多波束Snippet 回波強度再處理方法研究

梁 佳，王 昭

（北海航海保障中心天津海事測繪中心，天津，300220）

引言

多波束是經(jīng)典的海洋測深設(shè)備，除可以獲取深度信息外，還可以獲取來自海底的回波強度信息，反映海底地貌特征并據(jù)此開展海底底質(zhì)聲學(xué)分類等應(yīng)用[1-3]。多波束回波強度有三類：即平均波束強度、波束序列片段(Snippet)和偽側(cè)掃（僅有L-3 等儀器廠商提供）[4-5]。平均波束強度和測深分辨率一致，可認(rèn)為是Snippet 數(shù)據(jù)的低分辨采樣；Snippet數(shù)據(jù)的分辨率遠高于平均波束強度，尤其在大入射角區(qū)域[6]。多波束Snippet 回波強度數(shù)據(jù)常借助Caris等商用軟件處理，由于野外測量參數(shù)的不完備性、經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷牟煌陚湫?，常?dǎo)致借助Snippet 多波束回波強度數(shù)據(jù)難以得到高質(zhì)量的回波強度及海底聲吶圖像[2,7]。趙建虎等[7]基于海底底質(zhì)回波特征對多波束聲吶圖像中的角度響應(yīng)(Angular Response,AR)影響開展建模，削弱了AR 影響，提高了Snippet圖像質(zhì)量。唐秋華等[8]通過對中央亮區(qū)刪除，然后借助兩側(cè)回波內(nèi)插，重新獲取亮區(qū)回波強度；此外，通過對邊緣波束回波強度壓制，削弱了邊緣波束回波強度異常影響，同時實現(xiàn)了條帶間回波強度系統(tǒng)性差異影響的消除。王煜等[9]利用中央異常區(qū)之外的反向散射強度平均值和中央異常區(qū)的平均值，通過構(gòu)建經(jīng)驗改正模型實現(xiàn)角度響應(yīng)改正。以上研究從某個方面解決了Snippet 回波強度數(shù)據(jù)的異常問題，對于多因素造成的圖像異常綜合消除問題少有研究。本文在Caris 回波強度數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上，提出了一套Snippet 回波強度再處理方法，以期提高多波束Snippet 回波強度和圖像的質(zhì)量。

1 精細(xì)處理方法

多波束回波強度數(shù)據(jù)處理需要聯(lián)合觀測到的定位、姿態(tài)、聲速/CTD 數(shù)據(jù)等，對多波束原始二進制觀測數(shù)據(jù)解碼，獲得這些信息，開展回波強度改正。不同設(shè)備的二進制存儲格式不同，根據(jù)各自格式定義，獲取這些原始觀測參數(shù)。

1.1 聲線跟蹤和歸位計算

提取每個波束的入射角、傳播時間，結(jié)合聲速剖面，利用常梯度聲線跟蹤方法進行聲線跟蹤，得到聲線傳播總的水平位移y和垂直位移z。

顧及載體姿態(tài)對換能器發(fā)射狀態(tài)的影響，經(jīng)過聲線跟蹤得到波束點在換能器坐標(biāo)系波束坐標(biāo)(x,y,z)TS及各個波束聲線的長度；根據(jù)橫搖角r和縱搖角p對波束坐標(biāo)的影響進行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換，得到波束在船體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(x,y,z)VFS。

根據(jù)船體航向與當(dāng)?shù)刂苯亲鴺?biāo)系的關(guān)系，先將理想船體坐標(biāo)系下的波束坐標(biāo)繞z軸旋轉(zhuǎn)角度h，再將旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)平移到當(dāng)?shù)仄矫嬷苯亲鴺?biāo)處，實現(xiàn)理想船體坐標(biāo)系到當(dāng)?shù)仄矫嬷苯亲鴺?biāo)系的變換。

由于潮汐和涌浪的影響，瞬時海平面隨時間變化，所以為得到波束腳印的深度數(shù)據(jù)，需要將波束腳印坐標(biāo)歸算到某一深度基準(zhǔn)面中。潮位值由錨地的驗潮信息計算得到，涌浪造成的垂蕩值Heave由姿態(tài)傳感器獲得。顧及潮位和涌浪的波束坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

至此，得到了每個聲線的傳播距離和波束海底投射點的三維坐標(biāo)。

1.2 輻射畸變改正

多波束聲吶接收到的回波強度由于傳播損失、照射面積和聲吶收發(fā)參數(shù)以及設(shè)備自身增益的影響，不能真實地反映海底底質(zhì)的散射特性，因此為了得到僅與聲波入射角度和海底底質(zhì)相關(guān)的回波強度，必須移除上述因素導(dǎo)致的輻射畸變。聲波的發(fā)射、傳播、接收過程可用下式表示：

式中：EL是原始數(shù)據(jù)文件記錄的回波強度；SL是聲吶的發(fā)射能級；θ是聲波相對聲吶陣列的角度；BPT(θ)是θ角度聲波的發(fā)射增益；TL是聲波在水體中的單程傳播損失；β是聲波海底入射角；BS(β)是β角度入射海底的反向散射強度；A是聲脈沖在海底的照射面積；BPR(θ)是聲波接收增益；SH是接收換能器的敏感性；PG是處理系統(tǒng)對接收回波的增益。BPT(θ)、BPR(θ)、SH、PG稱為聲吶模式增益。

根據(jù)波束傳播距離R，可進行傳播損失TL改正：

式中：α為測深處的水體累計吸收系數(shù)，單位dB/km。

由于海底地形起伏，不同波束入射角到達海底時對應(yīng)的照射面積不同，底部目標(biāo)強度BTS也會受到照射面積變化的影響。因此為了獲取與照射面積無關(guān)的強度值，定義單位面積下的BTS為海底背散射系數(shù)BS，單位為dB/m2，表示為對數(shù)形式下為：

式中：θx與θy分別為沿航方向波束寬度、垂航方向波束寬度，共同決定波束的幾何大小；φ為入射角；c為聲速；τ為傳播脈沖寬度。

在式（7）中，聲照面積A按照θx與θy計算得到，認(rèn)為海底是平坦的。實際上，海底存在起伏變化，為此，根據(jù)式（2）的波束點三維坐標(biāo)，結(jié)合波束入射角和根據(jù)地形點計算的地形坡度，本文計算了波束在海底的面積A。

1.3 角度響應(yīng)移除

常用的角度響應(yīng)移除方法是根據(jù)不同設(shè)備采用的默許經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦M行改正，常因與實際存在較大區(qū)別，角度異常效果不理想，常存在條帶中間亮兩側(cè)暗的回波強度變化不均勻問題，難以真實的反映海底的底質(zhì)和地貌變化。

本文根據(jù)底質(zhì)變化的一致性，從回波強度中減去對應(yīng)角度的預(yù)期強度，再加上參考角度的預(yù)期強度，綜合實現(xiàn)角度響應(yīng)的移除。具體算法如下：

式中：BScor(θ)為角度響應(yīng)移除后的回波強度；BS(θ)是角度響應(yīng)未移除時入射角度為θ的回波強度；BS′(θ)是所有入射角度為θ的回波強度平均值，即期望的回波強度，BS′ (30°～40°)是入射角為30°～40°的期望回波強度，即參考角度為30°～40°。

一般情況下20°到50°均可作為參考角度，20°以內(nèi)的回波強度可能存在海底反射強度，噪聲較大，有時可不用于海底底質(zhì)分類，50°以外一般為外側(cè)邊緣的入射角，數(shù)據(jù)較少或缺少數(shù)據(jù)。

1.4 條帶增益不一致

不同測線的測量過程中，為提高信噪比和取得高質(zhì)量的測深結(jié)果，常采用手動或自動增益方法。增益參數(shù)若被記錄，則可以借助記錄的參數(shù)對增益進行補償，確保條帶間灰度變化的均一性。但很多設(shè)備未記錄變化的增益，需要探測和對其修復(fù)。

計算異常測線的回波強度平均值和正常測線回波強度平均值的差異，將異常測線的回波減去差異值即可將異常測線改正至正常水平，且不損失測線內(nèi)的底質(zhì)特征。

1.5 回波缺失或異常

多波束測量過程中數(shù)據(jù)異常導(dǎo)致地形異常和回波強度異常，采用反距離加權(quán)平均的方法使用鄰域回波強度值插值得到空缺處的回波強度。公式如下：

式中：BS為插值得到的回波強度；BSi為鄰域回波強度；si為鄰域像素點到待插點的距離；(x,y)為待插點坐標(biāo)；(xi,yi)為鄰域點坐標(biāo)。

2 回波強度精處理流程及聲吶圖像生成

多波束回波強度數(shù)據(jù)處理流程如圖1 所示，主要流程包括：

圖1 多波束聲吶圖像處理

1）多波束回波強度解碼，提取出回波強度、觀測時間、波束角等原始觀測信息。

2）聲線跟蹤和歸位計算。根據(jù)觀測數(shù)據(jù)、波束角、聲速等信息，開展聲線跟蹤，獲得各波束在換能器坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；然后根據(jù)GNSS、多波束換能器和MRU 在船體坐標(biāo)系下坐標(biāo)，結(jié)合方位、姿態(tài)等信息，通過位置歸算，獲得各個波束在地理坐標(biāo)系下坐標(biāo)以及各波束聲線的傳播聲程。

3）進行輻射畸變改正。根據(jù)各個波束的聲程R，進行波束的傳播損失改正TL；聯(lián)合波束入射角、深度、波束開角、獲得的海底離散點云，計算地形坡度，進而計算波束在海床上的投射面積，據(jù)此進行面積改正；結(jié)合波束模式改正，綜合實現(xiàn)多波束回波強度的輻射畸變改正。

4）角度響應(yīng)移除。統(tǒng)計條帶內(nèi)30°～40°內(nèi)的平均回波強度，并以此作為參考；沿航跡分段統(tǒng)計Ping 扇面角度平均回波強度與角度序列，借助參考回波強度，消除角度響應(yīng)影響。

5）條帶間增益不一致消除。統(tǒng)計各條帶的平均回波強度，根據(jù)式（9）完成條帶間增益不一致影響消除。

6）回波異常和缺失的插補。借助加強平均方法，對異?；夭?、丟失回波進行插補。

7）多波束聲吶圖像的形成。根據(jù)回波強度的變化范圍，將回波強度轉(zhuǎn)換為0～255 灰度級，形成多波束聲吶圖像。

3 數(shù)據(jù)處理成果及分析

為了驗證本文方法的有效性，在某港口錨地水域開展了多波束測量，采用的多波束儀器主要有T50-P 和Simrad EM 7125，采集了S7K 數(shù)據(jù)格式和PDS 數(shù)據(jù)格式，完成了331 條測線測量。測線布設(shè)如圖2 所示。

圖2 測線及Caris 處理后的多波束海底聲吶圖像

借助Caris 軟件，對所有的多波束回波強度數(shù)據(jù)進行處理，并將回波強度轉(zhuǎn)換為0～255 灰度級，獲得了多波束聲吶圖像如圖2（b）所示?？梢钥闯?，Caris 處理后的多波束聲吶圖像在條帶內(nèi)存在角度響應(yīng)改正不完善、輻射畸變改正不徹底、回波異常和空缺造成異常地物和空白；在條帶間，因為增益差異帶來的灰度不均衡問題突出，嚴(yán)重影響了多波束聲吶圖像對海底底質(zhì)分布和地貌特征的反映。為消除這些因素影響，借助本文給出的完整的數(shù)據(jù)處理方法開展每個條帶的回波強度數(shù)據(jù)處理。為說明改正效果，任選一個Caris 處理后的多波束條帶回波數(shù)據(jù)開展實驗。從圖3（a）看出，由于Caris 內(nèi)置AR 經(jīng)驗改正模型不完善，改正后的回波強度仍呈現(xiàn)中間強度大、兩側(cè)強度小問題。采用2.3 節(jié)所給方法，對該條帶再進行角相關(guān)改正，改正后的圖像如圖3（b）所示?？梢钥闯?，整個條帶的回波強度在垂直航跡方向變化均勻，地物、底質(zhì)分布變得連續(xù)、合理。

圖3 多波束聲吶改正結(jié)果

對所有條帶進行輻射畸變改正、AR 改正及異常和空缺回波數(shù)據(jù)的處理后，實現(xiàn)了垂直航跡方向的Ping 扇面回波序列回波強度變化的一致性及形成的條帶圖像灰度在本條帶內(nèi)的均衡性（如圖3(b)），但條帶間增益的差異性問題仍會給區(qū)域聲吶圖像帶來影響，導(dǎo)致多波束聲吶圖像呈現(xiàn)明暗相間的變化，不能很好的反映海底的地物和底質(zhì)分布（如圖4(a)所示）。為此，采用2.4 節(jié)給出的增益不一致探測和修復(fù)方法對條帶圖像的灰度不均衡問題進行改正，改正后的結(jié)果如圖4(b)所示。可以看出，條帶間的回波強度變化均勻，很清晰地呈現(xiàn)出了不同底質(zhì)和地物的分布，真實地描述出了海底的地貌特征。

圖4 處理后的多條帶聲吶圖像拼接結(jié)果

對所有多波束測線的回波強度數(shù)據(jù)，按照第二、三節(jié)給出的方法和流程進行數(shù)據(jù)處理，利用處理后的回波強度得到的測量區(qū)域的多波束海底聲吶圖像如圖5 所示。

圖5 本文方法處理得到的全區(qū)域多波束聲吶圖像

比較圖5 和圖2（b），可以看出，借助Caris處理得到的回波強度中出現(xiàn)的輻射畸變改正不徹底、AR 改正不完善、條帶間增益不一致以及回波強度異常和缺失問題，借助本文給出的回波強度處理方法和流程得到了很好的消除，形成的整個區(qū)域的海底聲吶圖像反映了海底的紋理細(xì)節(jié)，清晰地區(qū)分出了海底的底質(zhì)和地物分布。表明了本文給出的多波束回波強度處理方法和流程的正確性。

4 結(jié)語

基于聲線跟蹤和地形坡度，可以得到準(zhǔn)確的波束傳播距離和波束在海底的投射面積，實現(xiàn)傳播損失和聲照面積的精確改正；基于經(jīng)驗AR 改正模型補償后的回波強度殘余與波束的角度相關(guān)，據(jù)此給出的角相關(guān)再補償方法，很好地消除了AR 補償殘余的影響，實現(xiàn)了Ping 扇面內(nèi)回波強度的漸進變化；提出的基于統(tǒng)計法的條帶間增益差異消除方法，顧及了條帶間增益差異這一成因，實現(xiàn)了回波強度在條帶間的合理變化；聯(lián)合給出基于加權(quán)平均的回波強度異常和空缺消除方法，形成了多波束回波強度的綜合后處理方法，實現(xiàn)了多波束回波強度的精處理及高質(zhì)量聲吶圖像的獲取。

本文給出的多波束回波強度數(shù)據(jù)處理方法針對Caris 處理后的回波強度數(shù)據(jù)開展再處理。由于給出的輻射畸變改正、角度響應(yīng)影響消除、條帶間回波強度不均衡消除等方法均基于問題產(chǎn)生的成因和機理，因此同樣適用于對多波束原始回波強度數(shù)據(jù)處理。