成像聲吶及成像機(jī)理概述目錄TOC\o"1-3"\h\u12343成像聲吶及成像機(jī)理概述 1208491.1側(cè)掃聲吶系統(tǒng)組成及功能 141641.2成像機(jī)理 2264211.3海洋環(huán)境噪聲模型 61.1側(cè)掃聲吶系統(tǒng)組成及功能目前，探測海洋地貌大多采用高分辨率成像聲吶。本文研究的是在深海下的聲吶圖像，它通常是由側(cè)掃聲吶獲取的。我國開始進(jìn)行側(cè)掃聲吶的研制距今已經(jīng)40多年，其發(fā)展過程從單側(cè)懸掛式到雙側(cè)雙頻拖曳式。根據(jù)發(fā)射信號(hào)形式，側(cè)掃聲吶分為單頻、雙頻，單波束、多波束等類型。隨著側(cè)掃聲吶發(fā)展技術(shù)越發(fā)成熟，現(xiàn)在的側(cè)掃聲吶已經(jīng)可以顯示微地貌形態(tài)和分布。側(cè)掃聲吶的基本系統(tǒng)主要由聲吶處理器、聲吶接收機(jī)、電纜絞車、拖魚等組成。具體系統(tǒng)圖如圖1.1所示。圖1.1側(cè)掃聲吶系統(tǒng)基本組成聲吶接收機(jī)負(fù)責(zé)發(fā)送和接收聲波的回波強(qiáng)度，依據(jù)回波強(qiáng)度的不同在圖像上顯示的也不一樣；聲吶處理器負(fù)責(zé)將收集到的圖像信息進(jìn)行圖像處理。絞車由絞車和吊桿組成，對(duì)拖魚進(jìn)行拖曳操作。絞車也有很多類型，一般根據(jù)工作環(huán)境而定，在淺海工作時(shí)，就可以選用手動(dòng)絞車；但在深海大船環(huán)境下，需要選用方便的電動(dòng)絞車[41]。拖電纜一頭連接電動(dòng)絞車上滑環(huán)，另一頭連接拖魚。拖纜的主要作用就是方便拖曳拖魚工作，其次就是傳遞信號(hào)。拖纜通常有輕型和鎧裝兩種類型，用于較淺的海區(qū)選擇輕型電纜，用于較深的海區(qū)選擇鎧裝電纜。拖魚分為魚前部和魚后部，實(shí)例圖如圖1.2所示[42]。魚前部包括魚頭、換能器艙和拖曳鉤等部分；魚后部包括電子艙、魚尾、尾翼等部分。圖1.2拖魚實(shí)例圖1.2成像機(jī)理聲吶圖像與光學(xué)圖像在成像原理與機(jī)制上有著本質(zhì)的區(qū)別，其分辨率和探測距離之間存在固有的矛盾，較高的分辨率要使用脈寬較窄的信號(hào)，較遠(yuǎn)的探測距離則要求脈寬較寬的信號(hào)。多波束側(cè)掃聲吶在探測海底地形工作中可同時(shí)獲取一整條測量線的數(shù)據(jù)[44]，工作效率快，但到達(dá)深海時(shí)，單位面積內(nèi)測點(diǎn)分辨率快速下降，工作不穩(wěn)定。與多波束系統(tǒng)相比，側(cè)掃聲吶獲得的海底聲學(xué)圖像的分辨率高，在深海區(qū)常采用拖曳作業(yè)模式、掃描線成像技術(shù)獲得走航過程中海底影像瀑布圖，通過畸變校準(zhǔn)、灰度均衡、拖魚歸位等處理，獲得高分辨率海底地貌圖像[43]。用于海底探測的側(cè)掃聲吶結(jié)構(gòu)圖如圖1.3所示。盡管側(cè)掃聲吶受其測量機(jī)理的制約不能直接獲取海底地形深度信息及目標(biāo)物的高度信息，但側(cè)掃聲吶圖像中隱含了大量的海底地形或目標(biāo)物高度信息[44]。圖1.3海洋側(cè)掃聲吶結(jié)構(gòu)圖本文主要對(duì)側(cè)掃聲吶圖像進(jìn)行研究，它是一種灰度圖像，本來沒有顏色信息，但是可以通過后期對(duì)灰度圖像進(jìn)行偽彩色處理，提高目標(biāo)物的辨識(shí)率。側(cè)掃聲吶圖像中像素灰度值的大小與水底物質(zhì)反射聲波的強(qiáng)弱有關(guān)。如果灰度值較大，證明回波強(qiáng)度大，發(fā)射的聲波遇到水底物質(zhì)是硬而凸起的；如果灰度值較小，證明回波強(qiáng)度弱，換能器發(fā)射的聲波遇到水底的物質(zhì)是軟并且凹下去的；圖像上沒有顯示像素點(diǎn)灰度值的，證明在探測過程中部分水底被遮擋，聲波沒有到達(dá)，因此沒有回波；還有側(cè)掃聲吶在移動(dòng)過程中，由于覆蓋距離有限，所以越遠(yuǎn)的地方回波強(qiáng)度也越弱，如圖1.4所示。圖1.4側(cè)掃聲吶成像原理復(fù)雜的水下環(huán)境導(dǎo)致側(cè)掃聲吶圖像受到的噪聲干擾要比一般圖像強(qiáng)得多，其工作頻率一般在MHz以下，得到的側(cè)掃聲吶圖像成像分辨率較低，目標(biāo)邊緣模糊，對(duì)比度較低[45]。為了達(dá)到滿意的去噪效果，提高側(cè)掃聲吶圖像的辨識(shí)度，要先針對(duì)影響圖像質(zhì)量的因素有所了解[46]。影響圖像噪聲的因素主要包括海洋環(huán)境噪聲、混響噪聲以及自噪聲，接下來，整合噪聲來源以及影響程度如下。海洋環(huán)境噪聲。海洋環(huán)境噪聲是海洋運(yùn)動(dòng)過程中普遍存在的固有聲場，不會(huì)因?yàn)槿魏我蛩禺a(chǎn)生改變，并且影響著聲吶系統(tǒng)探測、定位以及潛艇在探測過程中的隱蔽性。它不包括由附近艦船、海洋生物或陣雨引起的瞬態(tài)聲音，也不包括一切形式的自噪聲[47]。大量的實(shí)測數(shù)據(jù)表明，深海下的環(huán)境噪聲譜相當(dāng)穩(wěn)定，在不同風(fēng)速和海況下測得環(huán)境噪聲譜[48]，見圖1.5。在圖1.5中，1、2、3、5、8表示風(fēng)級(jí)；低于1赫的譜線圖表示的是海水靜壓力效應(yīng)；在1赫以上低于20赫的譜線1和2表示的是湍流噪聲；右下方的虛線表示海水分子運(yùn)動(dòng)的熱噪聲；在100Hz以上的高頻段海洋環(huán)境噪聲則與海面風(fēng)速具有很好的相關(guān)性，由于潮汐或波浪運(yùn)動(dòng)造成的靜壓力則會(huì)產(chǎn)生極低頻的海洋環(huán)境噪聲結(jié)果表明，浮標(biāo)平臺(tái)附近水面航船對(duì)200Hz～1.6kHz頻段范圍內(nèi)海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)影響較顯著。另外，除水面航船影響時(shí)間點(diǎn)外，在100Hz以上的高頻段，海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)約以?4dB～7dB每倍頻程的規(guī)律下降，符合典型風(fēng)關(guān)噪聲變化規(guī)律[49]。圖1.5研究者測得的深海環(huán)境噪聲譜混響噪聲是一種非平穩(wěn)的隨機(jī)過程，其幅度概率密度函數(shù)服從瑞利分布，相位特征服從均勻分布。前文提到圖像是在深海區(qū)通過聲吶設(shè)備獲得，圖1.6表示的是深海（0~4000米）的聲速剖面圖。由1.6可以看出，聲速在海洋內(nèi)部呈正梯度[50]，探究其原因，是因?yàn)樯詈Ｖ械乃疁乇容^低，不會(huì)有變化幅度。在聲吶設(shè)備發(fā)射聲波過程中，聲波經(jīng)由海水中各類復(fù)雜粒子的散射以及海底不平物體的散射疊加產(chǎn)生海底混響，是一個(gè)隨機(jī)過程[50]。在海底中的物質(zhì)包括泥沙、巖石、沉船等未知物體，大量學(xué)者在研究海底散射時(shí)，得到的測量結(jié)果顯示巖石的混響比泥沙的混響嚴(yán)重，海底的混響程度比海面的混響程度嚴(yán)重。可想而知，海底的散射程度和海底地質(zhì)有關(guān)；而海底混響程度大的原因主要在于海底中傳播介質(zhì)復(fù)雜，每一種介質(zhì)都是獨(dú)立存在的，散射程度各不相同，在海底中形成復(fù)雜多亂的散射過程，尤其在淺海環(huán)境中，表現(xiàn)尤為明顯。研究表明，受混響噪聲影響，獲取的聲吶圖像上出現(xiàn)顆粒狀大小的黑白相間的紋理，稱之為斑點(diǎn)噪聲。圖像顯示黑白點(diǎn)的原因：斑點(diǎn)噪聲致使聲吶圖像的像素值隨機(jī)起伏，像素值和平均值相比，有的像素更亮，而有的像素更暗。圖1.6深海聲速剖面圖自噪聲。一般而言，自噪聲就是在探測過程中，由聲吶設(shè)備自身原因影響圖像分辨率。側(cè)掃聲吶發(fā)射超聲波頻率通常在100kHz到2MHz，頻率越高越容易獲得更好的分辨率，因此在聲吶設(shè)備工作時(shí)，將側(cè)掃聲吶的聲波頻率調(diào)整到1.5MHz，但側(cè)掃聲吶獲得的圖像不僅沒有提高辨識(shí)度，反而側(cè)掃區(qū)域變窄了，降低了側(cè)掃聲吶的工作效率，所以頻率的設(shè)置可根據(jù)需求設(shè)定。在拖魚被拖拽過程中，側(cè)掃聲吶發(fā)射的聲波以球面波方式傳播，利用接收基陣收集每一幀回波數(shù)據(jù)，將回波數(shù)據(jù)量化至灰度級(jí)上，按順序沿垂直軌跡顯示，生成側(cè)掃聲吶圖像[51]，其散射強(qiáng)度的大小在聲吶圖像上表現(xiàn)為圖像明暗的深淺[52]。海底物體的灰度值與聲波的散射強(qiáng)度密切相關(guān)，其灰度值大小和目標(biāo)物體的散射強(qiáng)度成正比[53]。綜合分析在深海環(huán)境下噪聲的研究中，對(duì)聲吶圖像質(zhì)量影響最大的是海洋環(huán)境噪聲，因此本文在研究聲吶圖像去噪技術(shù)時(shí)，只考慮海洋環(huán)境噪聲[54]。1.3海洋環(huán)境噪聲模型海洋環(huán)境噪聲通常采用統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)來描述，功率譜函數(shù)表示各個(gè)噪聲頻率分量的平均強(qiáng)度。表達(dá)式為：（1.1）其中，代表集合的平均。噪聲譜級(jí)單位為。噪聲級(jí)表示在加性干擾的信道中環(huán)境噪聲強(qiáng)度，定義為：（1.2）是水聽器工作帶寬內(nèi)噪聲總聲強(qiáng)，定義為：（1.3）式中，是噪聲功率頻譜的密度函數(shù)，定義如式（1.4）所示：（1.4）在水聽器工作帶寬范圍內(nèi)是均勻的前提下，可以得出：（1.5）根據(jù)和之間的關(guān)系求得：（1.6）由中心極限定理可知，海洋環(huán)境噪聲振幅服從高斯分布，噪聲模型如下：