超宽频海底剖面仪实时采集显示系统Echo Viewer的设计与实现.docx

1、第38卷第3期吉林大学学报(地球科学版)Vol.38No.32008年5月JournalofJilinUniversityCEarthScienceEdition)May2008超宽频海底剖面仪实时采集显示系统EchoViewer的设计与实现顾春华。陶春辉。张金辉】，周建平】，周利生2,李红星3,刘财31. 国家海洋局第二海洋研究所/国家海洋局海底科学敢点实验室，杭州310012中国鬼舶重工集团公司第七一五研究所，杭州3100122. 吉林大学地球探测科学与技术学院，长春130026摘要：超宽频海底割面仪实时采集显示系统EchoViewer是为新研制的超宽频海底制面仪开发的配套软件。该软件从超

2、宽频海底剖面仪的超宽频率和多原段分频合成的特点出发，同时兼容同类系统的需求进行设计，根据声的在海底介质中的传播特点实现TVG算法和海底艰踪算法，姑合遥感图像处理方法实现分频合成算法，并采用软件工程的管理方法实现整个系统的开发，具有系统控制、导航定位、效据采集并成图显示、数据回放和数据后处理等功能。该软件在提宽频海底剖面仪多次海试和国家海洋局908浅制专项调查任务中得到成功应用。关键词：超宽频海底割面仪；海底浅地层；软件设计；成困显示；数据后处理中图分类号:P631文献标识码：A文章编号：1671-5888(2008)03-0495-07DesignandRealizationoftheReal

3、TimeGatheringandDisplaySystemEchoViewerofSuperBroad-BandSea-BottomProfileInstrumentGUChun-hua1,TAOChun-hui1,ZHANGJin-hui1,ZHOUJian-ping1,ZHOULi-sheng2,LIHong-xing3,LIUCai31. SecondInstituteofOceanography/KeylaboratoryofSubmarineGeosciences,SOAHangzhou31QO12,ChinaNo.715ResearchInstitute»CSlCtHan

4、gzhou310012.China2. CollegeofGeoExplorationScienceandTechnology,JilinUniversity,Changchun130026,ChinaAbstract:Therealtimegatheringanddisplaysystem*EchoViewer,isdesignedforthesuperbroadbandsea-bottomprofileinstrument.Thecharacteristicofsuperbroad-bandandmulti-frequencysynthesizing*aswellasthecompatib

5、ilitywithothersystem,havebeenconsideredduringthesoftwaredesign.TheTVGarithmeticandtheseabedtrackarithmetichavebeenachievedaccordingtothecharacteristicofpropagationofthesonicwaveinseabed.Themulti-frequencysynthesizationhasbeenrealizedbycombiningtheremotesensingimageprocessingtechnique.Theabilitiesofs

6、ystemcontrol,datagathering*GPSnavigation!mapdisplayanddataplaybackandprocessofthesystemhavebeendemonstratedbythesuccessfulapplicationinmanytestsandthesurveyof908project.Keywords:superbroad-bandsea-bottomprofileinstrument；sea-bottomsuperficialstratum；softwaredesign；mapdisplay；dataprocessing收福日期:2007-

7、09-03基金项目：国家海洋局青年海洋科学基金项目2007311）：国家“863”计划项目（2001AA610303-2）作者简介：顾春华（1978），男，上海人，助理研究员，主要从事海洋声学探测技术研究，E-mail：choora；red-star_li.0引言浅地层剖面探测基于声波穿透地层剖面后的反射和散射特性。上世纪40年代国外就已经出现了最原始的海底剖面仪，60、70年代已经有了商用产品。由于当时技术基础的限制，无法实现复杂的信号处理、地层的高分辨，也无法完成探测结果的自动成图，其地层探测结果只能用热记录的方法存在纸带上。90年代以来，由于电子技术、计算机技术的快速发展，使得数字信号处

8、理（DSP）、电子自动成图、大容量数据存储等技术得以实现，运用这些技术的新型剖面仪问世国家“863”计划“超宽频海底剖面仪”（2OO1AA61O3O3）课题中开发的超宽频海底剖面仪工作频带为0.730kHz的超宽频率，可任选频带工作，地层穿透深度N50m,地层分辨精度7.5cm。与现有的剖面仪相比，具有更大的穿透深度和更高的地层分辨精度。由于超宽频海底剖面仪具有超宽频率和多频段分频合成的特点，没有一套现成的浅剖系统软件适用于超宽频海底剖面仪，同时使用国外开发的软件也存在着培训、维护、升级、价格、使用习惯和语言等方面的困难，因此必须开发一套具有自主版权的国产浅剖系统软件。进行超宽频海底剖面仪实时

9、采集显示系统EchoViewer的没计、开发，研制出一套适合超宽频海底剖面仪并兼容其它浅剖系统的浅剖软件系统,从根本上解决了上述存在的问题，突破了国外浅剖软件系统的限制。该软件系统除具有一般浅剖软件的功能外,还针对超宽频海底剖面仪多频段的特点，开发出了分频合成叠加显示这-创新性的后处理手段。该软件系统的成功开发充分借鉴国外软件的技术优点，突出自己的优势.努力走一条适合中国特点可以推广普及的、带动海洋信息产业发展的道路。1系统分析设计1.1系统简介EchoViewer是国家“863”计划“超宽频海底剖面仪”课题支持下设计开发的软件系统（图1）。该系统为超宽频海底剖面仪的配套软件，所有接口采用通用

10、标准开发，可应用于其他浅剖侧扫系统。具有系统控制、自动成图、导航定位、智能海底跟踪、TVG、调色板、延时放大、测量、分频合成叠加显示等功能。关键模块完全从底层开发，采用模拟仿真、面向对象、模块化和统计的方法，综合运用了水声声纳技术、数字成图技术和遥感图像处理技术等进行开发。图1超宽频海底剖面仪实时采集显示系统界面Fig.1Interfaceoftherealtimegatheringanddisplaysystemofsuper-broadbandsub-bottomprofileinstrument1.2系统结构软件系统分为两大子系统：实时采集系统控制子系统和数据后处理子系统。两个子系统之间

11、既相互独立又共通相同模块，这样不仅可以提高子系统的聚合度，增强相互之间的耦合性又能够提高各模块的利用率，便于系统的维护和升级（图2）。图2系统模块划分示意图Fig.2Sketchmapofthesystemmodule实时采集系统控制子系统主要包括发射控制模块、GPS接收控制模块、导航定位模块、数据采集模块、动态显示模块和信号处理模块6大部分。主要完成发射参数控制、GPS接收控制和实时数据采集显示。数据后处理子系统对数据进行分析、处理和成图，可以分成动态回放模式和静态显示模式。动态回放数据处理模式主要包括动态显示模块、信号处理模块、分频合成模块和打印输出模块4部分。主要对采集的数据进行回放显示

12、，根据用户需要进行TVG、延时放大、调色板、海底跟踪、声速校正等处理，获得更好的显示效果并可打印成图。静态显示图像处理模式包括静态显示模块、图像处理模块、分频合成模块和打印输出模块4部分。主要把存储的数据显示成一整幅图像，可进行灰度调整、提高分辨率、假彩色分频合成等处理，可进行点线面的操作，完成处理后可以打印成图。1.3数据流程1.3.1实时采集系统控制实时采集系统控制模块工作流程设计如下：用户首先设置工作参数，包括发射工作参数和串口GPS接收工作参数，如果设置失败，输出异常信息,停止系统运行，系统工作参数设置成功后开始数据采集工作循环（图3）。对接收的每个数据包进行折帧分析，后组帧成新Pin

13、g,在每一个新Ping数据开始时接收工作状1.3.2动态回放数据处理动态回放数据处理模块工作流程设计如下：用户选择已存储的数据文件并打开需要的波段通道,系统读取单Ping数据，解释该Ping的工作状态参数，提取GPS定位数据，读取海底剖面数据，拼图动态显示并同时显示工作参数列表，如此循环读取数据直到回放处理结束（图4）。在有批量数据文件时，根据文件名的连续性自动读取相关文件的数据；也可以根据用户设定在数据文件结束后循环从文件头重新读取。2系统主要功能EchoViewer根据超宽频海底剖面仪实际使用需求并兼顾考虑其他系统的兼容需求，开发了5大功能：（1）系统控制。可对发射参数、接收参数进行设置，

14、控制系统工作,并可进行在线检测；（2）导航定位。串口通信设置，测线布设，实时显示调查船、偏航距及导航信息，记录调查的定位数据等功能；（3）数据采集并成图显示。接收从水上服务器传输的数据，对数据进行实时修正处理并成图显示,态参数和GPS定位数据，然后继续接收所有该Ping支持8个通道。并具有增益控制、延时放大、TVG、的数据包直到最后。保存该新Ping数据到数据文件，并显示在用户界面上，同时显示当前的工作状态调色板等功能;（4）数据回放。支持QMIPS、XTF、SEGY3种参数。如此循环接收数据直到系统停止运行。图3实时采集系统控制流程Fig.3Thecontrolflowofrealtimeg

15、atheringsystem显示文件数据放处理结束图4后处理中动态回放工作流程Fig.4Thedynamicbackdis-playworkflow数据格式，具有海底跟踪、增益控制、延时放大、TVG、调色板等功能，并可进行后处理；(5)数据后处理。对调查取得的数据进行后处理，主要包括数据编辑测量、人机交互海底跟踪和分频合成叠加显示，得到最终海底地层解释图和综合多个频率通道信息的合成叠加图件。3系统实现和主要算法3.1系统实现架构本软件采用VisualC+6.0作为开发工具,采用MFC类库的应用框架和文档/视结构的数据管理方式实现本软件的应用开发。系统类结构框图和相互关系如图5。3.2数据处理主

16、要算法介质传播过程中逐渐损失能量，这种传播损失分为扩展和衰减。扩展损失表示声波的波阵面从声源向外不断扩展的简单几何效应；衰减损失主要包括吸收和散射。吸收是衰减的主要因素，它使声强以指数形式随距离下降，吸收系数一般正比于频率二次方，因此远程声纳都选用较低频率“X。根据声纳在海底介质中的传播特点，通过分析建立能量损失模型，经过反演进行时变增益。时变增益公式可表示如下：GainGTVg+2ar4-logro(1)TVG起始增益Gtvg定义为TVC曲线计算公式中的常数项，单位为dB；TVG吸收衰减系数定义为TVC曲线计算公式中一次项系数的一半，表征由于水体对声波吸收造成对信号增益的影响，记为a,单3.

17、2.1时变增益控制(TVG)公式中对数项的系数，表征球扩散对信号增益的影公式中对数项的系数，表征球扩散对信号增益的影声纳从声源发出的声信号随着时间的延续，在图5显控系统对象结构示意图Fig.5Thestructuresketchmapofdisplayandcontrolsystem位为dB/m；TVG比例因子定义为TVG曲线计算响，记为时为声纳传播距离，单位为m。以上各项参数都有一个参考范围，主要决定于声纳传播的环境。具体数据由用户在工作中根据实际工作环境进行调节。声纳在水下工作时，在拖体周围会产生较大的混响，时变增益需要从一定时间（距离）之后才开始。通常从海底位置直接反射回来的直达波是一次

18、波，能量最强；其它二次波或者由地层反射回来的回波能量都比较弱，因此从海底位置处开始时变增益可以把海底以下的地层细节突出，有利于分析解释。因此系统必须能够进行海底自动跟踪，识别出海底的真实位置进行时变增益补偿。3.2.2海底跟踪由于海底表面沉积物与海水的声阻抗相差较大，海底对声波的反射较强，而且海底的一次回波能量最强，自动识别的可行性很高。但是由于海底地形相当复杂，往往变化剧烈或者出现断层等不连续面，而且海底回波信号复杂，完全实现正确地自动化跟踪还是有一定的难度。通常的解决办法是人机交互半自动跟踪方式，当出现不连续的跳变点时由人工给予纠正，重新跟踪。海底跟踪起始时，首先扫描前面几个（3-8）Pi

19、ng的全部数据，找出每一Ping的最大值，求出平均值作为当前海底位置的参考值。然后在接下来的Ping中，以当前海底位置为中心，加一定宽度的跟踪窗口（40100个数据点），在窗口内查找最大值。如果找到的最大值与海底位置之差在允许范围之内，接收该点数据，根据海底的连续性，重新修正当前数据的平均值作为该Ping的海底位置；如果最大值与海底位置之差超出了规定范围，扩大跟踪窗口，重新查找。此时查找到的最大点已经和前面的海底位置有了一个跃变，但不能确定是由于信号的噪音引入的突变，还是由于海底存在的断层确实有个突变。保留新跟踪的数据，并以前一个海底位置作为当前记录的海底数据，即在默认情况下保持海底的连续性。

20、继续按开始窗口大小查找下一日叩的最大值。当连续三次以上都在新的同一位置查找到海底，则以新的数据作为当前海底的位置，认为断层由此开始。当跟踪位置发生明显偏移时，给予人工纠正。在海底自动跟踪过程中，需要较多的控制变量一起作用才能有较好的跟踪效果，如加窗宽度、允许平均误差等可，这些控制参量:在不同的工作环境下会有所不同，所以具体工作时需要有丰富的操作经验才能取得最佳海底跟踪效果。3.2.3分频合成显示分频合成显示技术是在本系统中提出的一种创新技术。所谓分频是采用Chirp扫频技术，用不同频带的信号对同一区域的地层进行探测，高频信道能够获取浅部的高分辨率的信息，而低频信道能够获取深部的地层信息，这样能

21、够获取该地层各种不同的反射信号特征信息在V。在进行数据处理时，针对各个频带的特征信息进行数据融合，以达到既提高穿透深度又增强分辨率的目的幻。假彩色合成是应用最广泛的彩色增强方法，它可以突出图像中的有用信息，扩大不同影像特征之间的差别，但是普通彩色合成最多能合成3个通道数据。而主成分分析，则可以针对任意多个波段数据进行多维正交变换，然后选取特定主成分进行假彩色合成，能够综合反映不同频带的信息差异，提高数据的分析能力。（1）普通彩色合成显示。在数字图像处理中。假彩色合成是应用最广泛的彩色增强方法，它的目的就是将反映在不同波段上的差异综合地显示出来，突出图像中的有用信息，扩大不同影像特征之间的差别，

22、提高对图像的解译和分析能力。其方法是选定3个波段图像，分别用作R、G、B3个通道进行合成显示。合成后的结果是24位的彩色图像，每个像素由3bit组成，RGB分别代表3个通道数据5。在假彩色合成中最主要的工作是选择哪3个波段或已处理的分量作为假彩色合成的分量。一般而言，直接将原始的图像数据进行合成效果并不很理想，在实际应用中常常选择原始图像数据经比值、差值或主成分处理过的图像作为假彩色合成的分量，间接利用所获得的海底数据的不同波段进行数据合成。（2）主成分变换合成显示。超宽频海底剖面仪最多可以采集5个不同通道的数据，在数据处理过程中，因为各个不同的频带实际上是对同一区域的地层信息的部分反映，它们

23、之间具有很高的相关性，从直观上看图像之间具有相似性。为了从多个频带中提取最大信息量，就要对其信息量进行压缩与变换，然后有选择地对数据进行融合。在本次处理过程中引入遥感图像处理技术，把各个子带分别作为一个空间向量进行主成分变换，即在统计特征基础上的多维正交线性变换，使得变换后各主成分之间的相关系数为零，相互之间所包含的信息内容是不重复的。这样把原来的多变量数据在信息损失最小的前提下，变换为尽可能少的互不相关的新的变量，以减少数据的维数。然后选择变换后信息量较为丰富的3个主成分矢量数据进行假彩色合成，可以综合反映不同频带的信息差异，提高数据分析能力。主成分分析也称为K-L(Karhunen-Loe

24、ve)变换，是在统计特征基础上的多维正交线性变换。下面以矩阵表示多波段图像的原始数据,从数学的角度来分析K-L变换：X=2!22及”.=.矩阵X中，m和分别为波段数(或称变量数)和每幅图像中的像元数'矩阵中的每一行矢量表示一个波段的图像。图像的线性变换可用如下数学式表示:Y=TXo式中:X为待变换图像数据矩阵;Y为变换后的数据矩阵;T为实现这一线性变换的变换矩阵。如果变换矩阵T是正交矩阵，并且由原始图像数据矩阵X的协方差矩阵S的特征向量组成，则Y=TX线性变换即被称之为K-L变换，并且称K-L变换后的数据矩阵的每一行矢量为K-L变换的一个主成分,它们依次被称为第一主成分、第二主成分、第

25、s主成分。这时若将Y矩阵的各行恢复为二维图像，即可以得到m个主成分图像。K-L变换是一种线性变换，而且是当取丫的前p(pVm)个主成分经反变换而恢复的图像X和原图像X在均方误差最小意义上的最佳正交变换。结合上面两种方法，进行数据融合时选择已有的若十波段进行K-L变换，然后再选择若干的输出主成分图像进行假彩色合成，其工作流程如图6所示。一般进行假彩色合成时选取的主成分图像为包含信息量较为丰富的前3个主成分，这样可以更为有效地突出研究的对象。当然，有时为了得到特定的专题信息，也可以选取包含信息量相对较少的其它主成分图像。图6多频段假彩色合成流程图Fig.6Thecomposedflowofmult

26、i-frequencyfakecolor4系统实践应用情况EchoViewer在2003年8月完成了1.0版本并进行了超宽频海底剖面仪在莫干湖的试验，根据实际试验出现的问题进行改进，基本满足了超宽频海底剖面仪的探测需求。软件随着超宽频海底剖面仪项目的整体开发进程，经过多次联调与海试，不断地修正和改进，优化系统结构，提高系统性能。2004年12月，EchoViewerV2.0随超宽频海底剖面仪搭载“大洋一号"科学考察船在南海进行海试，试验证明软件功能完善，运行稳定可靠，满足系统作业需求。2005年10月，EchoViewerV3.0随超宽频海底剖面仪在宁波金塘水道进行探测及比对试验，软

27、件连续工作5天一直非常稳定，显示效果良好，并在12月顺利通过“863”专家组的验收。该软件已经在2006年908东海浅剖调查与研究项目的资料处理中得到了应用，并将逐步推广到浅剖系统控制显示和资料后处理中。图7是2005年在宁波金塘水道试验中采集数据的回放，所显示的剖面图地层分层丰富清晰，分辨率高，海底跟踪准确。所选择的参数如下：频率范围：27kHz。发射参数：脉宽2ms,测程500m,增益18dB,功率0dBo图7数据回放截图Fig.7Theimageofdataplayback5结论超宽频海底剖面仪实时采集显示系统Echo-Viewer的开发过程中综合运用了水声声纳、数字成图、遥感图像处理和

28、软件管理等相关理论技术，开发了一套集成GUI和后处理系统的浅剖侧扫系统专用软件。该软件可对硬件系统进行控制，进行数据采集并成图显示，可对采集的数据进行回放显示和后处理；支持多种国际通用数据格式，如QMIPS、XTF和SEGY；具备该类软件的基本数据显示处理功能，如海底跟踪、TVG、延时放大、测量、调色板和刻度线等。基于超宽频海底剖面仪特点的分频合成显示是本软件的最大创新。该软件除作为超宽频海底剖面仪的配套软件外，还可应用于其它海底浅剖、侧扫设备的实时采集和数据后处理。通过超宽频海底剖面仪多次海试和国家海洋局908浅剖专项调杳任务中的应用，表明系统功能完善，运行稳定可靠。参考文献(Referen

29、ces):1 布列霍斯基J1M.海洋声学M.北京：科学出版社，1983.BrihorskiJIM.OceanacousticsMJ.Beijing：SciencePress.1983.2 吴自银，郑玉龙，初凤友.等.海底浅表层信息声探测技术研究现状及发展地球科学进展.2005,20(11):1210-1217.WUZi-yin,ZHENGYu-long.CHUFeng-you,etal.Researchstatusandprospectofsonar-detectingtechniquesnearsubmarineJ.AdvanceinEarihScience.2005,20(11)：1210-1217.3J王志雄，高平，莫杰.海底地质勘查现代技术方法的应用现状及发展趋势J.海洋地质与第四纪地质，2002,22(2):199-204.WANGZhi-xiong,GAOPing,MOJie.Applicationofmoderntechnicalmethodstosea-floorgeologicexplorationandtheirdevelopmenttendencyCJ.MarineGeology&QualernaryGeology.2002*22(2)：199-204.4 AlexandroD,MoustierC.Adaptivenoisecance