1、刘晓,李海森, 周天,徐超,么彬水声技术重点实验室多子阵多波束海底地形地貌多子阵多波束海底地形地貌一体化探测技术一体化探测技术 研究背景研究背景12 算法测试结果算法测试结果34结论及展望结论及展望主要内容主要内容 多子阵多波束海底成像方法多子阵多波束海底成像方法2测深测深一、研究背景一、研究背景1.多波束测深声呐的应用多波束测深声呐的应用 作为一种高效、高精度的海洋勘测设备，具有可同时测深和海底作为一种高效、高精度的海洋勘测设备，具有可同时测深和海底声呐成像的优点。特别是近年来其成像结果在海底生境调查、底声呐成像的优点。特别是近年来其成像结果在海底生境调查、底质分类等研究中都得到了广泛的应用
2、质分类等研究中都得到了广泛的应用 声呐成像声呐成像多波束测深多波束测深声呐声呐沙底上的海草沙底上的海草暗礁上的藻类暗礁上的藻类测深测深一、研究背景及意义一、研究背景及意义2. .利用多波束测深声呐进行海底成像利用多波束测深声呐进行海底成像的主要方法的主要方法 伪侧扫成像法伪侧扫成像法海底海底声呐声呐t（1）伪侧扫成像伪侧扫成像(Pseudo-sidescan Imagery)法法：独立于用于：独立于用于测深的多波束形成两个额外的宽波束，对宽波束覆盖的扇面测深的多波束形成两个额外的宽波束，对宽波束覆盖的扇面进行幅度时间序列采样进行幅度时间序列采样声呐声呐海底海底（2）单值法：单值法：每个接收窄波
3、束只取一个声强值，如波束主每个接收窄波束只取一个声强值，如波束主轴方向的声强值，或者是每个波束内的平均声强值。轴方向的声强值，或者是每个波束内的平均声强值。 单值法单值法声呐声呐海底海底t（3）片断片断（Snippet）法：法：对每个接收窄波束都进行幅度时间序对每个接收窄波束都进行幅度时间序列采样，又称脚印时间序列列采样，又称脚印时间序列（Footprint Time Series）法法 。Snippet方法方法一、研究背景及意义一、研究背景及意义3.三种方法对比三种方法对比优优势势劣劣势势声呐正下方存在盲区，且声呐正下方存在盲区，且因为使用了不同的波束测因为使用了不同的波束测量，需要对声强数
4、据与测量，需要对声强数据与测深数据进行复杂的融合深数据进行复杂的融合伪侧扫成伪侧扫成像法像法图像分辨率高图像分辨率高图像分辨率低，尤其是图像分辨率低，尤其是边缘波束区域边缘波束区域单值法单值法声强数据与深度数据一声强数据与深度数据一一对应，避免了数据融一对应，避免了数据融合问题合问题成像质量受地形起伏影响成像质量受地形起伏影响较大较大 Snippet法法避免了声强数据与测深数避免了声强数据与测深数据的融合问题，能同时获据的融合问题，能同时获得高分辨率的声呐图像。得高分辨率的声呐图像。当前研当前研究热点究热点一、研究背景及意义一、研究背景及意义3. . Snippet法法成像质量受地形起伏影响较
5、大原因分析成像质量受地形起伏影响较大原因分析传统的多波束测深算法（如幅度、相位检测法）只能估计出波束主轴方向检测传统的多波束测深算法（如幅度、相位检测法）只能估计出波束主轴方向检测点的空间位置，所以点的空间位置，所以Snippet法中除波束主轴方向其他声强样本的空间位置是法中除波束主轴方向其他声强样本的空间位置是通过假设波束内为平海底情况得到，当波束内的地形存在起伏时，解算的检测通过假设波束内为平海底情况得到，当波束内的地形存在起伏时，解算的检测点的位置与实际情况存在误差，使得声强数据与测深数据不能准确地一一对应。点的位置与实际情况存在误差，使得声强数据与测深数据不能准确地一一对应。 提出一种
6、多子阵多波束海底成像方法提出一种多子阵多波束海底成像方法 Snippet法原理几何示意图法原理几何示意图1、方法概述、方法概述二、多子阵多波束海底成像方法二、多子阵多波束海底成像方法利用多子阵检利用多子阵检测法获得的高测法获得的高精度、高空间精度、高空间分辨率分辨率TOA-DOATOA-DOA序列估计各海序列估计各海底检测点的空底检测点的空间位置和回波间位置和回波强度，并考虑强度，并考虑水声环境以及水声环境以及角度的影响对角度的影响对成像数据进行成像数据进行修正，以生成修正，以生成高质量的声纳高质量的声纳图像。图像。声呐图像声呐图像空间位置空间位置TOA-DOA序列序列多子阵检测法多子阵检测法
7、接收信号接收信号全阵波束形成全阵波束形成回波强度回波强度反向散射强度计算反向散射强度计算各测点灰度值各测点灰度值角度关系修正角度关系修正空间上同步成像数据处理流程成像数据处理流程2、多子阵检测法、多子阵检测法（1）将接收基阵划分成将接收基阵划分成L个重叠子阵，对每一个子阵都分别进个重叠子阵，对每一个子阵都分别进行空间波束形成；行空间波束形成；（2）求不同子阵同号波束之间的相位差；求不同子阵同号波束之间的相位差；（3）对不同子阵同号波束的输出相位序列进行最小二乘拟合，对不同子阵同号波束的输出相位序列进行最小二乘拟合，估计相位斜率估计相位斜率K ；（4）求解回波求解回波DOA：其中，其中，n代表采
8、样时刻，即回波代表采样时刻，即回波TOA。（5）图像变换。）图像变换。二、多子阵多波束海底成像方法二、多子阵多波束海底成像方法( )arcsin(sin)2rKn3、空间位置解算、空间位置解算在声速已知的前提下，利用多子阵检测法估计得到的在声速已知的前提下，利用多子阵检测法估计得到的DOA和和TOA可可计算海底深度和水平距离，即计算海底深度和水平距离，即二、多子阵多波束海底成像方法二、多子阵多波束海底成像方法cos2sin2sshc ntlc nt但由于声波穿透水体到达海底经历的各个水层中的声速间存但由于声波穿透水体到达海底经历的各个水层中的声速间存在差异，导致了实际的声波传播路线非直线，因此
9、海底检测在差异，导致了实际的声波传播路线非直线，因此海底检测点处的空间位置并不能用三角关系进行简单的计算，而需要点处的空间位置并不能用三角关系进行简单的计算，而需要在声速剖面基础上，采用层追加的方法来解算各检测点相对在声速剖面基础上，采用层追加的方法来解算各检测点相对于船体坐标系的坐标位置。于船体坐标系的坐标位置。 采用基于层内常梯度假设下的声线跟踪技术采用基于层内常梯度假设下的声线跟踪技术 3、空间位置解算、空间位置解算二、多子阵多波束海底成像方法二、多子阵多波束海底成像方法层内常梯度声线跟踪示意图层内常梯度声线跟踪示意图 常数iiiizCCg100/sinCpiiiipgpCpCx2/12
10、2/121)(1 )(1 声线在层声线在层i i内的水平位移内的水平位移：声线在层声线在层i i内经历的时间：内经历的时间： HiiiiiCpgpCpCt)arcsin()arcsin(1将传播时间逐层累加并与实际测量的单程传播时间进行比较判断传播层数，将传播时间逐层累加并与实际测量的单程传播时间进行比较判断传播层数，解算各海底检测点相对于基阵中心的水平位移和垂直深度。再结合基阵的解算各海底检测点相对于基阵中心的水平位移和垂直深度。再结合基阵的GPS数据与测量船的姿态信息就可以估计出检测点的空间位置坐标，即数据与测量船的姿态信息就可以估计出检测点的空间位置坐标，即地形地形信息信息 。由于海底各
11、检测点是利用多子阵检测法得到的实际测点，所以避免由于海底各检测点是利用多子阵检测法得到的实际测点，所以避免了了“snippet”方法中当波束内的地形存在起伏时解算的检测点位置与实际情方法中当波束内的地形存在起伏时解算的检测点位置与实际情况存在误差的问题况存在误差的问题 。4、回波强度估计、回波强度估计二、多子阵多波束海底成像方法二、多子阵多波束海底成像方法回波强度估计原理示意图回波强度估计原理示意图0.42arcsin sinhrNd0.42arcsin sinlrNd对利用多子阵检测法所得的对利用多子阵检测法所得的DOA-TOA序列中进行搜索，设序列中进行搜索，设有有H个角度在个角度在内内,
12、 ,并并将其记为将其记为，相对应的相对应的TOA记为记为（j=1,H）。）。由于每个采样时刻的回波信号都由由于每个采样时刻的回波信号都由大量的海底散射点组成，所以利用得到的大量的海底散射点组成，所以利用得到的TOA对波束输出信号进行采样，得到对波束输出信号进行采样，得到H个个长度等于发射脉宽长度的幅度时间序列，并由此估计各检测点的回波强度。长度等于发射脉宽长度的幅度时间序列，并由此估计各检测点的回波强度。,hl jjt, 第第j j个检测点处的回波信号强度个检测点处的回波信号强度: : 21NrjnIAnNsNTf波束输出幅度采样频率发射脉宽与空间位置解算用的是同一DOA-TOA序列，所以两者
13、测量的是相同的检测点，实现了共点测量对接收阵进行多波束形成，利用每个接收窄波束的输出信号对回波强度进行估计。对接收阵进行多波束形成，利用每个接收窄波束的输出信号对回波强度进行估计。考虑到基阵波束指向性对接收信号幅度的影响，只保留半功率点波束宽度范围内的考虑到基阵波束指向性对接收信号幅度的影响，只保留半功率点波束宽度范围内的波束输出信号用于估计。波束输出信号用于估计。1、方法概述、方法概述二、多子阵多波束海底成像方法二、多子阵多波束海底成像方法利用多子阵检利用多子阵检测法获得的高测法获得的高精度、高空间精度、高空间分辨率分辨率TOA-DOATOA-DOA序列估计各海序列估计各海底检测点的空底检测
14、点的空间位置和回波间位置和回波强度，并考虑强度，并考虑水声环境以及水声环境以及角度的影响对角度的影响对成像数据进行成像数据进行修正，以生成修正，以生成高质量的声纳高质量的声纳图像。图像。声呐图像声呐图像空间位置空间位置TOA-DOA序列序列多子阵检测法多子阵检测法接收信号接收信号全阵波束形成全阵波束形成回波强度回波强度反向散射强度计算反向散射强度计算各测点灰度值各测点灰度值角度关系修正角度关系修正空间上同步成像数据处理流程成像数据处理流程声波在传播过程中受到传播损失、声波在传播过程中受到传播损失、波束指向性、有效声照射面积、系波束指向性、有效声照射面积、系统处理增益等因素影响，计算得到统处理增
15、益等因素影响，计算得到的回波强度并不能直接反映海底地的回波强度并不能直接反映海底地貌特征，因此在实际测量中需对它貌特征，因此在实际测量中需对它们进行补偿以获得实际海底反向散们进行补偿以获得实际海底反向散射强度射强度 5、海底反向散射强度估计、海底反向散射强度估计二、多子阵多波束海底成像方法二、多子阵多波束海底成像方法声呐方程：声呐方程： 1010010log210logIBSSLTLDAGI0I其中，其中， 是参考声强是参考声强；SL 是是声源级；声源级； BS是海底反向散射强度。是海底反向散射强度。TL 是传播损失，主要原因包括扩展损失和吸收损失是传播损失，主要原因包括扩展损失和吸收损失 ：
16、rrTLlg20D 是波束指向性是波束指向性：sinsinsin(sinsin)( )sinsin(sinsin)rrLdNDLdNG是系统处理增益，由实际测量获得。是系统处理增益，由实际测量获得。5、海底反向散射强度估计、海底反向散射强度估计二、多子阵多波束海底成像方法二、多子阵多波束海底成像方法A是有效声照射面积。是有效声照射面积。insonifbeamAAA有效声照射面积为二者的相交部分，即有效声照射面积为二者的相交部分，即beamAinsonifAA有效声照射面积示意图 2sinTinsonifRcA2sin()cosTRbeamRA 发射阵平行航迹方向波束宽度发射阵平行航迹方向波束宽
17、度 接收阵垂直航迹方向波束宽度接收阵垂直航迹方向波束宽度R R 基阵到海底的距离基阵到海底的距离 TR将上述得到的各变量值代入到声呐方程便可计算出将上述得到的各变量值代入到声呐方程便可计算出BSBS，即，即地貌信地貌信息。息。1、方法概述、方法概述二、多子阵多波束海底成像方法二、多子阵多波束海底成像方法利用多子阵检利用多子阵检测法获得的高测法获得的高精度、高空间精度、高空间分辨率分辨率TOA-DOATOA-DOA序列估计各海序列估计各海底检测点的空底检测点的空间位置和回波间位置和回波强度，并考虑强度，并考虑水声环境以及水声环境以及角度的影响对角度的影响对成像数据进行成像数据进行修正，以生成修正
18、，以生成高质量的声纳高质量的声纳图像。图像。声呐图像声呐图像空间位置空间位置TOA-DOA序列序列多子阵检测法多子阵检测法接收信号接收信号全阵波束形成全阵波束形成回波强度回波强度反向散射强度计算反向散射强度计算各测点灰度值各测点灰度值角度关系修正角度关系修正空间上同步成像数据处理流程成像数据处理流程由于反向散射强度有很强的角度关由于反向散射强度有很强的角度关系，如果直接成像将无法区分是海系，如果直接成像将无法区分是海底特征还是入射角度对反向散射强底特征还是入射角度对反向散射强度产生了影响，这会导致成像效果度产生了影响，这会导致成像效果不理想，所以在最终成图之前需要不理想，所以在最终成图之前需要
19、将其消除将其消除 二、多子阵多波束海底成像方法二、多子阵多波束海底成像方法6、角度关系修正、角度关系修正采用一种经验修正方法，对整个航迹测得的反向散射强度角采用一种经验修正方法，对整个航迹测得的反向散射强度角度趋势进行平均处理，具体表示为度趋势进行平均处理，具体表示为 ( )( )( )( )corBSBSBSBS 为上述所有数据的平均值为上述所有数据的平均值 BS 为角度是为角度是 时反向散射强度数据的平均值，加此项的目时反向散射强度数据的平均值，加此项的目的是使修正结果可以与其他修正方法更好地相比较。的是使修正结果可以与其他修正方法更好地相比较。( )BS( )BS 为在为在 度处取样窗内
20、的所有反向散射强度数据度处取样窗内的所有反向散射强度数据1、方法概述、方法概述二、多子阵多波束海底成像方法二、多子阵多波束海底成像方法利用多子阵检利用多子阵检测法获得的高测法获得的高精度、高空间精度、高空间分辨率分辨率TOA-DOATOA-DOA序列估计各海序列估计各海底检测点的空底检测点的空间位置和回波间位置和回波强度，并考虑强度，并考虑水声环境以及水声环境以及角度的影响对角度的影响对成像数据进行成像数据进行修正，以生成修正，以生成高质量的声纳高质量的声纳图像。图像。声呐图像声呐图像空间位置空间位置TOA-DOA序列序列多子阵检测法多子阵检测法接收信号接收信号全阵波束形成全阵波束形成回波强度
21、回波强度反向散射强度计算反向散射强度计算各测点灰度值各测点灰度值角度关系修正角度关系修正空间上同步成像数据处理流程成像数据处理流程将修正后的反向将修正后的反向散射强度数据通散射强度数据通过量化处理得到过量化处理得到各检测点的灰度各检测点的灰度值，结合其的空值，结合其的空间位置信息便可间位置信息便可得到海底声呐图得到海底声呐图像像三、算法测试结果三、算法测试结果1、实验系统、实验系统多波束测深声呐系统组成图多波束测深声呐系统组成图 2009年吉林松花湖大年吉林松花湖大坝前开阔水域水下地坝前开阔水域水下地形图形图三、算法测试结果三、算法测试结果2、算法性能验证、算法性能验证0.070.080.09
22、0.10.110.120.13-100-50050100信号到达方向/ 信号到达时间/ sWMT 法估计结果法估计结果0.070.080.090.10.110.120.13-100-50050100信号到达方向/ 信号到达时间/ s多子阵检测多子阵检测法估计结果法估计结果WMT法在一个波束内只能获得一法在一个波束内只能获得一个测量值，而多子阵检测法可以对个测量值，而多子阵检测法可以对海底进行近似连续的测量，所以在海底进行近似连续的测量，所以在各个波束内可获得大量的回波强度各个波束内可获得大量的回波强度值在横向测量区域密集地分布，从值在横向测量区域密集地分布，从而具有较好的成像分辨能力。而具有较
23、好的成像分辨能力。 3、角度关系修正、角度关系修正-60-40-200204060-40-30-20-100入射角( )反向散射强度平均值(dB) 原始数据修正后结果反向散射强度数据测量值及角度关系修正结果 三、算法测试结果三、算法测试结果三、算法测试结果三、算法测试结果4、湖底地貌测量、湖底地貌测量 5.5565.5585.565.5625.5645.5665.568x 1054.84084.8414.84124.84144.84164.84184.8424.84224.84244.84264.8428x 106dB-40-30-20-100 松花湖某一航迹测区的湖底地貌图像 三、算法测试结
24、果三、算法测试结果5、湖底地貌测量、湖底地貌测量测区的湖底地形地貌一体化表征 （1）将多子阵检测法成功的应用到海底成像技术中，并对将多子阵检测法成功的应用到海底成像技术中，并对成像数据进行了修正，获得的多波束声呐海底成像具有较高成像数据进行了修正，获得的多波束声呐海底成像具有较高的分辨率，能够清晰地反映湖底地貌变化的分辨率，能够清晰地反映湖底地貌变化 ；（2）海底各检测点空间位置和回波强度的共点测量，使得海底各检测点空间位置和回波强度的共点测量，使得地形数据与地貌数据能够准确地一一对应，避免了复杂的数地形数据与地貌数据能够准确地一一对应，避免了复杂的数据融合问题，有效提高了成像质量；据融合问题，有效提高了成像质量；（3）实现了多波束海底地形地貌的一体化表征。实现了多波束海底地形地貌的一体化表征。四、结论与展望四、结论与展望结论结论展望展望利用地貌图像开展底质分类、海底特征分析等研究工作利用地貌图像开展底质分类、海底特征分析等研究工作 谢谢！谢谢！
