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多波束测深系统地貌信息获取与显示 摘要 多波束测深系统是当前海底地形地貌探测的主流工具之一，该系统具有全覆盖、高 精度、高密度和高效率的特点，因而在海底环境探测、水库测量、石油勘探、海洋资源 的开发等众多领域得到广泛应用。基于现有的多波束测深系统进行海底地貌信息的获取 技术，一直是该领域广泛关注和研究的热点之一。本论文主要围绕海底地貌信息的获取 理论和算法开展研究，并利用试验数据进行验证，最终基于v c 和o p e n g l 初步开发了 多波束海底地形地貌图像联合显示软件。论文具体研究内容包括如下： 首先，介绍了多波束测深系统的测深工作原理和海底地形信息的解算过程，基于现 有的多波束测深系统地貌信息获取方法，利用多子阵检测法完成地貌信息获取，实现地 形地貌信息获取的一一对应。 其次，论文详细分析了影响地貌信息获取的各种因素，并给出了相应的修正方法； 为了对地形地貌信息进行更为恰当的显示，论文采用规则格网处理海底地貌信息，研究 了地貌信息的灰度值转换方法，并采用逐点插入法构建三维海底地形地貌模型；利用 m a t l a b 软件对算法进行了优化实现，处理了实测试验数据，验证了相关理论和算法的正 确性。 最后，以此为基础，论文基于v c 软件平台和o p e n g l 三维图形库，进一步设计和 开发了多波束地形地貌信息处理与联合显示软件，处理并显示了多波束测深系统松花湖 实测试验数据，效果良好，但软件功能还需要进一步扩展和深化。 本论文分析的数据来源于本课题组自主研发的便携式高分辨多波束测深系统采集 的吉林松花湖湖底回波数据，通过m a t l a b 仿真验证了相关算法的正确性，并在v c 软 件平台上实现了真实环境中三维湖底地形地貌图的显示，同时对地形地貌图进行了分 析。 关键词：多波束测深系统；海底地形地貌；多子阵；d e l a u n a y 三角网；o p e n g l 多波束测深系统地貌信息获取与显示 i a bs t r a c t m u l t i b e a mb a t h y m e t r i cs y s t e mi st h em a i ns u r v e yt o o lo fs e a f l o o rt o p o g r a p h ya n d g e o m o r p h o l o g yc u r r e n t l y b e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e s ，s u c h a sc o m p l e t ec o v e r a g e ，h i g h p r e c i s i o n ，h j 【g hd e n s i t ya n dh i g he f f i c i e n c y , t h es y s t e mh a sb e e nu s e di nm a n yf i e l d sw i d e l y s u c ha st h es e a b e de x p l o r a t i o no fe n v i r o n m e n t ，r e s e r v o i rs u r v e y , o i le x p l o r a t i o n ，d e v e l o p m e n t o fm a r i n er e s o u r c e s ，e t c b a s e do ne x i s t i n gm u l t i b e a mb a t h y m e t r i cs y s t e m ，s e a f l o o r g e o m o r p h i ci n f o r m a t i o no b t a i n i n ga n dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi sa l w a y saw i d e s p r e a dc o n c e r n a n dr e s e a r c hf o c u si nt h ef i e l d t h i sd i s s e r t a t i o nh a sad e t a i l e ds t u d yo nt h et h e o r ya n d a l g o r i t h mo fs e a f l o o rg c o m o r p h i ci n f o r m a t i o no b t a i n i n g , w h i c hi sv a l i d a t e db ye x p e r i m e n t a l d a t a u l t i m a t e l y , b a s e d o nv ca n d o p e n g l , ap r i m a r y s e a f l o o r t o p o g r a p h y a n d g e o m o r p h o l o g yd i s p l a ys o f t w a r ef o rm u l t i - b e a mb a t h y m e t r i cs y s t e mi sd e v e l o p e d t h em a i n c o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h eb a t h y m e t r i ct h e o r ya n ds o l v i n gp r o c e s so ft o p o g r a p h i ci n f o r m a t i o n f o r m u l t i b e a mb a t h y m e t r i cs y s t e mh a v eb e e ni n t r o d u c e d b a s e do nt h ee x i m i n gg e o m o r p h i c i n f o r m a t i o na c q u i s i t i o nm e t h o d sf o rt h em u l t i - b e a mb a t h y m e t r i cs y s t e m ，m u l t i s u b a r r a y d e t e c t i o nm e t h o di sp r o p o s e dt og e tt h eg e o m o r p h i ci n f o r m a t i o na n di m p l e m e n tt o p o g r a p h i c a n dg e o m o r p h i ci n f o r m a t i o no b t a i n e do n eb yo n e s e c o n d l y , t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e st h ev a r i o u sf a c t o r si m p a c t i n go nt o p o g r a p h i ca n d g e o m o r p h i ci n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n ，a n d # v e sc o r r e s p o n d i n ga m e n d m e n t s i no r d e rt o d i s p l a yt o p o g r a p h i ca n dg e o m o r p h i ci n f o r m a t i o na p p r o p r i a t e l y , t h ed i s s e r t a t i o na d o p t s 酊d m e t h o dt op r o c e s ss e a f l o o rg e o m o r p h i ci n f o r m a t i o n g r a y v a l u ec o n v e r s i o nm e t h o d so f g e o m o r p h i ci n f o r m a t i o nh a v eb e e ns t u d i e d ，a n dp o i n t - b y - p o i n ti n s e r t i o nm e t h o di st a k e nt o c o n s t r u c tt h et h r e e - d i m e n s i o n a ls e a f l o o rt o p o g r a p h i ca n dg e o m o r p h i cm o d e l t h ea l g o r i t h m i sr e a l i z e da n do p t i m i z e dw i t hm a t l a bs o f t w a r et op r o c e s st h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，a n dt h e c o r r e c t n e s so fr e l e v a n tt h e o r ya n da l g o r i t h mi sv e r i f i e d f i n a l l y , t h ed i s s e r t a t i o nh a saf u r t h e rd e s i g na n dd e v e l o p m e n to nt o p o g r a p h ya n d g e o m o r p h o l o g yd i s p l a ys o f t w a r e f o rm u l t i b e a m b a t h y m e t r i cs y s t e m p r o c e s s i n g a n d d i s p l a y i n gt h ee x p e r i m e n t a ld a t as u r v e y e di ns o n g h u al a k eb yt h es o f t w a r eh a sag o o de f f e c t ， a n dt h es o f t w a r ef u n c t i o n sn e e dt ob ef u r t h e re x p a n d e d d a t aa n a l y z e di nt h i sd i s s e r t a t i o nc o m e sf r o mt h ed a t as u r v e y e di ns o n g h u al a k eb yt h e p o r t a b l eh i g h r e s o l u t i o nm u l t i b e a me c h os o u n d e r , w h i c hi sd e v e l o p e db yo u rg r o u p t h e f e a s i b i l i t yo fd r a w i n ga l g o r i t h mi sv e r i f i e db ym a t l a bs i m u l a t i o n ，a n do i lv cs o f t w a r e 哈尔滨下程大学硕十学位论文 p l a t f o r m ，d i s p l a yo ft h et h r e e - d i m e n s i o n a lt o p o g r a p h i ca n dg e o m o r p h i cm a p o fl a k e - b o t t o m i nr e a le n v i r o n m e n th a sb e e nr e a l i z e d ，m e a n w h i l e ，t o p o g r a p h i ca n dg e o m o r p h i cm a ph a sb e e n a n a l y z e d k e yw o r d s ：m u l t i - b e a mb a t h y m e t r i cs y s t e m ；s e a f l o o rt o p o g r a p h ya n dg e o m o r p h o l o g y ； m u l t i s u b a r r a y ；d e l a u n a yt r i a n g u l a t i o n ；o p e n g l 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 论文的背景与意义 地球表面积的7 1 都是蓝色的海洋，宽阔的海洋蕴藏着十分丰富的矿产、石油、天 然气等资源。随着地球上人口的不断增加和自然资源的日益匮乏，海洋资源的开发和利 用成了世界各国关注的焦点。进入2 0 世纪以来，人们对海洋资源的勘测要求在逐步提 高，特别是联合国海洋公约颁布以来，海洋调查和测绘的意义不仅仅局限于航行安 全与科学研究，海底资源的归属和国家的主权也会直接受到了影响。为了充分利用海洋 资源，保障海洋活动的安全，保护海洋主权的完整，必须对相关海域内的地形和地貌进 行更加频繁和精密的探测1 。 在当今海洋测绘研究领域，侧扫系统、多波束测深系统、卫星测距和全球定位导航 系统( g p s ) 是一系列最前端的信息探测工具，这些高端技术设备提供了更精确的海底地 形测量和海底底质组成的重要信息，能使人们获取更详细的海底地形地貌信息，积极地 推动了海洋测绘的发展。从技术理论上看，长期以来海底地形地貌测量追求的主题一直 是高精度、高分辨和超宽覆盖测量，一方面，在海洋复杂环境下高精度测量是非常难以 达到的，它既涉及到海底探测的基本技术原理及其相关设备的可靠性和稳定性，同时也 受海洋复杂环境和测量辅助设备精度的制约和影响；另一个方面，人们要清晰地描绘海 底地形地貌的变化，分清海底目标的局部细节，就需要有更高的探测分辨率；并且还要 对海底地形地貌信息实现超宽覆盖测量，这些高效率、高精度、高分辨的海洋勘测高技 术产品的诞生，在人类认识和开发海洋的进程中发挥了越来越重要的作用删。 侧扫系统的出现为海底地貌信息的探测提供了完整的海底地貌图像，更有利于对获 取海底底质形态和特性进行定性的分析，从该系统的海底地貌图像上可以作描述性的区 分，但不能精确地予以确剧卦。用于探测海底地形地貌信息的多波束测深系统是当前非 常有效的、使用极其广泛的另一种海洋勘查仪器，该系统具有高效率、高精度、高分辨 率等特点，并且是用条带测量的方式对宽阔的海底进行1 0 0 的全覆盖测量，每个条带 的覆盖宽度可以达到水深的数倍。多波束测深系统不仅能够获取高精度的海底地形信 息，与此同时还能够获取类似侧扫系统测量的海底地貌图像，为人们提供了更直观的海 底形态4 1 。 多波束测深系统主要安装于水面船，侧扫系统安装于拖鱼近海底工作，前者属于站 得高看得宽，后者属于离得近看得细，由于二者工作场合和原理不同，多波束测深系统 获取的海底地貌图像与拖曳式侧扫系统获取的海底地貌图像相比，不如侧扫系统获取的 海底地貌图像清晰，但是相较于侧扫地貌图像，它也有其自身的优势所在，如定位精确、 地形地貌信息对应等p 1 。由于侧扫系统图像中的目标概略位置和比高相对较差，导致了 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 只能对目标描述性区分，而不能精确解译。但多波束测深系统不仅能够获得目标的地理 位置和深度信息，同时还可获得地貌信息，若将多波束测深系统的地形信息和地貌信息 融合起来，可对海底信息进行更全面和精确的分析。 为此，本论文以8 6 3 项目“浅水多波束测深系统”为背景，提出“多波束测深系统 地貌信息获取与显示这一课题进行研究，目的是基于多波束测深系统获取海底地貌信 息并对其进行恰当的显示。 1 2 国内外多波束测深系统地貌信息探测技术的研究现状 国外很早就对多波束测深系统获取高质量地貌信息方面的技术进行了研究，并且现 在多波束测深新技术仍在不断的更新。国外已有多种具有典型代表性的多波束测深系统 产品，如e l a cb o t t o m c h a r t 多波束测深系统、s e a b e a m 多波束测深系统、s i m r a d 多波 束测深系统、a t l a sf a n s w e e p 多波束测深系统、s e a b a t 多波束测深系统等。 1 9 9 1 年g i c 公司推出的s e ab e a m 2 0 0 0 p 闸系统，为了使外侧波束达到高精度，s e a b e a m 2 0 0 0 系统采用了一种叫做快照( s n a ps h o r t ) 处理新算法。该系统不仅具有高精度的 海底测深功能，而且还具有类似侧扫系统的功能，通过处理并能够给出较理想的海底地 貌图像，多波束测深系统是一种高新型的具备两种功能的海洋测量仪器p 1 ，它预示着兼 顾海底地形、地貌测量以及底质分析的声呐设备逐渐成为现代海洋测量的主流产品。 1 9 9 1 年e l a c 公司推出的b o t t o m c h a r t l l 8 0 浅水多波束测深系统，该系统的数据处 理程序由实时采集模块和后处理模块构成，并同时配有三个处理软件，包括数据编辑软 件h d p e d i t ，实时处理软件h y d r o s t a ro n l i n e 和后处理软件h d p p o s t 嗍。 s t na t l a se l e k t r o n i k 公司有多种多波束测深系统产品，a t l a s 公司2 0 世纪 9 0 年代推出了a t l a sf a n s w e e p2 0 ，它是一种便携式浅水多波束扫描测深系统。a t l a s f a n s w e e p 2 0 具有超宽覆盖能力，在波束形成上使用了相干法，故a t l a sf a n s w e e p2 0 系统在一次完整扫测后可形成多达1 4 4 0 个波束，并且同时形成侧扫图像，每次扫海可 获得多达4 0 9 6 个回波振幅数据，是一种具有相干特点的先进多波束测深系统嗍。 美国r e s o n 公司在2 0 世纪9 0 年代推出了多波束测深技术领域的新产品，即 s e a b a t 8 1 0 0 系列多波束测深系统，该系统除了具有多波束测深产品的便携性、灵活性和 便于使用的特性外，在海底扫幅宽度和测量指标方面均有提高，s e a b a t 8 1 0 0 常应用于浅 水区测量。目前s e a b a t 8 1 2 5 是该系列的代表性产品。s e a b a t 8 1 2 5 多波束测深系统实时 采集模块的主要工作是为调查船沿测线提供导航信息，并且同时接收有关解算海底地形 信息和地貌信息的相关数据，把已修正的数据传送到存储器内，以各后置处理模块数据 处理之用唧。下图1 1 给出某多波束测深系统获取的海底地形地貌图像p 川。 2 第1 章绪论 图1 1 某多波束系统获取的地形地貌图像 我国是一个海洋大国，海洋测绘任务非常繁重。传统的单波束回声测深仪对地形测 绘的分辨率、精度、质量及效率都无法与多波束测深系统相比。因此，我国迫切需要开 发自已的多波束测深系统。我国在多波束测深技术方面的研究起步比较晚，直到2 0 世 纪8 0 年代中期才开始独立自主研制多波束测深系统，中国科学院声学研究所和天津海 洋测绘研究所于1 9 8 5 年共同联合研制成一款具有模拟波束形成的8 6 1 型多波束测深系 统实验样机，但没有成产品。直到1 9 9 9 年，由哈尔滨工程大学水声研究所和天津海洋 测绘研究所以及中船重工共同联合研制成功了我国第一套实用的条带测深系统 h h c s 0 1 7 “，现在这套条带测深系统已成功地装备在我国现代化的中远海测量船 上，圆满完成了多次湖上、海上试验和测量任务，充分验证了该系统的可靠性和稳定性。 哈尔滨工程大学在2 0 0 5 年又研制成功了国内首台便携式浅水多波束测深系统原理样 机，在此基础上，于2 0 0 7 年成功研制出国内首台便携式高分辨浅水多波束测深系统， 并实现产品化。经专家鉴定，其关键技术指标已达到国际同类产品先进水平n 2 1 。目前， 该系统已推向市场。随着一系列国产多波束测深系统产品的推出，标志着我国海洋测深 技术已进入多波束测深系统时代，我国也成为了能够独立自主研发多波束测深系统的先 进国家之一。 多波束测深系统成图软件也是多波束测深系统的重要组成部分之一。目前国内也开 发了一些地形成图的软件，如南方数码科技有限公司的地形成图软件、中翰数字地形成 图软件、苏州联创图讯软件公司开发的地形成图软件、哈尔滨工程大学开发的地形成图 软件。其中，哈尔滨工程大学开发的海底地形成图软件与多波束测深系统的研制同步进 行并结合紧密。在2 0 0 3 年吴少琴设计了一套适用于多波束测深系统测量数据的拼图软 件”，该软件可以运行于w i n d o w 9 5 9 洲2 0 0 0 环境下的w i n 3 2 软件。成图软件根据功 能需求分为三个模块：构建水深模板模块、等深线形成模块和三维立体图形成模块，分 别实现了深度数据处理、等深线的优化处理和三维海底地形图的显示，此软件已达到实 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 际使用的要求。2 0 0 4 年陈友元研发了一套适合新型便携式多波束测深设备的实时显控 软件和后置处理拼图软件u 卅，该软件具有数据采集、数据存储、数据显示、数据处理以 及数据成图等功能，并能够对采集的数据进行实时地显示和随时控制设备的状态。为便 携式多波束测深仪独立开发的实时监测与后置处理软件达到了设计要求，完成了预定功 能。 2 0 0 5 年王向红研制一套全新型多波束测深系统数据后置处理及拼图软件m 1 ，主要研 究空间数据平滑方法、声线修正技术、潮正改正技术以及海底地形图成图前的网格生成 方法和坐标变方法；实现了水深透写图、等深线图形和三维立体图形的显示；在一个软 件系统中可以同时应用几种数据平滑处理方法和图像增强技术，能够快速地生成高质量 的数据成果图。2 0 0 6 年胡清华研发了一套适合新型便携式多波束测深系统的后置数据 采集处理和成图软件n q ，通过人工编辑和自动处理两种方式对多波束深度数据进行了处 理，该软件特殊性在于，用o p e n g l 和m b s y s t e m 两种软件包进行三维地形图、水 深透写图、等深线图的绘制。 2 0 0 8 年姜倩方开发一套可运行于w i n d o w s 环境的专家系统地形成图软件n 丌，该成 图软件是利用v i s u a lc + + 实现工作界面的多窗口运行模式，主要包括后置处理数据等值 线窗口、原始数据等值线窗口、深度数据窗口和三维地形窗口等，可以从不同角度实时 检验系统的工作情况，并且软件还具有分批导入数据的特点。同年，马纯芳也开发一套 多波束测深系统的海底地形成图软件u 习，该软件是基于m a p o b j e c t s 来实现多波束数据 的处理和等深线图的显示，并采用不规则三角网构网法来构建三维地形模型，利用 o p e n g l 技术实现了三维地形图的显示。这些三维地形成图软件重点是对地形信息进行 获取和显示，而对地貌信息获取方法和显示技术研究较少，一般只接受参数为( x y z ) 格式的数据进行绘图。 对比国内外多波束测深系统的研究情况可知，国外已有多个厂家多个系列的多波束 测深系统产品，并且绝大多数产品都在地形测量功能的基础上兼具地貌测量功能，而国 内多波束测深技术研究主要侧重于海底地形探测方法和显示功能等方面，对多波束测深 数据的地形信息估计与显示方法已经相当成熟，并且已有自主研发的多波束测深系统产 品推向市场。但对反向散射强度数据的处理、地貌信息获取方法以及海底地貌图像生成 等方面的研究在国内尚处于起步阶段。不管在理论上，还是在应用上，都很有必要在这 个领域作进一步的研究。 1 3 论文主要研究内容 根据文献可见，国内对多波束地形信息的获取方法展开的研究很多，对地貌信息的 获取方法研究相对较少。因此，本论文主要针对多波束测深系统地貌信息的获取与显示 等技术进行深入的研究和讨论。主要研究思路是对多波束测深系统获取的各接收波束内 4 第1 章绪论 的反向散射信号进行强度时间序列采样，将获取的海底反向散射强度值再向灰度值转 换，形成海底地貌图像展现出来，最后将获取海底地形信息与海底地貌信息结合起来， 形成海底地形地貌图像，为海底地形地貌的解译、海底目标探测提供更直观的判读依据。 本论文具体的研究内容主要集中在以下四个方面：第一，研究多波束测深系统海底 地貌信息获取；第二，研究影响海底地貌信息各种因素及其相应影响因素的修正；第三， 研究多波束测深系统海底地形地貌图像综合显示；第四，通过仿真和实测试验数据对绘 图算法进行验证。本文的章节安排如下： 第1 章，首先介绍了论文研究背景和意义，然后综述了国内外多波束测深系统及地 形地貌成图软件的发展情况，在此基础上进一步阐明了论文立题的必要性，最后介绍了 本论文涉及的研究内容。 第2 章，首先介绍了多波束测深系统的工作原理，讨论了多波束测深系统海底地形 采样数据( x ，y ，z ) 解算过程。由于多波束测深系统不但可以获取测深数据，而且还能够 给出海底地貌信息，本章讨论了多波束测深系统海底地貌信息的获取方法，重点分析了 多子阵检测法地貌信息获取实现过程；并从声呐方程出发，指出了声波传播中各种因素 对海底反向散射强度的影响，给出了相应的修正方法，最后通过修正解算出反映海底地 貌信息的海底反向散射强度数据。 第3 章，首先对解算出的海底反向散射强度数据进行了更进一步的处理，分析了 l a m b e r t 散射定律、经验修正法以及滑动平均滤波等处理方法；然后对海底地形地貌模 型的构建方法进行了详细分析，通过分析比较，找出了适合海底地形地貌模型的构建方 法，在此基础上进一步讨论了海底反向散射强度数据的选取，最后，利用m a t l a b 给出 了多波束测深系统地形地貌仿真效果图。 第4 章，在上述理论分析和算法研究的基础上，通过对海底地形地貌信息的仿真， 验证了算法的有效性和可行性。为了使三维海底地形地貌图像更具有真实感效果，在 v c 软件平台上，利用o p e n g l 三维图形库绘制具有真实感三维海底地形地貌图像的思 想。本章首先介绍了o p e n g l 三维图形库概况，然后给出了基于o p e n g l 三维图形库绘 制三维海底地形地貌图执行流程图，依据流程图对绘图场景设置进行了分析，对三维地 形地貌模型构建及映射关系进行了讨论，最后在v c 软件平台上显示具有真实感的三维 海底地形地貌图。 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章多波束测深系统地形地貌信息获取 多波束测深系统测量需要的数据比较复杂，包括水深数据、测量船定位数据( g p s 、 罗经) 、船体姿态数据( 纵横摇、升沉) 等，但最后用于数据成图的是海底地形采样数据 ( x ，y ，z ) 和海底地貌数据b s ( 海底反向散射强度) ，为此，本章首先基于多波束测深系统 的测深原理，讨论多波束测深系统对海底地形数据( x ，y ，z ) a 海底地貌数据嬲( 海底反 向散射强度) 的解算过程，然后将针对影响海底反向散射的各种因素( 如声能的传播损 失、有效声照射面积等) 进行讨论，并进行相应地修正，最后获得海底反向散射强度值。 2 1 多波束测深系统的测深工作原理 为了说明多波束测深系统的测深原理，首先以分析图2 1 所示的一个倾斜向下发射 的单波束测深过程为例，由图可见，若测得信号从换能器发射到海底回波返回换能器的 往返时间，在已知波束倾斜角度和水中声速的情况下，可由下式计算出被海底照射区域 ( 称为足迹或者脚印) 对应的深度h 硼： h ；华c o s o ( 2 1 ) ， 、7 海底日 图2 1 倾斜波束测深原理图 若在船前进方向( 与船龙骨平行) 上布设一直线阵用于发射信号，在船下方将形成一 个窄波束，照射一个横向的窄条带，如图2 2 ( a ) 。如仍用这个基阵接收，接收的也是这 个条带的回波，则无法确定回波发生在该条带的什么位置，因此也无法测出具体海底点 的深度。如果利用一个与发射阵垂直布设的接收阵接收回波，则被发射阵照射的海底条 带将会和接收波束的条带相交形成多个小的截面，如图2 2 ( b ) 。截面的面积对应于水深、 发射束宽和接收束宽。此时尽管整个被照射区均产生回波，但只有发射阵照射和接收阵 观察到的- d , 部分海底的回波可被此接收波束接收到，从而可测出此接收波束方向的深 度。这种收发基阵的经典交叉安装形式被称为m i l l s 海底采样技术或简称m i l l s 原理。 6 第2 章多波束测深系统地形地貌信息获取 被激励的海底条带收发波束交叉部分 ( a ) 发射线阵照射海底的情况( b ) 发射接收线阵交叉的情况 图2 2 条带测深原理 收的条带 图2 3 多波束接收示意图 若接收波束被控制到其他方向，则可接收其它多个角度海底回波。进而测出各个小 区域的回波到达时间，最终得到各个测点的深度和对应的水平位置，如上图2 3 所示。 利用m i l l s 海底采样技术的多波束测深系统，它的两个基阵成垂直放置，使用一个航向 窄、横向宽的发射波束，而使用多个航向较窄、横向窄的接收波束。为了提高海底测绘 效率，还可以采用相控发射技术，沿船前进方向形成多个发射波束，在实际使用时，也 可以使用两套独立的发射基阵分别安装在船的左右两侧，各自覆盖左右两侧海底的探 测。通过上述的发射接收方法使多波束测深系统在完成一个完整的发射接收过程后，在 接收到的信号中除了有时延信息( 体现了深度信息) 以外，还包括振幅信息( 体现了强度 信息) ，因此，多波束测深系统经数据处理后除了水深地形图以外，还可以同时得到类 似于侧扫系统的地貌图。 7 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 2 2 多波束测深系统海底地形信息解算 多波束测深系统是一种主动声呐系统，该系统通过对海底地形进行采样n 2 1 ，解算出 采样点在大地坐标系中的三维坐标g ，y ，z ) 。假设知道发射声波从发射基阵传播到海底 再由海底返回接收基阵的往返时间厶f ，测出海底声速c ，就可以算出p 点的深度日和 该点相对于声基阵的水平距离赵。在知道测量船的大地坐标( x o ，y 。) 情况下，可以把h 和r x 换算成大地坐标，用g p s 系统就可以获取大地坐标k ，y 。) ，再通过辅助设备罗 经系统测得测量船的航向角驴，如图2 4 所示，就能够解算出p 点的三维大地坐标 b ，y ，z ) 。 j y 航向 单 。 头文 图2 4 海底定位模型 二一c i a t s i n 口c 。s 驴+ y = - c i a t x s i n a s i n 妒+ y 。 ( 2 2 ) z ；一c 笪c o s 口 2 上式( 2 2 ) 中，p 为波束开角，定义p , x 在航行方向的右边时符号为正，在航行方向 的左边时符号为负，p 点的垂直深度用z 坐标表示，在海平面以下用负号表示。 假如能精确测量出海底回波的时间，利用( 2 2 ) 式就能够精确地解算出海底地形采 样点的三维坐标。但是声线弯曲、测量船位置的g p s 的定位误差、测深中心位置和定 位中心的偏移，测量船航向的测量误差、测量船的姿态等都会影响测量结果，在实际应 用中，多波束测深系统必须考虑这些参量正确有效的修正与补偿，利用相应仪器测量这 些参量，例如，涌浪数据( 来自姿态传感器) 、定位数据( 来自g p s ) 以及环境数据( 来自 声速仪、验潮仪) 等，并进行后续修正才能得到正确的测量结果。多波束测深系统的深 度与位置测量原理公式变为： 8 第2 章多波束测深系统地形地貌信息获取 石；c 笪2 s i n 0 c o s 驴+ + 缸 ) ，；一c 了a t s i n 口s i n t p + y o + 缈( 2 - 3 ) z 。一c 兰芝c o s 口+ & 式( 2 3 ) 中的缸、y 和止为上述所有影响测量精度因素的综合修正值。 2 3 多波束测深系统海底地貌信息获取方法 目前多波束测深系统获取海底地貌信息一般有如下三种方法1 0 1 明： 1 利用多波束测深系统获取的每个波束幅值成像，称为“波束幅值成像( b e a ma m p l i t u d e i m a g e r y ) ，如下图2 5 所示。 2 对接收波束( 横向宽角度扇面覆盖) 进行强度时间序列采样，称为“多波束侧扫成像 ( m u l t i b e a ms i d es c a ni m a g e r y ) ”，如下图2 6 所示。 3 对用于获取测深点地形信息的多个接收波束进行强度时间序列采样，称为“片断成像 ( s n i p p e ti m a g e r y ) ”如下图2 7 所示。 图2 5 波束幅值成像图2 6 侧扫成像法 图2 7 “s n i p p e t ”方法 波束幅值成像法很简单，但由于该方法只能获取每个接收波束主轴方位离散测点的 地貌信息，成像分辨率很低：多波束侧扫成像法有两个缺陷，首先，多波束测深系统是 利用窄波束来获取深度信息的，利用额外宽波束来获取地貌信息，这就使得地形信息和 地貌信息不便直接统一起来；其次，接收波束方位信息和地貌信息没有建立起直接的联 系，在后续处理中这两点缺陷增加了地理信息修正的复杂程度；而第三种方法则可以克 9 哈尔滨工程大学硕七学位论文 服上述问题，但该方法在解算各检测点的方位角和空间位置时，通常假设波束内海底是 平坦的，并采用了较多的近似处理，从而使计算的反向散射强度以及空间位置信息不能 准确地融合。而本论文采用的多子阵检测法理论上可得到每个采样时刻海底回波的 d o a 及强度估计，成像分辨率高，该方法得到的深度与反向散射强度数据是一一对应 的，地形和地貌数据能够实现准确的融合，这样便于地形地貌信息的三维显示。 本论文将重点讨论在多波束测深系统地形信息获取新方法( 多子阵检测法) 的基础 上，对多波束测深系统地貌信息进行估计。根据多波束测深系统对海底地形数据的采样 过程，利用发射声波从基阵传播到海底回波到达时间t o a 和海底回波到达角度d o a ， 就可以得到海底反向散射度强度信息。 2 3 1 “s n i p p e t ”方法 “s n i p p e t 方法是从每个波束内完整的信号包络中得到一个时间片断( s n i p p e t ) ， 并对片断内的幅度时间序列采样得到多个强度值。由于海底特定地形的影响，多个不同 波束各自获得的样本可能具有相同的到达时刻，然而却可以在各自的波束脚印内解算反 向散射强度值，使得解算出的反向散射强度数据与测深数据能够较准确的融合，同时也 可较大提高反向散射强度数据的信噪比。 各多波束测深系统生产厂家的声呐基阵结构，接收波束束控方式( 等角或等距) 各不 相同，因此由每个接收波束截取s n i p p e t 时间序列的方式也不尽相同，其主要思想是使 由各接收波束截取的s n i p p e t 时间序列间彼此连续，没有间隙。对于大多数可用于成像 的多波束测深系统而言，截取半波束宽度( 3 d b ) 范围内的时间序列即可达到此目的。 图2 8 为计算各样本强度值的几何示意图。每个波束内总的样本个数是波束发射角 抛( 声轴方向) 和深度h 的函数。随着深度或者入射角度的增加，系统在每个波束内 采集的样本数也增加。 1 0 第2 章多波束测深系统地形地貌信息获取 蜘i f | 帮撕 洲l 蹴 图2 8 计算各样本强度值的几何示意图 各样本对应的角度计算公式可表示为嗍 础- 一s 【厕i 岽券告丽历) ( 2 - 4 ) 其中。础一c n f 2 ，c n 为波束经历水柱最后一层声速。由此式也能说明了更多的样本 数带来的好处就是各样本间所对应的角度间隔也更紧密。而水平位移可表示为 x 。哪出= x 。哪。+ ( ，州出- n c e b i ) 。) 。，。妒怡s i n ( 吼e ，l f r 。) ( 2 - 5 ) 各样本的起始时刻： 结束时刻： z 矾- z 乙抛+ ( 。吗出一腑) f ( 2 6 ) z 0 耐一瓦纽r f + f ( 2 - 7 ) 在( 2 4 ) 、( 2 5 ) 、( 2 - 6 ) 、( 2 - 7 ) 式中，乇魄、x 。一为声轴方向的检测时刻以及检测点所 在位移。最终的各样本信号强度可表示为 了似m p ：) r 。笠_(281sample ) 。：一 。， 。j j 其中，a m p 是s n i p p e t 时间序列的幅度，f 是发射脉宽( s ) ，无是采样率( h z ) 。 哈尔滨【程大学硕士学位论文 2 3 2 基于多子阵检测法获取地貌信息 多子阵检测法利用了海底回波信号的幅度和相位信息，同时实现了幅度和相位联合 检测，使得多子阵检测法不仅能够适用于大角度倾斜入射波束，而且对于镜像区域的波 束也能够适用。多子阵检测法实现了对超宽覆盖下的海底回波到达角d o a 的高精度估 计，而且兼顾了镜像区域回波的d o a 高精度估计。由于图像变换算法的引入，多子阵 检测法能够给出每个采样时刻对应的d o a 估计，实现对海底地形地貌的全覆盖测型埘。 在多子阵检测法中，从一个接收阵中形成多个重叠子阵，对每个子阵分别进行波束 形成，并计算出各子阵的相位函数，由此估计出相位斜率，并通过图像变换算法实现对 海底各检测点处回波到达时间( t o a ) 和回波到达角( d o a ) 的估计。 在各子阵波束形成后，多子阵检测法能够给出回波信号的相位信息，它表示为子阵 位置函数，称为子阵相位函数，记为： 吼k 协工口，j = k 协，口，扛t + 6( 2 9 ) 式( 2 - 9 ) 中，c p k ( a ( n ) ，a ，) 为第七个子阵接收信号的相位函数，以为第七个子阵的坐 标位置，k ( n ，口，) 表示相位斜率，简记为k ，这个相位斜率是波束角度口，和到达时间玎 的函数，b 为第一个阵元接收信号的相位，为常数。当存在有效的回波信号时，能够估 计出有效的相位斜率k ，在没有回波信号时，相位斜率k 是随机的。通常利用所有子 阵的相位信息并结合最小二乘拟合方法可估计出k 。 由子阵相位函数吼k 0 ) 口，) 一k ( n ，口，k + 6 ，可得到两相邻子阵的相位差，并计算 出信号到达角序列口9 在不计基阵倾角情况下，口( 咒) 可表示为： 刊；n p s m 口，) ( 2 - 1 0 ) 在多子阵检测法中引入了一种图像变换的方法，图像变换方法利用了相位斜率图中 的所有点，变换后的图像称为海底图像，海底图像变换是将相位斜率图像k ( 咒，口，) 变换 为时间和回波到达角的函数b ( 甩，口) ，它的每个像素值都表示为一个海底回波的概率， 变换前，将其中所有像素值都初始化为零，然后利用( 2 1 0 ) 对k ( 咒，口，) 中的每一个像素 值计算得到回波到达角，从而获得回波各采样时刻的d o a 估计值。 为了保证海底同一区域有更多的波束能够覆盖，多子阵检测法中的每个子阵不能 长。这种相位检测法有别于多波束测深系统中的传统的相位检测法，在传统的相位检测 法中，仅仅能估计出每p i n g 中各个波束主轴方位海底回波到达时间t o a 。而多子阵检 测法可以获取每个采样时刻对应的海底回波到达角d o a 估计，并结合f f r 波束形成得 到的海底回波的幅度信息，可以得到地貌图像，实现对海底地形地貌联合全覆盖测量。 利用多子阵检测方法可以在每个波束宽度覆盖范围内得到多个深度检测点，每个检 第2 章多波束测深系统地形地貌信恩获取 测点包含了回波到达时刻、方位角信息，而这与计算的各样本反向散射信号强度的起始 时刻与方位角是一致的。由( 2 8 ) 式可以得到每个样本信号强度值，进而也可以得到接 收换能器上的回声级e l 。由于该方法在计算时不需要像“s n i p p e t ”那样解算样本方位 角和水平位置从而避免了需要较多的近似处理，所以计算精度要相对更高一些。并且该 方法可实现海底反向散射强度的精确估计和实现测深点与反向散射强度点一一对应。 反向散射强度可以由主动声呐方程计算得到例： b s ( e ) = e l s l + 2 z l ( 日) 一l o l 0 9 1 0 0 ( 口) ) 一m p g 一形p ) ( 2 1 1 ) 式中，e l 为接收换能器上的回声级，由回波声强，计算得到；观为声源级；2 r l ( o ) 为双程传播损失；彳( 日) 为声照射面积( 脚印面积) ；m 为接收阵灵敏度级，主要决定于 接收换能器指标；p g 为系统处理增益，主要决定于不同的回波信号的处理方法；w ( o ) 为基阵指向性图。其中，接收换能器上的回声级为吲： 眈。1 01 9 王( 2 - 1 2 ) j o 式中，。是参考声强，j ，是接收换能器处的回声强度。下面将对主动声呐方程中 的其它物理量进行论述。 目前，多子阵检测法已成功应用于国内首台浅水高分辨多波束测深系统，其性能经 过了多次试验的验证，与传统的地形测量算法相比，优势明显，可以实现超宽覆盖高分 辨率水下地形测量。本论文基于此方法的地形测量功能进一步扩展地貌测量功能。 2 4 多波束测深系统地貌信息修正 海底反向散射强度信息获取方法的研究在国外早有开展，但是在国内对于多波束测 深系统海底反向散射强度信息的获取、海底地貌图像生成及处理等方面的研究还处于初 级阶段，而如何进行精细测量时至今仍然是研究热点。 多波束测量数据包含了每一个时间序列采样的位置信息和反向散射强度信息。由于 受多种因素的影响，此反向散射强度测量值并不能直接反映海底地貌信息，因此必须对 预先对海底反向散射强度进行处理。基于多波束测深系统采集的海底回波的幅度信息， 如果考虑声波传播中各种因素的影响，对数据进行补偿，就能获得反映海底特征的反向 散射强度数据。本章只对图2 9 中声线修正和传播损失修正模块进行详细了说明，其 l a m b e r t 散射定律、局