側(cè)掃聲吶原始數(shù)據(jù)解析與可視化顯示

趙 昆,王方旗,丁繼勝*,隋海琛,許方正

(1.山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島266590；2.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061；3.交通運(yùn)輸部 天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所,天津300456；4.天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院 天津市水運(yùn)工程測(cè)繪技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300456)

隨著人類將資源的勘探、開發(fā)和利用深入到海洋領(lǐng)域,海底地形地貌測(cè)量作為海洋工程建設(shè)、海洋資源開發(fā)等活動(dòng)的基礎(chǔ)將發(fā)揮其重要作用[1]。海底圖像是海底地形地貌測(cè)量的主要成果。聲吶成像是獲取海底圖像的重要方式,其設(shè)備包括多波束測(cè)深系統(tǒng)、側(cè)掃聲吶系統(tǒng)、合成孔徑聲吶系統(tǒng)等。側(cè)掃聲吶由于成像分辨率高、對(duì)目標(biāo)區(qū)域海底實(shí)現(xiàn)全覆蓋掃側(cè),據(jù)此對(duì)海底地形地貌等進(jìn)行定性分析,被廣泛應(yīng)用于目標(biāo)探測(cè),沉船及失事飛機(jī)等海底殘骸的搜索,海底表層沉積物屬性的確定以及海底地震、火山、地層的監(jiān)測(cè)等[2]。

側(cè)掃聲吶系統(tǒng)在測(cè)量過程中,受其成像機(jī)理、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置以及復(fù)雜的海洋環(huán)境等因素影響[3],得到的海底地形圖像信息存在幾何畸變和輻射畸變,因此需要對(duì)側(cè)掃聲吶圖像進(jìn)行必要的預(yù)處理,進(jìn)行幾何校正、輻射改正以及噪聲抑制等。要完成以上側(cè)掃聲吶圖像處理,應(yīng)準(zhǔn)確對(duì)側(cè)掃聲吶原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解析,獲取必要要素?cái)?shù)據(jù),并將各要素?cái)?shù)據(jù)以圖像形式進(jìn)行再現(xiàn)。使用者根據(jù)圖像再現(xiàn)結(jié)果,進(jìn)行分析處理。側(cè)掃聲吶原始數(shù)據(jù)包含掃測(cè)目標(biāo)物坐標(biāo)、測(cè)量瞬時(shí)速度、姿態(tài)、回波強(qiáng)度和時(shí)間等基礎(chǔ)信息參數(shù),正確高效地解析側(cè)掃聲吶原始數(shù)據(jù)是進(jìn)行側(cè)掃聲吶圖像預(yù)處理的重要環(huán)節(jié)。當(dāng)前主流的側(cè)掃聲吶處理商業(yè)軟件(如Sonar Wiz、Triton)只為用戶提供直接讀取原始數(shù)據(jù)并成像,不對(duì)用戶開放原始聲吶數(shù)據(jù)中各參數(shù)的單獨(dú)獲取功能,不便于用戶對(duì)后續(xù)側(cè)掃聲吶圖像處理功能進(jìn)行二次開發(fā)。本文通過分析側(cè)掃聲吶工作原理及瀑布圖結(jié)構(gòu)與特點(diǎn),對(duì)XTF格式的側(cè)掃聲吶原始數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究,分析各要素?cái)?shù)據(jù)十六進(jìn)制編碼格式及存儲(chǔ)形式；在此基礎(chǔ)上,編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取與解碼,生成解析后文件,利用灰度轉(zhuǎn)換模型生成瀑布圖,實(shí)現(xiàn)XTF格式側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)的可視化顯示。

1 側(cè)掃聲吶工作原理

側(cè)掃聲吶系統(tǒng)由工作站、絞車、拖曳電纜、拖魚、GPS接收機(jī)等組成。在拖魚兩側(cè)各布設(shè)有換能器陣列,換能器按一定頻率向海底以球面波形式發(fā)射脈沖聲信號(hào),波束在遇到水體中目標(biāo)物或到達(dá)海底后發(fā)生后向散射沿原路線返回,其聲波強(qiáng)度也隨著傳播距離不斷衰減,換能器接收返回的波束并記錄其回波強(qiáng)度[4-8]。側(cè)掃聲吶在垂直于航跡方向上波束較寬,波束開角大,可照射兩側(cè)很寬區(qū)域；在沿航跡方向上波束很窄,開角小,以達(dá)到較高的航向分辨力[1]。圖1為側(cè)掃聲吶工作原理圖,α為垂直于航跡方向上波束開角,β為沿航跡方向上波束開角。

聲吶換能器接收到的第一個(gè)回波信號(hào)一般來自拖魚正下方,其強(qiáng)度較大,之后接收到的回波在強(qiáng)度上具有較好連續(xù)性,可以通過計(jì)算第一個(gè)回波的位置獲得拖魚的高度信息[9]。傳播過程中受傳播損失和噪聲干擾,當(dāng)距離大于聲吶的最大量程時(shí),換能器無法區(qū)分環(huán)境噪聲中的回波信號(hào),根據(jù)量程設(shè)置完成一次測(cè)量的結(jié)束,一次測(cè)量得到的回波序列稱為1 Ping回波。聲吶在前進(jìn)過程中,不斷發(fā)射、接收處理回波信號(hào),將采集的每Ping的回波強(qiáng)度信息轉(zhuǎn)化為灰度信息,即形成回波圖像序列,將左右舷的回波圖像序列進(jìn)行拼接,形成側(cè)掃聲吶瀑布圖像(圖2)。

圖2 瀑布圖結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the waterf ull i mage

側(cè)掃聲吶瀑布圖由發(fā)射線、海底線、掃描線和海面線組成。發(fā)射線也稱零位線,是換能器發(fā)射聲脈沖信號(hào)的起始端,通過該線可量取拖魚至目標(biāo)的斜距；海底線表示拖魚距離海底的高度,海底線跟蹤的準(zhǔn)確性影響后續(xù)圖像改正的效果；掃描線對(duì)應(yīng)換能器發(fā)射的每一Ping聲脈沖,其是瀑布圖最主要的組成部分；海面線反映拖魚到海面的距離,目前主流的側(cè)掃聲吶采集的圖像一般沒有海面線。

2 XTF文件格式分析

XTF(e Xtended Triton For mat)文件格式①Triton Imaging,Inc.EXtended Triton For mat(XTF).https:∥www.tritoni maginginc.co m.是目前應(yīng)用最廣泛的聲學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)保存文件格式之一,其滿足了不同類型的聲吶、航行、遙測(cè)和水深等數(shù)據(jù)的保存需要,它的伸縮性和可擴(kuò)展性較強(qiáng),便于擴(kuò)展成將來新的數(shù)據(jù)類型,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 XTF格式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.3 Str ucture of XTF data for mat

XTF文件記錄的數(shù)據(jù)均由一個(gè)1 024 B的文件頭開始,文件頭儲(chǔ)存在XTFFILEHEADER結(jié)構(gòu)中。文件頭分為文件信息和通道信息:文件信息包含了聲吶類型、導(dǎo)航單元、通道個(gè)數(shù)、文件名等信息；通道信息包含了通道類型、采樣點(diǎn)字節(jié)數(shù)、傳感器安裝參數(shù)等信息,以每個(gè)通道128 B的大小儲(chǔ)存在CHANINFO結(jié)構(gòu)中。如果通道數(shù)量超過6個(gè),則文件頭以1 024 B的大小增加。

緊接在文件頭后的是數(shù)據(jù)包,每個(gè)數(shù)據(jù)包的前14 B包含了可用于判斷該數(shù)據(jù)包類型、大小和通道數(shù)量等關(guān)鍵信息。數(shù)據(jù)包主要包括聲吶、測(cè)深、姿態(tài)和導(dǎo)航等類型,類型不同,數(shù)據(jù)儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)及方式也略有差異。聲吶數(shù)據(jù)包(表1)和測(cè)深數(shù)據(jù)包分別具有獨(dú)立的包頭結(jié)構(gòu)(XTFPINGHEADER和XTFBAT H HEADER),大小為256 B,主要包含了日期、時(shí)間、位置及姿態(tài)等信息；包頭后面緊跟著通道頭(XTFPINGCHANHEADER)數(shù)據(jù),通道頭中主要包含了聲吶的發(fā)射頻率、采樣數(shù)及增益參數(shù)等信息,通道頭后是該通道數(shù)據(jù)。姿態(tài)包、導(dǎo)航包等數(shù)據(jù)包不具有獨(dú)立包頭,它們是由前14 B的關(guān)鍵信息及其它數(shù)據(jù)共同組成的64 B數(shù)據(jù)包。

表1 XTF聲吶數(shù)據(jù)包頭結(jié)構(gòu)Table 1 The str ucture of sonar datapacket of XTF for mat

3 數(shù)據(jù)解碼方法

XTF格式文件的讀取流程見圖4。首先讀取第一個(gè)字節(jié),判斷該文件是否為XTF文件,XTF格式文件第一個(gè)字節(jié)被固定設(shè)置為0x7B(十進(jìn)制為123)。當(dāng)確定文件為XTF格式時(shí),讀取進(jìn)入XTFFILEHEADER結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)中Nu mber Of Sonar Channels參數(shù)為文件中通道個(gè)數(shù),當(dāng)通道個(gè)數(shù)＞6時(shí),需增加讀取1 024 B。每個(gè)通道大小為256 B,通過讀取通道信息中Type Of-Channel參數(shù),可以獲取當(dāng)前通道類型:淺剖(SUBBOTTOM=0)、左舷(PORT=1)、右舷(STBD=2)和測(cè)深(BAT HY METRY=3)。值得注意的是,通道信息中Bytes Per Sample參數(shù)記錄了當(dāng)前通道的采樣精度,值為1,2和4時(shí),分別對(duì)應(yīng)8位、16位和32位,該參數(shù)值與數(shù)據(jù)包中采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)的乘積即為采樣字節(jié)數(shù)。

讀取完文件頭后,緊接著讀取聲吶數(shù)據(jù)包,首先讀取數(shù)據(jù)包中XTFPINGHEADER結(jié)構(gòu)的前14 B,該段數(shù)據(jù)里包含了用于判斷數(shù)據(jù)包類型的Header Type參數(shù)和儲(chǔ)存了該數(shù)據(jù)包字節(jié)數(shù)的Nu mBytes This Recor d參數(shù)。當(dāng)Header Type值為0時(shí),表示該包為聲吶數(shù)據(jù)包,否則跳過Nu mBytes This Record值的大小,讀取下一個(gè)數(shù)據(jù)包。確定為聲吶數(shù)據(jù)包后,遍歷整個(gè)文件,獲取總Ping數(shù),設(shè)置Max Ping To Read參數(shù)作為判斷標(biāo)志,采用循環(huán)結(jié)構(gòu)讀取Ping數(shù)據(jù)。進(jìn)入循環(huán)后,讀取每Ping數(shù)據(jù)的Ping號(hào)、日期、時(shí)間、坐標(biāo)和姿態(tài)等信息儲(chǔ)存到提前建立的空數(shù)組當(dāng)中,讀取完256 B的XTFPINGHEADER結(jié)構(gòu)后,根據(jù)結(jié)構(gòu)中Nu mChans To-Follow參數(shù)判斷通道個(gè)數(shù),直接進(jìn)入XTFPINGCHANHEADER結(jié)構(gòu)讀取通道信息,其中Channel Nu mber參數(shù)表示了該通道類型:值為0表示左舷(低頻)、值為1表示右舷(高頻)、值為2表示左舷(高頻)、值為3表示右舷(高頻)。按照以上解碼方法,可將XTF文件中所有Ping數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼儲(chǔ)存,以便于后續(xù)瀑布圖顯示及圖像處理使用。

圖4 XTF文件讀取流程Fig.4 Flow sheet of XTF file reading

4 聲吶數(shù)據(jù)可視化原理

側(cè)掃聲吶圖像是根據(jù)每條掃描線中的像素的灰度變化,形成灰階強(qiáng)弱反差,較強(qiáng)灰度的灰階形成一定大小的幾何形態(tài)反映目標(biāo)圖像[1]。圖像的灰度強(qiáng)弱直接反映了回波信號(hào)的幅度變化,回波強(qiáng)度幅度變化主要與海底地形、地貌特征、海底底質(zhì)類型等相關(guān)。原始數(shù)據(jù)采樣精度分為8位和16位,聲吶數(shù)據(jù)成像時(shí),通常需要根據(jù)接收到的信號(hào)強(qiáng)度不同將數(shù)據(jù)量化至0～255范圍內(nèi)的灰度級(jí),此時(shí)需要建立聲強(qiáng)信息和描述圖像的灰度信息之間的轉(zhuǎn)換模型。

采樣精度為8位的側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)強(qiáng)度數(shù)據(jù)范圍為0～255,因此可直接轉(zhuǎn)換為灰度信息。采樣精度為16位的側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)量化公式為

式中:G為量化后灰度值數(shù)據(jù)；GB為量化前回波數(shù)據(jù)；Gmax和Gmin分別為灰度圖像的最大值和最小值；GBmax和GBmin分別為回波數(shù)據(jù)的最大值和最小值；C為常數(shù)；m為原始回波數(shù)據(jù)的采樣精度；n為量化后的數(shù)值精度。

式(1)僅將16位采樣精度的回波信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)化至0～255灰度級(jí),適用于采樣回波強(qiáng)度較均勻的聲吶數(shù)據(jù),其優(yōu)點(diǎn)在于可以直接顯示原始圖像中不同目標(biāo)的回波強(qiáng)度差異,但對(duì)于回波強(qiáng)度較弱區(qū)域,不能進(jìn)行強(qiáng)度增強(qiáng),使該區(qū)域圖像較暗,不利于辨識(shí)圖像的細(xì)節(jié)信息。式(2)在進(jìn)行灰度級(jí)轉(zhuǎn)化的同時(shí),對(duì)回波強(qiáng)度進(jìn)行了增強(qiáng),適用于采樣回波強(qiáng)度較弱的聲吶數(shù)據(jù),其優(yōu)點(diǎn)在于可以有效補(bǔ)償圖像遠(yuǎn)端區(qū)域的回波強(qiáng)度,使圖像遠(yuǎn)端區(qū)域的目標(biāo)物顯示明顯,使用該式時(shí)可以通過改變常數(shù)的數(shù)值達(dá)到調(diào)節(jié)強(qiáng)度補(bǔ)償?shù)男Ч?但該式改變了原始數(shù)據(jù)的回波強(qiáng)度,目標(biāo)物與周圍環(huán)境強(qiáng)度差異變小,降低了圖像的對(duì)比度。

5 實(shí)例分析

采用渤海海域沉船搜尋實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)以上方法進(jìn)行驗(yàn)證分析。掃測(cè)區(qū)域位于渤海北部海域(圖5)。根據(jù)上述數(shù)據(jù)解碼與可視化方法,使用Matlab編程實(shí)現(xiàn)對(duì)側(cè)掃聲吶XTF格式原始數(shù)據(jù)的解碼與圖像可視化。

程序界面分為讀取文件、信息提取、圖像顯示、預(yù)處理和幫助五個(gè)模塊(圖6)。信息提取功能可以生成Inf o.txt文件和Trace.csv文件。其中,txt文件包含了該條測(cè)線的基本信息,主要包括上述的XTFFILEHEADER結(jié)構(gòu)和CHANINFO結(jié)構(gòu)。圖7為解碼沉船掃測(cè)原始數(shù)據(jù)生成的t xt文件,從解碼信息中可知,本次掃測(cè)使用的是Edgetech公司的4200-MP型側(cè)掃聲吶系統(tǒng),該聲吶發(fā)射左舷和右舷兩條通道回波信號(hào),發(fā)射頻率為403 k Hz,左舷和右舷都為16位的采樣精度。csv文件以按Ping號(hào)排序方式列出了該條測(cè)線的航跡信息(圖8),包括每Ping數(shù)據(jù)的Ping號(hào)、日期、時(shí)間、緯度、經(jīng)度、速度和橫搖、縱搖、艏向等姿態(tài)信息。通過解碼得到的儀器型號(hào)、日期、位置等具體參數(shù)和掃測(cè)實(shí)際情況與XTF格式說明手冊(cè)①進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了原始數(shù)據(jù)解碼結(jié)果的正確性。

圖5 掃測(cè)區(qū)位置Fig.5 Location of the sur vey area of side-scan sonar

圖6 程序界面Fig.6 Interface of the progra m

圖7 XTF File Info.txt文件Fig.7 Inf o.txt of XTF file

圖8 Trace.csv文件Fig.8 Trace.csv file

程序的圖像顯示功能為對(duì)原始數(shù)據(jù)解碼后,進(jìn)行瀑布圖的顯示。圖9為解碼測(cè)線得到的某一Ping回波序列的16位原始采樣數(shù)據(jù),左右舷兩側(cè)采樣點(diǎn)數(shù)都為8 510,回波強(qiáng)度由拖魚下方向兩側(cè)衰減,且兩端采樣點(diǎn)回波強(qiáng)度較弱,右舷因掃測(cè)到目標(biāo)物回波強(qiáng)度變化明顯。分別應(yīng)用式(1)和其中式(2)量化后的回波數(shù)據(jù)見圖10和圖11,與原始回波數(shù)據(jù)相比,應(yīng)用2種轉(zhuǎn)換模型后將原始強(qiáng)度數(shù)據(jù)量化至0～255灰度級(jí)。其中式(2)轉(zhuǎn)換模型在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行量化的基礎(chǔ)上,有效補(bǔ)償了回波強(qiáng)度。

圖9 原始回波強(qiáng)度Fig.9 Intensity of t he raw echo

圖10 應(yīng)用式(1)量化的回波強(qiáng)度Fig.10 The echo intensity quantified with For mula(1)

圖11 應(yīng)用式(2)量化的回波強(qiáng)度Fig.11 The echo intensity quantified with For mula(2)

將按左舷右舷橫向排列的每一Ping的回波數(shù)據(jù)依發(fā)射接收的時(shí)間序列拼接在一起,就形成了完整的側(cè)掃聲吶瀑布圖像。圖12為程序?qū)崿F(xiàn)顯示的瀑布圖,圖12a為應(yīng)用式(1)量化后生成的瀑布圖,沉船及其周圍回波強(qiáng)度較高,垂直于航跡方向上回波強(qiáng)度衰減較快,圖像強(qiáng)度差異明顯,沉船目標(biāo)顯著,但目標(biāo)陰影被覆蓋；圖12b為應(yīng)用式(2)量化后生成的瀑布圖,遠(yuǎn)端的回波強(qiáng)度得到增強(qiáng),橫向灰度變化均衡,圖像細(xì)節(jié)信息得以顯現(xiàn),沉船陰影顯示明顯。

圖12 量化后瀑布圖Fig.12 The waterfall i mage after quantification

通過使用渤海海域沉船搜尋實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),驗(yàn)證了側(cè)掃聲吶原始數(shù)據(jù)解碼方法的正確性以及圖像可視化的可行性。解碼側(cè)掃聲吶XTF格式文件后,獲得原始Ping數(shù)據(jù)信息,應(yīng)用上述兩種模型對(duì)原始回波數(shù)據(jù)進(jìn)行量化,生成直觀形象的瀑布圖。兩種量化模型各有特點(diǎn),在應(yīng)用時(shí),應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行量化模型的選擇。

6 結(jié) 語

側(cè)掃聲吶是當(dāng)前應(yīng)用于海洋探測(cè)活動(dòng)的主要設(shè)備之一,XTF格式是使用范圍廣泛的側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)記錄格式。針對(duì)側(cè)掃聲吶原始數(shù)據(jù)解析與圖像可視化顯示問題,以渤海海域沉船搜尋實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例,編程實(shí)現(xiàn)了原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確解析,提取測(cè)線主要信息和Ping數(shù)據(jù)各重要參數(shù),提取結(jié)果準(zhǔn)確可靠。采用2種回波強(qiáng)度與灰度轉(zhuǎn)換模型,分別生成沉船瀑布圖,實(shí)現(xiàn)了側(cè)掃聲吶圖像可視化。結(jié)果表明:模型選擇不同,瀑布圖顯示效果不同,因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí),應(yīng)根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)采集效果選擇合適的轉(zhuǎn)換模型。

目前僅實(shí)現(xiàn)了單測(cè)線數(shù)據(jù)解析與圖像顯示,但實(shí)際工作時(shí),往往掃測(cè)區(qū)域廣、測(cè)線數(shù)目多,后續(xù)工作應(yīng)著重實(shí)現(xiàn)測(cè)線文件的批量化處理與解析。此外,受側(cè)掃聲吶測(cè)量原理和成圖機(jī)理影響,瀑布圖往往存在不同程度的幾何畸變和灰度畸變,不能表示目標(biāo)物的準(zhǔn)確位置,在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解析與圖像顯示的基礎(chǔ)上,后續(xù)應(yīng)針對(duì)圖像畸變等問題,進(jìn)行畸變改正、航跡處理和地理編碼等研究,以獲取目標(biāo)物準(zhǔn)確地理位置信息和其自身精準(zhǔn)幾何形狀及尺寸等必要信息。