側(cè)掃聲納圖像地理編碼方法研究

成 芳，胡迺成

（中國(guó)人民解放軍91439部隊(duì)，遼寧 大連116041）

側(cè)掃聲納圖像地理編碼方法研究

成 芳，胡迺成

（中國(guó)人民解放軍91439部隊(duì)，遼寧 大連116041）

從側(cè)掃聲納各類數(shù)據(jù)的特點(diǎn)出發(fā)，通過構(gòu)建聲納圖像的地理編碼模型，提出側(cè)掃聲納圖像地理編碼方法，將聲納回波數(shù)據(jù)與定位數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明：該方法是合理可行的，不僅較好地處理了定位數(shù)據(jù)，消除了拖魚軌跡線上的折點(diǎn)和扇形裂縫，而且可實(shí)現(xiàn)海底回波點(diǎn)的地理定位。

側(cè)掃聲納；數(shù)據(jù)后處理；地理編碼；高斯坐標(biāo)；Bezier函數(shù)；目標(biāo)探測(cè)

側(cè)掃聲納是實(shí)現(xiàn)海底全覆蓋掃測(cè)的重要水聲設(shè)備之一，由甲板單元、數(shù)據(jù)采集顯示軟件、拖魚和拖曳線纜組成。其通過與定位系統(tǒng)（如GPS）連接，可獲得側(cè)掃聲納各采樣點(diǎn)的地理位置，為海底探測(cè)提供了完整的海底聲學(xué)圖像。近年來，側(cè)掃聲納被廣泛應(yīng)用于海底地貌測(cè)繪、海底底質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)、航道疏浚、水下目標(biāo)搜尋等方面。

隨著側(cè)掃聲納技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)外已出現(xiàn)了自動(dòng)化程度較高的側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)處理軟件［1-6］，然而，即便這些軟件伴隨側(cè)掃聲納硬件系統(tǒng)一并提供，其軟件算法仍是保密的，對(duì)于用戶來講就是個(gè)“黑盒子”。事實(shí)上，一套完整的側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)處理軟件主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理（格式解析、粗差剔除、數(shù)據(jù)平滑濾波、輔助參數(shù)計(jì)算等）、聲圖形成及拼接、回波點(diǎn)地理編碼、失真改正、聲圖去噪、聲圖目標(biāo)邊緣提取等功能。本文針對(duì)回波點(diǎn)地理編碼這一功能，研究側(cè)掃聲納與定位系統(tǒng)聯(lián)合使用問題，探討側(cè)掃聲納海底目標(biāo)物的定位機(jī)制，通過建立聲納圖像的地理編碼模型，提出側(cè)掃聲納圖像地理編碼方法，最終實(shí)現(xiàn)聲納圖像的地理坐標(biāo)定位，為今后研發(fā)國(guó)家自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)處理軟件提供理論參考和技術(shù)支持。

1　聲納圖像地理編碼方法

1.1定位數(shù)據(jù)處理方法

1.1.1理論基礎(chǔ)從現(xiàn)有的定位系統(tǒng)來看，其采樣率明顯低于側(cè)掃聲納回波采樣率［7-14］。因此，在進(jìn)行聲納圖像地理編碼前，應(yīng)先對(duì)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使定位數(shù)據(jù)與回波數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)，消除圖像中的空白和重疊區(qū)域，使側(cè)掃聲納圖像顯示完整。

提出基于三次樣條函數(shù)（Bezier函數(shù)）的處理方法，具體方法如下：

設(shè) Ti，Ti+1為定位系統(tǒng)中兩個(gè)相鄰點(diǎn)位 Pi（yi，xi），Pi+1（yi+1，xi+1）處的記錄時(shí)間，通過將Ti，Ti+1與掃描線更新時(shí)間比較，可確定出Ti～Ti+1時(shí)間內(nèi)，拖魚接收到的掃描線數(shù)量n，如圖1所示：

圖1　Ti～Ti+1時(shí)間內(nèi)，拖魚接收的Ping線數(shù)量

設(shè)LBezier為Ti～Ti+1時(shí)間內(nèi)拖魚航行距離，則第k條掃描線對(duì)應(yīng)的航跡點(diǎn)Pk（yk，xk）距Pi（yi，xi）的距離如式（1）所示：

設(shè)過Pi（yi，xi），Pi+1（yi+1，xi+1）的航跡函數(shù)為x=fBezier（y），則Ti～Ti+1時(shí)間內(nèi)拖魚航行距離可用式（2）表示：

設(shè)Fbezier（y）為的原函數(shù)，則利用式（1）和式（2）可解算出拖魚接收第k條掃描線時(shí)的地理坐標(biāo)Pk（yk，xk），如式（3）所示：

聲納圖像中消除航跡不穩(wěn)造成的扇形裂縫，其效果見圖2。

圖2　航跡三次樣條函數(shù)處理后的效果

1.1.2算例分析選取某海域原始側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)由EdgeTech 4200-FS型側(cè)掃聲納［2］測(cè)量獲得。在該測(cè)線進(jìn)行測(cè)量時(shí)，發(fā)射脈沖中心頻率為403 kHz，發(fā)射脈沖寬度為3 ms，量程為75 m，數(shù)據(jù)采樣間隔為0.015 6 ms。

圖3　定位數(shù)據(jù)處理前后效果對(duì)比圖

通過對(duì)側(cè)掃聲納回波數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)的讀取發(fā)現(xiàn)：

（1）回波數(shù)據(jù)采樣率為定位數(shù)據(jù)采樣率的5倍；

（2）未經(jīng)航跡數(shù)據(jù)處理的聲納圖像（如圖3（a）），由于聲納系統(tǒng)掃描與定位不同步，使得相鄰掃描線具有相同的導(dǎo)航信息，特征點(diǎn)數(shù)量遠(yuǎn)少于掃描線數(shù)量，因此，在像素重采樣過程中，容易造成相鄰多條掃描線互相重合，在航跡特征點(diǎn)之間形成扇帶裂縫；而通過三次Bezier曲線處理后的聲納圖像（如圖3（b）），成像效果較好，尤其在扇形裂縫比較集中的航跡拐點(diǎn)處，聲納圖像平滑，有效消除了扇形裂縫。

1.2地理編碼方法

定位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，將側(cè)掃聲納回波數(shù)據(jù)納入指定的坐標(biāo)系的方法即為地理編碼方法。本文通過建立地理編碼模型，嘗試提出地理編碼方法，并通過基于C#語言編制的地理編碼顯示軟件驗(yàn)證地理編碼的可行性。

1.2.1地理編碼模型如圖4所示，在高斯平面直角坐標(biāo)系中，A，B為航跡線上相鄰兩條掃描線對(duì)應(yīng)的航跡點(diǎn)，設(shè)其坐標(biāo)分別為（y1，x1）和（y2，x2），α為航跡線與橫軸所夾銳角，直線AB的斜率為（y2-y1）。設(shè)掃描線某回波點(diǎn)R1的坐標(biāo)為（y，x），則每條掃描線上回波點(diǎn)相對(duì)于側(cè)掃聲納航跡線上定位點(diǎn)的相對(duì)位置為：

圖4　Ping線上回波點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算示意圖

按照左右舷的不同，根據(jù)側(cè)掃聲納航跡線上每一定位點(diǎn)切線的斜率，利用確定的航跡線定位點(diǎn)，由解析數(shù)據(jù)和內(nèi)插數(shù)據(jù)推算出聲回波點(diǎn)的定位點(diǎn)，并代入高斯平面直角坐標(biāo)系中，由此可得到側(cè)掃聲納掃描探測(cè)海域的海底地形上所有點(diǎn)的高斯坐標(biāo)（歸算結(jié)果見表1）。至此，完成了地理編碼模型的構(gòu)建。

表1　掃描線回波點(diǎn)計(jì)算公式分析表

1.2.2地理編碼方法通過上一節(jié)地理編碼模型的建立，本文認(rèn)為側(cè)掃聲納圖像地理編碼的具體方法如圖5的流程所示。

將側(cè)掃聲納原始數(shù)據(jù)按相應(yīng)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行解析［15］，分離出掃描線的序號(hào)、拖魚航跡坐標(biāo)經(jīng)緯度、拖魚采樣數(shù)、拖魚采樣間隔以及掃描線上每點(diǎn)的聲回波幅值，將分離出的拖魚航跡坐標(biāo)經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換為高斯平面地理坐標(biāo)，并通過平滑處理，消除航跡轉(zhuǎn)彎處可能出現(xiàn)的掃描線間距裂縫，計(jì)算每條掃描線上的聲回波點(diǎn)與側(cè)掃聲納航跡線上定位點(diǎn)的相對(duì)位置，確定其高斯地理坐標(biāo)（YE，XN），經(jīng)過高斯地理坐標(biāo)的反變換，最終得到各回波點(diǎn)該目標(biāo)物的經(jīng)緯度坐標(biāo)（L，B）。

圖5　側(cè)掃聲納圖像地理編碼方法

2　算例分析

通過編制基于C#的側(cè)掃聲納地理編碼顯示軟件，驗(yàn)證側(cè)掃聲納圖像地理編碼方法的可行性。

選取某海域原始側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)由EdgeTech 4200-MP型側(cè)掃聲納和HV110 GPS羅經(jīng)聯(lián)合測(cè)量獲得。其中，側(cè)掃聲納發(fā)射脈沖中心頻率為403 kHz，發(fā)射脈沖寬度為10 ms，量程為75 m。根據(jù)上節(jié)提出的側(cè)掃聲納圖像地理編碼方法完成回波點(diǎn)地理定位（如圖6）。

圖6　側(cè)掃聲納圖像的地理編碼顯示

圖7　側(cè)掃聲納局部放大圖

從圖6～圖7中可以看出：

（1）圖6中，通過鼠標(biāo)的點(diǎn)擊，可對(duì)聲納圖像中的任意點(diǎn)進(jìn)行定位，實(shí)時(shí)顯示該點(diǎn)的地理坐標(biāo)，驗(yàn)證了本文提出的地理編碼方法的可行性。

（2）通過對(duì)定位數(shù)據(jù)的三次樣條擬合，定位數(shù)據(jù)得到了較好的處理，將拖魚轉(zhuǎn)彎處的側(cè)掃聲納圖像進(jìn)行了放大（如圖7），圖像中不存在空白區(qū)域，消除了拖魚軌跡線上的條形和扇形裂縫，再次驗(yàn)證了基于三次樣條函數(shù)處理方法的可行性。

3　結(jié)束語

本文根據(jù)側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)記錄方式和聲納圖像特點(diǎn)，分析并建立了聲納圖像地理編碼模型，提出了聲納圖像地理編碼方法，并采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)方法的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：定位數(shù)據(jù)的平滑處理可有效消除聲納圖像中不連續(xù)的現(xiàn)象，地理編碼方法可為用戶提供聲納圖像任意一點(diǎn)的位置信息，直觀反映海底目標(biāo)物的地理位置。

［1］Edgetech.Discover 4200-MP Side Scan Processor Software User’s Manual［EB/OL］.2008.http://www.edgetech.com.

［2］Edgetech.4200-FS High Definition，Multi-pulse，Dual Frequency Side Scan System User’s Hardware Manual［EB/OL］.2008.http: //www.edgetech.com.

［3］Edgetech.J-Star Full SpectumDiagnostic Software Technical&User’s Manual［EB/OL］.http://www.edgetech.com，2010.

［4］Edgetech.2000 Series Combined Side Scan Sonar and Sub-Bottom Profiling System User’s Manual［EB/OL］.2010.http://www.edgetech.com.

［5］Edgetech.3100-P Portable Sub-BottomProcessor Sotfware［EB/OL］.2007.http://www.edgetech.com.

［6］Edgetech.Discover 4125 Side Scan Processor Software User’s Manual［EB/OL］.2010.http://www.edgetech.com.

［7］Flemming.BW.Side Scan Sonar:APractical Guide［J］.The International Hydrographic Review，1976，53（1）:65-92.

［8］Edgetech.4200 Series High Definition Dual FrequencySide Scan Sonar System［EB/OL］.2008.http://www.edgetech.com，edgetech.

［9］Edgetech.4200 Side Scan Sonar SystemUser Hardware Manual［EB/OL］.2010.http://www.edgetech.com.

［10］Edgetech.3100-P Portable Sub-BottomUser Hardware Manual［EB/OL］.2014.http://www.edgetech.com.

［11］Edgetech.3200-XSSub-BottomSystemUser Hardware Manual［EB/OL］.2015.http://www.edgetech.com.

［12］Edgetech.4125 Side Scan Sonar SystemUser Hardware Manual［EB/OL］.2010.http://www.edgetech.com.

［13］Edgetech.4125 Magnetometer Interface User Hardware Manual［EB/OL］.2015.http://www.edgetech.com.

［14］Edgetech.6205 Bathymetry&Side Scan Sonar User Hardware Manual［EB/OL］.2015.http://www.edgetech.com.

［15］Edgetech.Description ofthe Edgetech（.jsf）File Format［EB/OL］.2011.http://www.edgetech.com.

Research on the Geocode Method for Side Scan Sonar Images

CHENG Fang，HU Nai-cheng
Troop 91439，the People's Liberation Army of China，Dalian 116041，Liaoning Province，China

Based on the characteristics of various data acquired from side scan sonar，a geocode method for side scan sonar images is put forward through building the geocode model of sonar images，which achieves one-to-one correspondence between the positioning data and echo data.The experiment results prove the feasibility of this method，which can better process the positioning data，eliminate the line inflection and sector gap on the towfish trajectory，and realize geographic positioning of echo point on the seabed.

side scan sonar；data post processing；geocode；Gaussian coordinate；Bezier function；target detection

P229.1

A

1003-2029（2016）03-0032-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.03.006

2015-11-01

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41474061，41374018）

成芳（1981-），女，博士，工程師，主要從事系統(tǒng)總體與海洋環(huán)境測(cè)量研究。E-mail：chengfangtl@163.com