得的高測法獲得的高精度、高空間精度、高空間分辨率分辨率TOA-DOATOA-DOA序列估計各海序列估計各海底檢測點的空底檢測點的空間位置和回波間位置和回波強度，并考慮強度，并考慮水聲環(huán)境以及水聲環(huán)境以及角度的影響對角度的影響對成像數(shù)據(jù)進行成像數(shù)據(jù)進行修正，以生成修正，以生成高質(zhì)量的聲納高質(zhì)量的聲納圖像。圖像。聲吶圖像聲吶圖像空間位置空間位置TOA-DOA序列序列多子陣檢測法多子陣檢測法

7、接收信號接收信號全陣波束形成全陣波束形成回波強度回波強度反向散射強度計算反向散射強度計算各測點灰度值各測點灰度值角度關(guān)系修正角度關(guān)系修正空間上同步成像數(shù)據(jù)處理流程成像數(shù)據(jù)處理流程2、多子陣檢測法、多子陣檢測法（1）將接收基陣劃分成將接收基陣劃分成L個重疊子陣，對每一個子陣都分別進個重疊子陣，對每一個子陣都分別進行空間波束形成；行空間波束形成；（2）求不同子陣同號波束之間的相位差；求不同子陣同號波束之間的相位差；（3）對不同子陣同號波束的輸出相位序列進行最小二乘擬合，對不同子陣同號波束的輸出相位序列進行最小二乘擬合，估計相位斜率估計相位斜率K ；（4）求解回波求解回波DOA：其中，其中，n代表采

8、樣時刻，即回波代表采樣時刻，即回波TOA。（5）圖像變換。）圖像變換。二、多子陣多波束海底成像方法二、多子陣多波束海底成像方法( )arcsin(sin)2rKn3、空間位置解算、空間位置解算在聲速已知的前提下，利用多子陣檢測法估計得到的在聲速已知的前提下，利用多子陣檢測法估計得到的DOA和和TOA可可計算海底深度和水平距離，即計算海底深度和水平距離，即二、多子陣多波束海底成像方法二、多子陣多波束海底成像方法cos2sin2sshc ntlc nt但由于聲波穿透水體到達海底經(jīng)歷的各個水層中的聲速間存但由于聲波穿透水體到達海底經(jīng)歷的各個水層中的聲速間存在差異，導致了實際的聲波傳播路線非直線，因此

9、海底檢測在差異，導致了實際的聲波傳播路線非直線，因此海底檢測點處的空間位置并不能用三角關(guān)系進行簡單的計算，而需要點處的空間位置并不能用三角關(guān)系進行簡單的計算，而需要在聲速剖面基礎(chǔ)上，采用層追加的方法來解算各檢測點相對在聲速剖面基礎(chǔ)上，采用層追加的方法來解算各檢測點相對于船體坐標系的坐標位置。于船體坐標系的坐標位置。 采用基于層內(nèi)常梯度假設(shè)下的聲線跟蹤技術(shù)采用基于層內(nèi)常梯度假設(shè)下的聲線跟蹤技術(shù) 3、空間位置解算、空間位置解算二、多子陣多波束海底成像方法二、多子陣多波束海底成像方法層內(nèi)常梯度聲線跟蹤示意圖層內(nèi)常梯度聲線跟蹤示意圖 常數(shù)iiiizCCg100/sinCpiiiipgpCpCx2/12

10、2/121)(1 )(1 聲線在層聲線在層i i內(nèi)的水平位移內(nèi)的水平位移：聲線在層聲線在層i i內(nèi)經(jīng)歷的時間：內(nèi)經(jīng)歷的時間： HiiiiiCpgpCpCt)arcsin()arcsin(1將傳播時間逐層累加并與實際測量的單程傳播時間進行比較判斷傳播層數(shù)，將傳播時間逐層累加并與實際測量的單程傳播時間進行比較判斷傳播層數(shù)，解算各海底檢測點相對于基陣中心的水平位移和垂直深度。再結(jié)合基陣的解算各海底檢測點相對于基陣中心的水平位移和垂直深度。再結(jié)合基陣的GPS數(shù)據(jù)與測量船的姿態(tài)信息就可以估計出檢測點的空間位置坐標，即數(shù)據(jù)與測量船的姿態(tài)信息就可以估計出檢測點的空間位置坐標，即地形地形信息信息 。由于海底各

11、檢測點是利用多子陣檢測法得到的實際測點，所以避免由于海底各檢測點是利用多子陣檢測法得到的實際測點，所以避免了了“snippet”方法中當波束內(nèi)的地形存在起伏時解算的檢測點位置與實際情方法中當波束內(nèi)的地形存在起伏時解算的檢測點位置與實際情況存在誤差的問題況存在誤差的問題 。4、回波強度估計、回波強度估計二、多子陣多波束海底成像方法二、多子陣多波束海底成像方法回波強度估計原理示意圖回波強度估計原理示意圖0.42arcsin sinhrNd0.42arcsin sinlrNd對利用多子陣檢測法所得的對利用多子陣檢測法所得的DOA-TOA序列中進行搜索，設(shè)序列中進行搜索，設(shè)有有H個角度在個角度在內(nèi)內(nèi),

12、 ,并并將其記為將其記為，相對應的相對應的TOA記為記為（j=1,H）。）。由于每個采樣時刻的回波信號都由由于每個采樣時刻的回波信號都由大量的海底散射點組成，所以利用得到的大量的海底散射點組成，所以利用得到的TOA對波束輸出信號進行采樣，得到對波束輸出信號進行采樣，得到H個個長度等于發(fā)射脈寬長度的幅度時間序列，并由此估計各檢測點的回波強度。長度等于發(fā)射脈寬長度的幅度時間序列，并由此估計各檢測點的回波強度。,hl jjt, 第第j j個檢測點處的回波信號強度個檢測點處的回波信號強度: : 21NrjnIAnNsNTf波束輸出幅度采樣頻率發(fā)射脈寬與空間位置解算用的是同一DOA-TOA序列，所以兩者

13、測量的是相同的檢測點，實現(xiàn)了共點測量對接收陣進行多波束形成，利用每個接收窄波束的輸出信號對回波強度進行估計。對接收陣進行多波束形成，利用每個接收窄波束的輸出信號對回波強度進行估計?？紤]到基陣波束指向性對接收信號幅度的影響，只保留半功率點波束寬度范圍內(nèi)的考慮到基陣波束指向性對接收信號幅度的影響，只保留半功率點波束寬度范圍內(nèi)的波束輸出信號用于估計。波束輸出信號用于估計。1、方法概述、方法概述二、多子陣多波束海底成像方法二、多子陣多波束海底成像方法利用多子陣檢利用多子陣檢測法獲得的高測法獲得的高精度、高空間精度、高空間分辨率分辨率TOA-DOATOA-DOA序列估計各海序列估計各海底檢測點的空底檢測

14、點的空間位置和回波間位置和回波強度，并考慮強度，并考慮水聲環(huán)境以及水聲環(huán)境以及角度的影響對角度的影響對成像數(shù)據(jù)進行成像數(shù)據(jù)進行修正，以生成修正，以生成高質(zhì)量的聲納高質(zhì)量的聲納圖像。圖像。聲吶圖像聲吶圖像空間位置空間位置TOA-DOA序列序列多子陣檢測法多子陣檢測法接收信號接收信號全陣波束形成全陣波束形成回波強度回波強度反向散射強度計算反向散射強度計算各測點灰度值各測點灰度值角度關(guān)系修正角度關(guān)系修正空間上同步成像數(shù)據(jù)處理流程成像數(shù)據(jù)處理流程聲波在傳播過程中受到傳播損失、聲波在傳播過程中受到傳播損失、波束指向性、有效聲照射面積、系波束指向性、有效聲照射面積、系統(tǒng)處理增益等因素影響，計算得到統(tǒng)處理增

15、益等因素影響，計算得到的回波強度并不能直接反映海底地的回波強度并不能直接反映海底地貌特征，因此在實際測量中需對它貌特征，因此在實際測量中需對它們進行補償以獲得實際海底反向散們進行補償以獲得實際海底反向散射強度射強度 5、海底反向散射強度估計、海底反向散射強度估計二、多子陣多波束海底成像方法二、多子陣多波束海底成像方法聲吶方程：聲吶方程： 1010010log210logIBSSLTLDAGI0I其中，其中， 是參考聲強是參考聲強；SL 是是聲源級；聲源級； BS是海底反向散射強度。是海底反向散射強度。TL 是傳播損失，主要原因包括擴展損失和吸收損失是傳播損失，主要原因包括擴展損失和吸收損失 ：

16、rrTLlg20D 是波束指向性是波束指向性：sinsinsin(sinsin)( )sinsin(sinsin)rrLdNDLdNG是系統(tǒng)處理增益，由實際測量獲得。是系統(tǒng)處理增益，由實際測量獲得。5、海底反向散射強度估計、海底反向散射強度估計二、多子陣多波束海底成像方法二、多子陣多波束海底成像方法A是有效聲照射面積。是有效聲照射面積。insonifbeamAAA有效聲照射面積為二者的相交部分，即有效聲照射面積為二者的相交部分，即beamAinsonifAA有效聲照射面積示意圖 2sinTinsonifRcA2sin()cosTRbeamRA 發(fā)射陣平行航跡方向波束寬度發(fā)射陣平行航跡方向波束寬

17、度 接收陣垂直航跡方向波束寬度接收陣垂直航跡方向波束寬度R R 基陣到海底的距離基陣到海底的距離 TR將上述得到的各變量值代入到聲吶方程便可計算出將上述得到的各變量值代入到聲吶方程便可計算出BSBS，即，即地貌信地貌信息。息。1、方法概述、方法概述二、多子陣多波束海底成像方法二、多子陣多波束海底成像方法利用多子陣檢利用多子陣檢測法獲得的高測法獲得的高精度、高空間精度、高空間分辨率分辨率TOA-DOATOA-DOA序列估計各海序列估計各海底檢測點的空底檢測點的空間位置和回波間位置和回波強度，并考慮強度，并考慮水聲環(huán)境以及水聲環(huán)境以及角度的影響對角度的影響對成像數(shù)據(jù)進行成像數(shù)據(jù)進行修正，以生成修正

18、，以生成高質(zhì)量的聲納高質(zhì)量的聲納圖像。圖像。聲吶圖像聲吶圖像空間位置空間位置TOA-DOA序列序列多子陣檢測法多子陣檢測法接收信號接收信號全陣波束形成全陣波束形成回波強度回波強度反向散射強度計算反向散射強度計算各測點灰度值各測點灰度值角度關(guān)系修正角度關(guān)系修正空間上同步成像數(shù)據(jù)處理流程成像數(shù)據(jù)處理流程由于反向散射強度有很強的角度關(guān)由于反向散射強度有很強的角度關(guān)系，如果直接成像將無法區(qū)分是海系，如果直接成像將無法區(qū)分是海底特征還是入射角度對反向散射強底特征還是入射角度對反向散射強度產(chǎn)生了影響，這會導致成像效果度產(chǎn)生了影響，這會導致成像效果不理想，所以在最終成圖之前需要不理想，所以在最終成圖之前需要

19、將其消除將其消除 二、多子陣多波束海底成像方法二、多子陣多波束海底成像方法6、角度關(guān)系修正、角度關(guān)系修正采用一種經(jīng)驗修正方法，對整個航跡測得的反向散射強度角采用一種經(jīng)驗修正方法，對整個航跡測得的反向散射強度角度趨勢進行平均處理，具體表示為度趨勢進行平均處理，具體表示為 ( )( )( )( )corBSBSBSBS 為上述所有數(shù)據(jù)的平均值為上述所有數(shù)據(jù)的平均值 BS 為角度是為角度是 時反向散射強度數(shù)據(jù)的平均值，加此項的目時反向散射強度數(shù)據(jù)的平均值，加此項的目的是使修正結(jié)果可以與其他修正方法更好地相比較。的是使修正結(jié)果可以與其他修正方法更好地相比較。( )BS( )BS 為在為在 度處取樣窗內(nèi)

20、的所有反向散射強度數(shù)據(jù)度處取樣窗內(nèi)的所有反向散射強度數(shù)據(jù)1、方法概述、方法概述二、多子陣多波束海底成像方法二、多子陣多波束海底成像方法利用多子陣檢利用多子陣檢測法獲得的高測法獲得的高精度、高空間精度、高空間分辨率分辨率TOA-DOATOA-DOA序列估計各海序列估計各海底檢測點的空底檢測點的空間位置和回波間位置和回波強度，并考慮強度，并考慮水聲環(huán)境以及水聲環(huán)境以及角度的影響對角度的影響對成像數(shù)據(jù)進行成像數(shù)據(jù)進行修正，以生成修正，以生成高質(zhì)量的聲納高質(zhì)量的聲納圖像。圖像。聲吶圖像聲吶圖像空間位置空間位置TOA-DOA序列序列多子陣檢測法多子陣檢測法接收信號接收信號全陣波束形成全陣波束形成回波強度

21、回波強度反向散射強度計算反向散射強度計算各測點灰度值各測點灰度值角度關(guān)系修正角度關(guān)系修正空間上同步成像數(shù)據(jù)處理流程成像數(shù)據(jù)處理流程將修正后的反向?qū)⑿拚蟮姆聪蛏⑸鋸姸葦?shù)據(jù)通散射強度數(shù)據(jù)通過量化處理得到過量化處理得到各檢測點的灰度各檢測點的灰度值，結(jié)合其的空值，結(jié)合其的空間位置信息便可間位置信息便可得到海底聲吶圖得到海底聲吶圖像像三、算法測試結(jié)果三、算法測試結(jié)果1、實驗系統(tǒng)、實驗系統(tǒng)多波束測深聲吶系統(tǒng)組成圖多波束測深聲吶系統(tǒng)組成圖 2009年吉林松花湖大年吉林松花湖大壩前開闊水域水下地壩前開闊水域水下地形圖形圖三、算法測試結(jié)果三、算法測試結(jié)果2、算法性能驗證、算法性能驗證0.070.080.090.10.110.120.13-100-50050100信號到達方向/ 信號到達時間/ sWMT 法估計結(jié)果法估計結(jié)果0.070.080.090.10.110.120.13-100-50050100信號到達方向/ 信號到達時間/ s多子陣檢測多子陣檢測法估計結(jié)果法估計結(jié)果WMT法在一個波束內(nèi)只能獲得一法在一個波束內(nèi)只能獲得一個測量值，而多子陣檢測法可以對個測量值，而多子陣檢測法可以對海底進行近似連續(xù)的測量，所以在海底進行近似連續(xù)的測量，所以在各個波束內(nèi)可獲得大量的回波強度各個波束內(nèi)可獲得大量的回波強度值在橫向測量區(qū)域密集地分布，從值在橫向測量區(qū)域密集地分布，從而具有較好的成像分辨能力。而