多波束水體數(shù)據(jù)中旁瓣干擾處理方法研究?

權(quán)永崢， 馮秀麗， 丁 咚,4??， 李廣雪， 秦浩森， 王祥東

(1．中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院， 山東 青島 266100； 2. 海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266100；3. 青島藍(lán)色地球大數(shù)據(jù)科技有限公司， 山東 青島 266111；4.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)， 山東 青島 266580)

近年來(lái)，多波束聲納技術(shù)得到迅速發(fā)展，大部分多波束測(cè)量系統(tǒng)擁有測(cè)量水深同時(shí)記錄水體數(shù)據(jù)(Water Column Data，WCD)的能力[1]。多波束水體數(shù)據(jù)攜帶了波束從換能器到海底的完整聲學(xué)信息，可用于探測(cè)魚群、海洋大型哺乳動(dòng)物、浮游生物、海底冷泉、海洋內(nèi)波等對(duì)象或物理現(xiàn)象[2]。Deimling等使用多波束水體數(shù)據(jù)研究了海底氣體泄露[3]，Innangi等利用了多波束水體數(shù)據(jù)描繪出魚群高分辨率的三維圖像[4]，Wyllie等在沉船海區(qū)對(duì)比了多波束測(cè)深數(shù)據(jù)與水體數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)水體數(shù)據(jù)對(duì)沉船桅桿等細(xì)節(jié)具有更好的探測(cè)能力[5]。多波束水體信息尚是一個(gè)新生事物，在目前國(guó)際上還未推廣應(yīng)用，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)其研究甚少[6]。

由于旁瓣干擾、船舶噪音等影響，多波束水體數(shù)據(jù)中存在大量干擾。然而各個(gè)學(xué)者對(duì)于水體數(shù)據(jù)的處理方式大有不同： Mc Gonigle等提取了左右舷±25°的水體數(shù)據(jù)[7]， Church，Simmons等均使用最小傾斜距離內(nèi)的水體數(shù)據(jù)[8-9]，Urban等在保留MSR以內(nèi)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，剔除了大于閾值的數(shù)據(jù)[10]。CARIS，F(xiàn)MMidwater等商業(yè)軟件均實(shí)現(xiàn)了多波束水體數(shù)據(jù)的顯示，但是無(wú)法對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[5]。

綜上分析可知，現(xiàn)在大部分學(xué)者均使用部分多波束水體數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，或者采用中央波束數(shù)據(jù)，或者采用MSR以內(nèi)數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)處理手段，極大弱化了多波束設(shè)備覆蓋寬度大的優(yōu)點(diǎn)，限制了多波束水體數(shù)據(jù)的應(yīng)用。因此，現(xiàn)在亟需一種多波束水體數(shù)據(jù)處理方法，提高M(jìn)SR以外(或者邊緣波束)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，提高多波束水體數(shù)據(jù)的利用率。本文系統(tǒng)分析了多波束水體中的旁瓣干擾，根據(jù)旁瓣干擾的分布特性提出了一套基于平坦地形的水體數(shù)據(jù)處理方法，并通過處理模擬水體數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：該算法可有效剔除水體數(shù)據(jù)中的旁瓣干擾，且對(duì)有效信號(hào)損失較小。

1 多波束水體數(shù)據(jù)中的旁瓣干擾

由于多波束換能器存在旁瓣效應(yīng)，因此在水體數(shù)據(jù)中，存在大量旁瓣干擾，可分為接收旁瓣干擾和發(fā)射旁瓣干擾。

1.1 接收旁瓣干擾

當(dāng)發(fā)射波束到達(dá)海底后，其反射強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其后向散射強(qiáng)度，且反射波最先到達(dá)接收換能器。由于接收波束旁瓣的存在，回波被大部分波束記錄，從而形成了一個(gè)相同時(shí)間的強(qiáng)干擾，體現(xiàn)在水體數(shù)據(jù)中為一半圓弧狀強(qiáng)反射帶，把這條反射帶稱為鏡面反射，把該圓弧的半徑稱為最小傾斜距離(見圖1)。MSR以內(nèi)水體數(shù)據(jù)均來(lái)自海水且質(zhì)量較高，MSR以外數(shù)據(jù)受接收旁瓣干擾明顯。如圖1所示，接收波束主瓣方向指向海底的C點(diǎn)，但其內(nèi)側(cè)第一旁瓣卻記錄了B點(diǎn)的后向散射強(qiáng)度，在該波束對(duì)應(yīng)的水體數(shù)據(jù)中表現(xiàn)為B′點(diǎn)。同理A,D,E三點(diǎn)的后向散射均被該波束的旁瓣記錄，體現(xiàn)為水體數(shù)據(jù)中的A′,D′,E′點(diǎn)。因此在多波束一Ping的水體數(shù)據(jù)中存在與海底斜交的一系列線性干擾。外側(cè)接收旁瓣干擾位于海底以下，不影響水體數(shù)據(jù)的判讀，而內(nèi)側(cè)旁瓣干擾極大影響了水體的解譯。

聲波以小掠射角照射邊緣波束海底區(qū)域，該區(qū)域的回波傳播聲程較長(zhǎng)，傳播損失大，在一個(gè)波束內(nèi)來(lái)自不同角度的回波在時(shí)間上是擴(kuò)散的，導(dǎo)致回波信號(hào)的幅度較小且有較大的展寬[11](見圖1)。

(改自文獻(xiàn)[12]。Modified from literature[12].)圖1 接收旁瓣干擾示意圖

1.2 發(fā)射旁瓣干擾

發(fā)射換能器的旁瓣也會(huì)產(chǎn)生回波，影響主瓣產(chǎn)生的水體數(shù)據(jù)。發(fā)射旁瓣干擾如圖2所示，其表現(xiàn)為與海底鏡面反射平行的圓弧狀強(qiáng)反射值干擾。發(fā)射旁瓣由于傾斜射向海底，其回波延遲于主瓣回波，因此其被下一Ping記錄，且到達(dá)時(shí)間具有隨機(jī)性，圖2中體現(xiàn)出旁瓣干擾的各種表現(xiàn)形式。在傾斜地形、強(qiáng)反射海底等情況下發(fā)射旁瓣干擾最為明顯。在沉船調(diào)查的過程中，會(huì)在沉船影像的周邊出現(xiàn)“似沉船干擾”，這就是因?yàn)槌链c水體波阻抗大，發(fā)射旁瓣回波被接收導(dǎo)致的[12]。

水體中還存在船體噪音干擾，船載其他聲學(xué)探測(cè)設(shè)備信號(hào)干擾等，上述干擾與發(fā)射旁瓣干擾具有相同的形態(tài)，甚至可以強(qiáng)于發(fā)射旁瓣干擾，因此很難在水體影像中確定。發(fā)射旁瓣干擾一般情況下分布不規(guī)律，可在水體數(shù)據(jù)中的任何部分存在，其能量相對(duì)較小，基本不影響水體數(shù)據(jù)的判讀(見圖2)。

(改自文獻(xiàn)[12]。Modified from literature[12].)圖2 發(fā)射旁瓣干擾示意圖

2 多波束水體處理方法

通過實(shí)測(cè)資料發(fā)現(xiàn)，多波束水體數(shù)據(jù)的采樣頻率遠(yuǎn)小于其工作頻率。根據(jù)采樣定理，離散的水體數(shù)據(jù)無(wú)法保留原始信號(hào)的信息，無(wú)法在頻率域進(jìn)行處理。

由上文分析可知，水體數(shù)據(jù)中的發(fā)射旁瓣干擾基本不影響判讀，而接收旁瓣干擾是影響水體數(shù)據(jù)解譯的關(guān)鍵。鏡面反射為一半圓弧狀強(qiáng)反射帶，它們的接收時(shí)間與中央波束接收海底時(shí)間一致。MSR以外的接收旁瓣干擾，是由設(shè)備的旁瓣效應(yīng)和海底后向散射造成的，因此在平坦海域具有相同的分布規(guī)律。本文基于上述分布特征，提出了一種基于平坦海底的多波束水體數(shù)據(jù)處理方法。

2.1 處理方法的理論基礎(chǔ)

多波束記錄水體的回波強(qiáng)度(EL)用聲納方程表示為：

EL=SL-2TL+BS+SH+PG。

(1)

其中:SL為聲波的發(fā)射聲源級(jí)；TL為傳播過程中的能量損失；BS為目標(biāo)產(chǎn)生的回波強(qiáng)度；SH為接收陣列的靈敏度；PG為接收系統(tǒng)的處理增益。

式(1)可改寫為下式：

EL=BG+BS。

(2)

BG=SL-2TL+SH+PG。

(3)

式(2)、(3)中，BG為均勻海水的回波強(qiáng)度。如果增益函數(shù)可以完全抵消聲波在傳輸過程中的能量損失，則在理論上BG是與波束角、距換能器距離無(wú)關(guān)的常數(shù)。然而由于旁瓣干擾的存在，均勻海水的回波強(qiáng)度不再是一個(gè)常數(shù)，從而影響水下目標(biāo)的識(shí)別。

現(xiàn)代多波束測(cè)量設(shè)備多使用時(shí)變?cè)鲆娴姆椒ㄑa(bǔ)償波的能量損失，該方法具有較好的效果。通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：在旁瓣干擾較弱的區(qū)域，MSR內(nèi)外均勻海水的回波強(qiáng)度基本為一常量[10]。因此本文假設(shè)在每一Ping的測(cè)量數(shù)據(jù)中，在無(wú)旁瓣干擾的情況下，MSR內(nèi)外的BG值相等。

(4)

(5)

2.2 多波束水體處理步驟

(1) 解析原始數(shù)據(jù)

能夠記錄水體數(shù)據(jù)的多波束型號(hào)較多，而不同多波束系統(tǒng)使用不同的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式：如Kongsberg公司的EM系列多波束記錄格式為ALL格式和WCD格式，而RESON公司多波束多以S7K格式記錄。應(yīng)根據(jù)多波束型號(hào)解析原始數(shù)據(jù)，本文以Kongsberg公司EM122型多波束系統(tǒng)為例。

(2) 水體采樣點(diǎn)歸位

多波束發(fā)射換能器被激發(fā)后，接收換能器開始采樣并紀(jì)錄，采集方式為等時(shí)采樣，發(fā)現(xiàn)海底后，數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，準(zhǔn)備下一次記錄。原始數(shù)據(jù)中記錄了水深、回波強(qiáng)度、采樣頻率、聲速及波束入射角等信息。回波強(qiáng)度已經(jīng)進(jìn)行了時(shí)變?cè)鲆嫣幚?，可直接使用，但采樣點(diǎn)相對(duì)于換能器的位置需使用聲速和波束入射角計(jì)算得到，見公式(6),(7)。每一Ping數(shù)據(jù)都要進(jìn)行采樣點(diǎn)歸位處理，使回波強(qiáng)度值歸于其真實(shí)的地理位置。

(6)

(7)

其中：X為據(jù)換能器的水平距離；Y為據(jù)換能器的垂直距離；i為第i個(gè)采樣點(diǎn)；sv為海水聲速；f為采樣頻率；θ為波束入射角。

(3) 多Ping水體數(shù)據(jù)平均

使用歸位后的水體數(shù)據(jù)，根據(jù)采樣點(diǎn)的位置關(guān)系，進(jìn)行多Ping水體數(shù)據(jù)平均，計(jì)算各采樣點(diǎn)平均回波強(qiáng)度，并查看平均數(shù)據(jù)是否合理。如果海底反射、鏡面反射條帶過寬，說(shuō)明選取文件過多，導(dǎo)致地形起伏較大；如果水體中有明顯特征目標(biāo)，說(shuō)明文件選取不夠，平均后不足以濾除目標(biāo)。

(4) 計(jì)算均勻海水回波強(qiáng)度

計(jì)算每一Ping均勻海水回波強(qiáng)度，需選用干擾較少且無(wú)明顯特征目標(biāo)的中央波束水體數(shù)據(jù)。一般選擇中央6～10條波束的水體數(shù)據(jù)進(jìn)行平均。

(5) 濾除鏡面反射及接收旁瓣干擾

多波束水體數(shù)據(jù)包含水下目標(biāo)和海底的回波信息，錯(cuò)誤的處理海底回波會(huì)增大水下目標(biāo)識(shí)別的難度。本文采用的策略是識(shí)別海底回波，并保留其數(shù)據(jù)。根據(jù)海底回波強(qiáng)度遠(yuǎn)大于水體回波的特性，提取強(qiáng)度突變點(diǎn)，連線識(shí)別海底回波并保留。

如2.1節(jié)所述，鏡面反射為半圓弧狀強(qiáng)反射帶，結(jié)合實(shí)測(cè)資料發(fā)現(xiàn)，其寬度較窄，一般為2～3個(gè)采樣點(diǎn)。因此對(duì)于鏡面反射干擾，選擇合適的時(shí)間窗口寬度，使用均勻海水回波強(qiáng)度替換即可，基本不影響特征目標(biāo)的識(shí)別。對(duì)于MSR以外區(qū)域，進(jìn)行式(5)操作。

重復(fù)步驟(4)，直至處理完最后一Ping多波束水體數(shù)據(jù)。

(6) 數(shù)據(jù)輸出

繪制多波束水體影像圖及多波束水體沿航向截面圖，對(duì)比處理效果。

處理流程圖見圖3。

圖3 處理流程框圖

3 處理模擬數(shù)據(jù)

中國(guó)海洋大學(xué)科考船“東方紅2”安裝了挪威Kongsberg公司EM122型深水多波束系統(tǒng)，該系統(tǒng)工作頻率為12 kHz，可形成288個(gè)波束，系統(tǒng)發(fā)射波束最大扇面開角150°，形成波束寬度1°×1°。EM型多波束系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式包括ALL格式和WCD格式，其中ALL文件包含測(cè)深、定位、日期、時(shí)間、姿態(tài)傳感器、羅經(jīng)等數(shù)據(jù)包，而水體數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)于WCD文件中。本文收集了該設(shè)備在南海某海域的實(shí)測(cè)資料，并基于實(shí)測(cè)資料和旁瓣干擾的特征建立了多波束水體模擬數(shù)據(jù)。采用模擬數(shù)據(jù)對(duì)本方法進(jìn)行了驗(yàn)證，并對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理分析。

模擬了40 Ping EM122型多波束平坦海底情況下的理想水體數(shù)據(jù)。模擬數(shù)據(jù)中考慮了接收旁瓣干擾和發(fā)射旁瓣干擾，其中接收旁瓣干擾包括第一接收旁瓣干擾、第二接收旁瓣干擾，發(fā)射旁瓣干擾隨機(jī)產(chǎn)生。在第20 Ping數(shù)據(jù)中增加了一個(gè)柱狀目標(biāo)和三個(gè)點(diǎn)狀目標(biāo)，從而對(duì)比處理的效果。

圖4中a圖表示40 Ping平均的多波束水體影像，圖中可以看出隨機(jī)產(chǎn)生的發(fā)射旁瓣干擾平均后得以消除，而鏡面反射和接收旁瓣干擾平均后保持不變。b圖為處理前第20 Ping水體影像，從圖中可以看出左側(cè)的柱狀目標(biāo)和右側(cè)的三個(gè)點(diǎn)狀目標(biāo)，在接收旁瓣干擾的影響下，不易識(shí)別。c圖為處理后第20 Ping水體影像，處理后MSR以內(nèi)數(shù)據(jù)完全保留，鏡面干擾和MSR以外接收旁瓣干擾得以剔除，從而增加了水下目標(biāo)的辨識(shí)能力，柱狀目標(biāo)和點(diǎn)狀目標(biāo)清晰可辨。

(a：40 Ping平均的水體影像； b：處理前第20 Ping水體影像；c：處理后第20 Ping水體影像。a: An average water column image from 40 Pings b: Multibeam water column image of Ping No.20 before processing c: Multibeam water columnimage of Ping No.20 after Processing.)

圖4 模擬的多波束水體數(shù)據(jù)

Fig.4 Simulation data of multibeam water column

4 處理實(shí)例

使用本方法處理了EM122型深水多波束系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，圖5給出了實(shí)際工作的單Ping水體數(shù)據(jù)影像，從影像中可知實(shí)際數(shù)據(jù)中接收旁瓣噪音較強(qiáng)：鏡面反射噪音出現(xiàn)在所有波束，海底后向散射的第一、第二接收旁瓣干擾在邊緣波束廣泛存在。發(fā)射旁瓣干擾與船舶噪音干擾混合在一起，無(wú)法判斷噪音來(lái)源，噪音級(jí)別整體較低，基本不影響水體影像的判讀。位于水深350 m處的強(qiáng)反射帶是由浮游生物對(duì)聲波的反射造成的[13]，下方的兩條強(qiáng)反射帶為浮游生物反射帶的多次波。

將每一Ping各個(gè)深度的最大振幅點(diǎn)投影至中央波束位置變?yōu)橐粋€(gè)數(shù)列，將測(cè)線的所有數(shù)列組合可形成水體數(shù)據(jù)沿航向截面圖，該圖在多波束水體圖像顯示中廣泛應(yīng)用，大大提高了多波束目標(biāo)探測(cè)的效率[6]。由于邊緣波束海底回波的展寬，會(huì)在圖中造成海底與海水回波的混淆，成圖時(shí)需剔除部分邊緣波束。提取波束入射角θ在-60°～60°之間的水體數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖(見圖6)。由圖可知，水深小于1 500 m的部分，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，浮游生物反射帶及其多次波清晰可辨；1 500～2 300 m之間存在大量干擾，是由接收旁瓣干擾造成的；2 300 m以下較大回波強(qiáng)度均為海底回波。

由第2節(jié)分析及圖5、6所示，發(fā)射旁瓣干擾能量較小，基本不影響影像的判讀，因此在水體處理中可以將其忽略，而接收旁瓣干擾的處理是多波束水體處理的關(guān)鍵。

圖5 實(shí)測(cè)多波束水體影像

(-60°≤ θ ≤ 60°)圖6 多波束水體數(shù)據(jù)沿航向截面圖

圖7為40Ping平均的多波束水體影像，從圖中可以看出平均以后旁瓣干擾更加清晰，進(jìn)一步證明了平坦海底條件下旁瓣干擾具有相同的分布規(guī)律。圖中海底反射帶、鏡面反射帶較窄，表示探測(cè)海區(qū)地形平坦，Ping數(shù)的取值是合理的，可以進(jìn)行下一步處理。

對(duì)于每一Ping數(shù)據(jù)，做如下處理：(1)提取位于中央的10個(gè)波束用于計(jì)算均勻海水回波強(qiáng)度，并在計(jì)算過程中避開海底強(qiáng)反射帶和浮游生物反射帶。(2)根據(jù)水深信息，確定鏡面反射位置，設(shè)置合理時(shí)間窗口，利用均勻水體回波強(qiáng)度值進(jìn)行替換。(3)在保留海底回波數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，令MSR以外回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)減去其相對(duì)位置的多Ping平均回波強(qiáng)度，加均勻海水回波強(qiáng)度。

圖7 多Ping平均水體影像

圖8為處理后多波束水體影像，由圖中可以看出處理后多波束水體數(shù)據(jù)質(zhì)量大大提升：鏡面反射內(nèi)數(shù)據(jù)保持了處理前的高質(zhì)量，而鏡面反射外的噪音級(jí)別也大大降低。

圖9為處理后水體數(shù)據(jù)沿航向截面圖，其數(shù)據(jù)提取方法與圖6一致。對(duì)比發(fā)現(xiàn)處理后上層水體數(shù)據(jù)質(zhì)量不變，水深1 500～2 300 m之間數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯變好，海底回波未受影響。海底表面部分區(qū)域較高的反射強(qiáng)度，是由于發(fā)射旁瓣干擾、船舶噪音在高時(shí)變?cè)鲆娴淖饔孟律傻?，在識(shí)別探測(cè)目標(biāo)時(shí)應(yīng)仔細(xì)甄別。

圖8 處理后多波束水體影像

(-60°≤θ ≤ 60°)

5 結(jié)論

多波束水體數(shù)據(jù)攜帶了波束從換能器到海底的完整聲學(xué)信息，具有重要的研究意義。本文系統(tǒng)分析了旁瓣干擾對(duì)多波束水體數(shù)據(jù)的影響，提出了一種基于平坦海底的多波束水體接收旁瓣干擾處理方法，并基于該方法處理了模擬數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，證明了該處理方法的可行性。本文得出以下結(jié)論：

(1) 多波束水體數(shù)據(jù)中的旁瓣干擾包括接收和激發(fā)旁瓣干擾。接收旁瓣干擾體現(xiàn)在鏡面反射和第一接收旁瓣干擾、第二接收旁瓣干擾等上，主要位于MSR以外，會(huì)影響到多波束水體的判讀；激發(fā)旁瓣干擾分布具有隨機(jī)性，并且經(jīng)常與船舶噪音等混合在一起，其分辨難度大，但是基本不影響水體數(shù)據(jù)的判讀。

(2) 在平坦海底的情況下，旁瓣干擾具有相同的分布規(guī)律?；诖颂匦裕岢隽艘环N處理接收旁瓣干擾的方法，利用模擬資料和實(shí)測(cè)資料處理分析發(fā)現(xiàn)：處理后MSR以內(nèi)數(shù)據(jù)保持了處理前的高質(zhì)量，而MSR外的噪音級(jí)別也大大降低，極大提高了水體數(shù)據(jù)目標(biāo)探測(cè)的識(shí)別能力。

本方法基于平坦海底而且減去平均水體散射強(qiáng)度的過程可能會(huì)損失部分有益信息，因此在使用本方法之前應(yīng)對(duì)水體數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷其是否適用于本方法。研究適用性更強(qiáng)、處理效果更好的方法是今后的研究方向。