超寬頻海底剖面儀實(shí)時(shí)采集顯示系統(tǒng)Echo Viewer的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).docx

1、第38卷第3期吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版)Vol.38No.32008年5月JournalofJilinUniversityCEarthScienceEdition)May2008超寬頻海底剖面儀實(shí)時(shí)采集顯示系統(tǒng)EchoViewer的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)顧春華。陶春輝。張金輝】，周建平】，周利生2,李紅星3,劉財(cái)31. 國(guó)家海洋局第二海洋研究所/國(guó)家海洋局海底科學(xué)敢點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州310012中國(guó)鬼舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所，杭州3100122. 吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春130026摘要：超寬頻海底割面儀實(shí)時(shí)采集顯示系統(tǒng)EchoViewer是為新研制的超寬頻海底制面儀開發(fā)的配套軟件。該軟件從超

2、寬頻海底剖面儀的超寬頻率和多原段分頻合成的特點(diǎn)出發(fā)，同時(shí)兼容同類系統(tǒng)的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)聲的在海底介質(zhì)中的傳播特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)TVG算法和海底艱蹤算法，姑合遙感圖像處理方法實(shí)現(xiàn)分頻合成算法，并采用軟件工程的管理方法實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)，具有系統(tǒng)控制、導(dǎo)航定位、效據(jù)采集并成圖顯示、數(shù)據(jù)回放和數(shù)據(jù)后處理等功能。該軟件在提寬頻海底剖面儀多次海試和國(guó)家海洋局908淺制專項(xiàng)調(diào)查任務(wù)中得到成功應(yīng)用。關(guān)鍵詞：超寬頻海底割面儀；海底淺地層；軟件設(shè)計(jì)；成困顯示；數(shù)據(jù)后處理中圖分類號(hào):P631文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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基金項(xiàng)目：國(guó)家海洋局青年海洋科學(xué)基金項(xiàng)目2007311）：國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目（2001AA610303-2）作者簡(jiǎn)介：顧春華（1978），男，上海人，助理研究員，主要從事海洋聲學(xué)探測(cè)技術(shù)研究，E-mail：choora；red-star_li.0引言淺地層剖面探測(cè)基于聲波穿透地層剖面后的反射和散射特性。上世紀(jì)40年代國(guó)外就已經(jīng)出現(xiàn)了最原始的海底剖面儀，60、70年代已經(jīng)有了商用產(chǎn)品。由于當(dāng)時(shí)技術(shù)基礎(chǔ)的限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的信號(hào)處理、地層的高分辨，也無(wú)法完成探測(cè)結(jié)果的自動(dòng)成圖，其地層探測(cè)結(jié)果只能用熱記錄的方法存在紙帶上。90年代以來(lái)，由于電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使得數(shù)字信號(hào)處

8、理（DSP）、電子自動(dòng)成圖、大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，運(yùn)用這些技術(shù)的新型剖面儀問(wèn)世國(guó)家“863”計(jì)劃“超寬頻海底剖面儀”（2OO1AA61O3O3）課題中開發(fā)的超寬頻海底剖面儀工作頻帶為0.730kHz的超寬頻率，可任選頻帶工作，地層穿透深度N50m,地層分辨精度7.5cm。與現(xiàn)有的剖面儀相比，具有更大的穿透深度和更高的地層分辨精度。由于超寬頻海底剖面儀具有超寬頻率和多頻段分頻合成的特點(diǎn)，沒有一套現(xiàn)成的淺剖系統(tǒng)軟件適用于超寬頻海底剖面儀，同時(shí)使用國(guó)外開發(fā)的軟件也存在著培訓(xùn)、維護(hù)、升級(jí)、價(jià)格、使用習(xí)慣和語(yǔ)言等方面的困難，因此必須開發(fā)一套具有自主版權(quán)的國(guó)產(chǎn)淺剖系統(tǒng)軟件。進(jìn)行超寬頻海底剖面儀實(shí)時(shí)

9、采集顯示系統(tǒng)EchoViewer的沒計(jì)、開發(fā)，研制出一套適合超寬頻海底剖面儀并兼容其它淺剖系統(tǒng)的淺剖軟件系統(tǒng),從根本上解決了上述存在的問(wèn)題，突破了國(guó)外淺剖軟件系統(tǒng)的限制。該軟件系統(tǒng)除具有一般淺剖軟件的功能外,還針對(duì)超寬頻海底剖面儀多頻段的特點(diǎn)，開發(fā)出了分頻合成疊加顯示這-創(chuàng)新性的后處理手段。該軟件系統(tǒng)的成功開發(fā)充分借鑒國(guó)外軟件的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，突出自己的優(yōu)勢(shì).努力走一條適合中國(guó)特點(diǎn)可以推廣普及的、帶動(dòng)海洋信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的道路。1系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)1.1系統(tǒng)簡(jiǎn)介EchoViewer是國(guó)家“863”計(jì)劃“超寬頻海底剖面儀”課題支持下設(shè)計(jì)開發(fā)的軟件系統(tǒng)（圖1）。該系統(tǒng)為超寬頻海底剖面儀的配套軟件，所有接口采用通用

10、標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)，可應(yīng)用于其他淺剖側(cè)掃系統(tǒng)。具有系統(tǒng)控制、自動(dòng)成圖、導(dǎo)航定位、智能海底跟蹤、TVG、調(diào)色板、延時(shí)放大、測(cè)量、分頻合成疊加顯示等功能。關(guān)鍵模塊完全從底層開發(fā)，采用模擬仿真、面向?qū)ο?、模塊化和統(tǒng)計(jì)的方法，綜合運(yùn)用了水聲聲納技術(shù)、數(shù)字成圖技術(shù)和遙感圖像處理技術(shù)等進(jìn)行開發(fā)。圖1超寬頻海底剖面儀實(shí)時(shí)采集顯示系統(tǒng)界面Fig.1Interfaceoftherealtimegatheringanddisplaysystemofsuper-broadbandsub-bottomprofileinstrument1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)軟件系統(tǒng)分為兩大子系統(tǒng)：實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)控制子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)后處理子系統(tǒng)。兩個(gè)子系統(tǒng)之間

11、既相互獨(dú)立又共通相同模塊，這樣不僅可以提高子系統(tǒng)的聚合度，增強(qiáng)相互之間的耦合性又能夠提高各模塊的利用率，便于系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)（圖2）。圖2系統(tǒng)模塊劃分示意圖Fig.2Sketchmapofthesystemmodule實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)控制子系統(tǒng)主要包括發(fā)射控制模塊、GPS接收控制模塊、導(dǎo)航定位模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、動(dòng)態(tài)顯示模塊和信號(hào)處理模塊6大部分。主要完成發(fā)射參數(shù)控制、GPS接收控制和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集顯示。數(shù)據(jù)后處理子系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和成圖，可以分成動(dòng)態(tài)回放模式和靜態(tài)顯示模式。動(dòng)態(tài)回放數(shù)據(jù)處理模式主要包括動(dòng)態(tài)顯示模塊、信號(hào)處理模塊、分頻合成模塊和打印輸出模塊4部分。主要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行回放顯示

12、，根據(jù)用戶需要進(jìn)行TVG、延時(shí)放大、調(diào)色板、海底跟蹤、聲速校正等處理，獲得更好的顯示效果并可打印成圖。靜態(tài)顯示圖像處理模式包括靜態(tài)顯示模塊、圖像處理模塊、分頻合成模塊和打印輸出模塊4部分。主要把存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)顯示成一整幅圖像，可進(jìn)行灰度調(diào)整、提高分辨率、假彩色分頻合成等處理，可進(jìn)行點(diǎn)線面的操作，完成處理后可以打印成圖。1.3數(shù)據(jù)流程1.3.1實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)控制實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)控制模塊工作流程設(shè)計(jì)如下：用戶首先設(shè)置工作參數(shù)，包括發(fā)射工作參數(shù)和串口GPS接收工作參數(shù)，如果設(shè)置失敗，輸出異常信息,停止系統(tǒng)運(yùn)行，系統(tǒng)工作參數(shù)設(shè)置成功后開始數(shù)據(jù)采集工作循環(huán)（圖3）。對(duì)接收的每個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行折幀分析，后組幀成新Pin

13、g,在每一個(gè)新Ping數(shù)據(jù)開始時(shí)接收工作狀1.3.2動(dòng)態(tài)回放數(shù)據(jù)處理動(dòng)態(tài)回放數(shù)據(jù)處理模塊工作流程設(shè)計(jì)如下：用戶選擇已存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)文件并打開需要的波段通道,系統(tǒng)讀取單Ping數(shù)據(jù)，解釋該P(yáng)ing的工作狀態(tài)參數(shù)，提取GPS定位數(shù)據(jù)，讀取海底剖面數(shù)據(jù)，拼圖動(dòng)態(tài)顯示并同時(shí)顯示工作參數(shù)列表，如此循環(huán)讀取數(shù)據(jù)直到回放處理結(jié)束（圖4）。在有批量數(shù)據(jù)文件時(shí)，根據(jù)文件名的連續(xù)性自動(dòng)讀取相關(guān)文件的數(shù)據(jù)；也可以根據(jù)用戶設(shè)定在數(shù)據(jù)文件結(jié)束后循環(huán)從文件頭重新讀取。2系統(tǒng)主要功能EchoViewer根據(jù)超寬頻海底剖面儀實(shí)際使用需求并兼顧考慮其他系統(tǒng)的兼容需求，開發(fā)了5大功能：（1）系統(tǒng)控制?？蓪?duì)發(fā)射參數(shù)、接收參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，

14、控制系統(tǒng)工作,并可進(jìn)行在線檢測(cè)；（2）導(dǎo)航定位。串口通信設(shè)置，測(cè)線布設(shè)，實(shí)時(shí)顯示調(diào)查船、偏航距及導(dǎo)航信息，記錄調(diào)查的定位數(shù)據(jù)等功能；（3）數(shù)據(jù)采集并成圖顯示。接收從水上服務(wù)器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)修正處理并成圖顯示,態(tài)參數(shù)和GPS定位數(shù)據(jù)，然后繼續(xù)接收所有該P(yáng)ing支持8個(gè)通道。并具有增益控制、延時(shí)放大、TVG、的數(shù)據(jù)包直到最后。保存該新Ping數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)文件，并顯示在用戶界面上，同時(shí)顯示當(dāng)前的工作狀態(tài)調(diào)色板等功能;（4）數(shù)據(jù)回放。支持QMIPS、XTF、SEGY3種參數(shù)。如此循環(huán)接收數(shù)據(jù)直到系統(tǒng)停止運(yùn)行。圖3實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)控制流程Fig.3Thecontrolflowofrealtimeg

15、atheringsystem顯示文件數(shù)據(jù)放處理結(jié)束圖4后處理中動(dòng)態(tài)回放工作流程Fig.4Thedynamicbackdis-playworkflow數(shù)據(jù)格式，具有海底跟蹤、增益控制、延時(shí)放大、TVG、調(diào)色板等功能，并可進(jìn)行后處理；(5)數(shù)據(jù)后處理。對(duì)調(diào)查取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，主要包括數(shù)據(jù)編輯測(cè)量、人機(jī)交互海底跟蹤和分頻合成疊加顯示，得到最終海底地層解釋圖和綜合多個(gè)頻率通道信息的合成疊加圖件。3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和主要算法3.1系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)本軟件采用VisualC+6.0作為開發(fā)工具,采用MFC類庫(kù)的應(yīng)用框架和文檔/視結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)管理方式實(shí)現(xiàn)本軟件的應(yīng)用開發(fā)。系統(tǒng)類結(jié)構(gòu)框圖和相互關(guān)系如圖5。3.2數(shù)據(jù)處理主

16、要算法介質(zhì)傳播過(guò)程中逐漸損失能量，這種傳播損失分為擴(kuò)展和衰減。擴(kuò)展損失表示聲波的波陣面從聲源向外不斷擴(kuò)展的簡(jiǎn)單幾何效應(yīng)；衰減損失主要包括吸收和散射。吸收是衰減的主要因素，它使聲強(qiáng)以指數(shù)形式隨距離下降，吸收系數(shù)一般正比于頻率二次方，因此遠(yuǎn)程聲納都選用較低頻率“X。根據(jù)聲納在海底介質(zhì)中的傳播特點(diǎn)，通過(guò)分析建立能量損失模型，經(jīng)過(guò)反演進(jìn)行時(shí)變?cè)鲆?。時(shí)變?cè)鲆婀娇杀硎救缦拢篏ainGTVg+2ar4-logro(1)TVG起始增益Gtvg定義為TVC曲線計(jì)算公式中的常數(shù)項(xiàng)，單位為dB；TVG吸收衰減系數(shù)定義為TVC曲線計(jì)算公式中一次項(xiàng)系數(shù)的一半，表征由于水體對(duì)聲波吸收造成對(duì)信號(hào)增益的影響，記為a,單3.

17、2.1時(shí)變?cè)鲆婵刂?TVG)公式中對(duì)數(shù)項(xiàng)的系數(shù)，表征球擴(kuò)散對(duì)信號(hào)增益的影公式中對(duì)數(shù)項(xiàng)的系數(shù)，表征球擴(kuò)散對(duì)信號(hào)增益的影聲納從聲源發(fā)出的聲信號(hào)隨著時(shí)間的延續(xù)，在圖5顯控系統(tǒng)對(duì)象結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5Thestructuresketchmapofdisplayandcontrolsystem位為dB/m；TVG比例因子定義為TVG曲線計(jì)算響，記為時(shí)為聲納傳播距離，單位為m。以上各項(xiàng)參數(shù)都有一個(gè)參考范圍，主要決定于聲納傳播的環(huán)境。具體數(shù)據(jù)由用戶在工作中根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)。聲納在水下工作時(shí)，在拖體周圍會(huì)產(chǎn)生較大的混響，時(shí)變?cè)鲆嫘枰獜囊欢〞r(shí)間（距離）之后才開始。通常從海底位置直接反射回來(lái)的直達(dá)波是一次

18、波，能量最強(qiáng)；其它二次波或者由地層反射回來(lái)的回波能量都比較弱，因此從海底位置處開始時(shí)變?cè)鲆婵梢园押５滓韵碌牡貙蛹?xì)節(jié)突出，有利于分析解釋。因此系統(tǒng)必須能夠進(jìn)行海底自動(dòng)跟蹤，識(shí)別出海底的真實(shí)位置進(jìn)行時(shí)變?cè)鲆嫜a(bǔ)償。3.2.2海底跟蹤由于海底表面沉積物與海水的聲阻抗相差較大，海底對(duì)聲波的反射較強(qiáng)，而且海底的一次回波能量最強(qiáng)，自動(dòng)識(shí)別的可行性很高。但是由于海底地形相當(dāng)復(fù)雜，往往變化劇烈或者出現(xiàn)斷層等不連續(xù)面，而且海底回波信號(hào)復(fù)雜，完全實(shí)現(xiàn)正確地自動(dòng)化跟蹤還是有一定的難度。通常的解決辦法是人機(jī)交互半自動(dòng)跟蹤方式，當(dāng)出現(xiàn)不連續(xù)的跳變點(diǎn)時(shí)由人工給予糾正，重新跟蹤。海底跟蹤起始時(shí)，首先掃描前面幾個(gè)（3-8）Pi

19、ng的全部數(shù)據(jù)，找出每一Ping的最大值，求出平均值作為當(dāng)前海底位置的參考值。然后在接下來(lái)的Ping中，以當(dāng)前海底位置為中心，加一定寬度的跟蹤窗口（40100個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)），在窗口內(nèi)查找最大值。如果找到的最大值與海底位置之差在允許范圍之內(nèi)，接收該點(diǎn)數(shù)據(jù)，根據(jù)海底的連續(xù)性，重新修正當(dāng)前數(shù)據(jù)的平均值作為該P(yáng)ing的海底位置；如果最大值與海底位置之差超出了規(guī)定范圍，擴(kuò)大跟蹤窗口，重新查找。此時(shí)查找到的最大點(diǎn)已經(jīng)和前面的海底位置有了一個(gè)躍變，但不能確定是由于信號(hào)的噪音引入的突變，還是由于海底存在的斷層確實(shí)有個(gè)突變。保留新跟蹤的數(shù)據(jù)，并以前一個(gè)海底位置作為當(dāng)前記錄的海底數(shù)據(jù)，即在默認(rèn)情況下保持海底的連續(xù)性。

20、繼續(xù)按開始窗口大小查找下一日叩的最大值。當(dāng)連續(xù)三次以上都在新的同一位置查找到海底，則以新的數(shù)據(jù)作為當(dāng)前海底的位置，認(rèn)為斷層由此開始。當(dāng)跟蹤位置發(fā)生明顯偏移時(shí)，給予人工糾正。在海底自動(dòng)跟蹤過(guò)程中，需要較多的控制變量一起作用才能有較好的跟蹤效果，如加窗寬度、允許平均誤差等可，這些控制參量:在不同的工作環(huán)境下會(huì)有所不同，所以具體工作時(shí)需要有豐富的操作經(jīng)驗(yàn)才能取得最佳海底跟蹤效果。3.2.3分頻合成顯示分頻合成顯示技術(shù)是在本系統(tǒng)中提出的一種創(chuàng)新技術(shù)。所謂分頻是采用Chirp掃頻技術(shù)，用不同頻帶的信號(hào)對(duì)同一區(qū)域的地層進(jìn)行探測(cè)，高頻信道能夠獲取淺部的高分辨率的信息，而低頻信道能夠獲取深部的地層信息，這樣能

21、夠獲取該地層各種不同的反射信號(hào)特征信息在V。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，針對(duì)各個(gè)頻帶的特征信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，以達(dá)到既提高穿透深度又增強(qiáng)分辨率的目的幻。假彩色合成是應(yīng)用最廣泛的彩色增強(qiáng)方法，它可以突出圖像中的有用信息，擴(kuò)大不同影像特征之間的差別，但是普通彩色合成最多能合成3個(gè)通道數(shù)據(jù)。而主成分分析，則可以針對(duì)任意多個(gè)波段數(shù)據(jù)進(jìn)行多維正交變換，然后選取特定主成分進(jìn)行假彩色合成，能夠綜合反映不同頻帶的信息差異，提高數(shù)據(jù)的分析能力。（1）普通彩色合成顯示。在數(shù)字圖像處理中。假彩色合成是應(yīng)用最廣泛的彩色增強(qiáng)方法，它的目的就是將反映在不同波段上的差異綜合地顯示出來(lái)，突出圖像中的有用信息，擴(kuò)大不同影像特征之間的差別，

22、提高對(duì)圖像的解譯和分析能力。其方法是選定3個(gè)波段圖像，分別用作R、G、B3個(gè)通道進(jìn)行合成顯示。合成后的結(jié)果是24位的彩色圖像，每個(gè)像素由3bit組成，RGB分別代表3個(gè)通道數(shù)據(jù)5。在假彩色合成中最主要的工作是選擇哪3個(gè)波段或已處理的分量作為假彩色合成的分量。一般而言，直接將原始的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行合成效果并不很理想，在實(shí)際應(yīng)用中常常選擇原始圖像數(shù)據(jù)經(jīng)比值、差值或主成分處理過(guò)的圖像作為假彩色合成的分量，間接利用所獲得的海底數(shù)據(jù)的不同波段進(jìn)行數(shù)據(jù)合成。（2）主成分變換合成顯示。超寬頻海底剖面儀最多可以采集5個(gè)不同通道的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，因?yàn)楦鱾€(gè)不同的頻帶實(shí)際上是對(duì)同一區(qū)域的地層信息的部分反映，它們

23、之間具有很高的相關(guān)性，從直觀上看圖像之間具有相似性。為了從多個(gè)頻帶中提取最大信息量，就要對(duì)其信息量進(jìn)行壓縮與變換，然后有選擇地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。在本次處理過(guò)程中引入遙感圖像處理技術(shù)，把各個(gè)子帶分別作為一個(gè)空間向量進(jìn)行主成分變換，即在統(tǒng)計(jì)特征基礎(chǔ)上的多維正交線性變換，使得變換后各主成分之間的相關(guān)系數(shù)為零，相互之間所包含的信息內(nèi)容是不重復(fù)的。這樣把原來(lái)的多變量數(shù)據(jù)在信息損失最小的前提下，變換為盡可能少的互不相關(guān)的新的變量，以減少數(shù)據(jù)的維數(shù)。然后選擇變換后信息量較為豐富的3個(gè)主成分矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行假彩色合成，可以綜合反映不同頻帶的信息差異，提高數(shù)據(jù)分析能力。主成分分析也稱為K-L(Karhunen-Loe

24、ve)變換，是在統(tǒng)計(jì)特征基礎(chǔ)上的多維正交線性變換。下面以矩陣表示多波段圖像的原始數(shù)據(jù),從數(shù)學(xué)的角度來(lái)分析K-L變換：X=2!22及”.=.矩陣X中，m和分別為波段數(shù)(或稱變量數(shù))和每幅圖像中的像元數(shù)'矩陣中的每一行矢量表示一個(gè)波段的圖像。圖像的線性變換可用如下數(shù)學(xué)式表示:Y=TXo式中:X為待變換圖像數(shù)據(jù)矩陣;Y為變換后的數(shù)據(jù)矩陣;T為實(shí)現(xiàn)這一線性變換的變換矩陣。如果變換矩陣T是正交矩陣，并且由原始圖像數(shù)據(jù)矩陣X的協(xié)方差矩陣S的特征向量組成，則Y=TX線性變換即被稱之為K-L變換，并且稱K-L變換后的數(shù)據(jù)矩陣的每一行矢量為K-L變換的一個(gè)主成分,它們依次被稱為第一主成分、第二主成分、第

25、s主成分。這時(shí)若將Y矩陣的各行恢復(fù)為二維圖像，即可以得到m個(gè)主成分圖像。K-L變換是一種線性變換，而且是當(dāng)取丫的前p(pVm)個(gè)主成分經(jīng)反變換而恢復(fù)的圖像X和原圖像X在均方誤差最小意義上的最佳正交變換。結(jié)合上面兩種方法，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合時(shí)選擇已有的若十波段進(jìn)行K-L變換，然后再選擇若干的輸出主成分圖像進(jìn)行假彩色合成，其工作流程如圖6所示。一般進(jìn)行假彩色合成時(shí)選取的主成分圖像為包含信息量較為豐富的前3個(gè)主成分，這樣可以更為有效地突出研究的對(duì)象。當(dāng)然，有時(shí)為了得到特定的專題信息，也可以選取包含信息量相對(duì)較少的其它主成分圖像。圖6多頻段假彩色合成流程圖Fig.6Thecomposedflowofmult

26、i-frequencyfakecolor4系統(tǒng)實(shí)踐應(yīng)用情況EchoViewer在2003年8月完成了1.0版本并進(jìn)行了超寬頻海底剖面儀在莫干湖的試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，基本滿足了超寬頻海底剖面儀的探測(cè)需求。軟件隨著超寬頻海底剖面儀項(xiàng)目的整體開發(fā)進(jìn)程，經(jīng)過(guò)多次聯(lián)調(diào)與海試，不斷地修正和改進(jìn)，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)性能。2004年12月，EchoViewerV2.0隨超寬頻海底剖面儀搭載“大洋一號(hào)"科學(xué)考察船在南海進(jìn)行海試，試驗(yàn)證明軟件功能完善，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，滿足系統(tǒng)作業(yè)需求。2005年10月，EchoViewerV3.0隨超寬頻海底剖面儀在寧波金塘水道進(jìn)行探測(cè)及比對(duì)試驗(yàn)，軟

27、件連續(xù)工作5天一直非常穩(wěn)定，顯示效果良好，并在12月順利通過(guò)“863”專家組的驗(yàn)收。該軟件已經(jīng)在2006年908東海淺剖調(diào)查與研究項(xiàng)目的資料處理中得到了應(yīng)用，并將逐步推廣到淺剖系統(tǒng)控制顯示和資料后處理中。圖7是2005年在寧波金塘水道試驗(yàn)中采集數(shù)據(jù)的回放，所顯示的剖面圖地層分層豐富清晰，分辨率高，海底跟蹤準(zhǔn)確。所選擇的參數(shù)如下：頻率范圍：27kHz。發(fā)射參數(shù)：脈寬2ms,測(cè)程500m,增益18dB,功率0dBo圖7數(shù)據(jù)回放截圖Fig.7Theimageofdataplayback5結(jié)論超寬頻海底剖面儀實(shí)時(shí)采集顯示系統(tǒng)Echo-Viewer的開發(fā)過(guò)程中綜合運(yùn)用了水聲聲納、數(shù)字成圖、遙感圖像處理和

28、軟件管理等相關(guān)理論技術(shù)，開發(fā)了一套集成GUI和后處理系統(tǒng)的淺剖側(cè)掃系統(tǒng)專用軟件。該軟件可對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行控制，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并成圖顯示，可對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行回放顯示和后處理；支持多種國(guó)際通用數(shù)據(jù)格式，如QMIPS、XTF和SEGY；具備該類軟件的基本數(shù)據(jù)顯示處理功能，如海底跟蹤、TVG、延時(shí)放大、測(cè)量、調(diào)色板和刻度線等。基于超寬頻海底剖面儀特點(diǎn)的分頻合成顯示是本軟件的最大創(chuàng)新。該軟件除作為超寬頻海底剖面儀的配套軟件外，還可應(yīng)用于其它海底淺剖、側(cè)掃設(shè)備的實(shí)時(shí)采集和數(shù)據(jù)后處理。通過(guò)超寬頻海底剖面儀多次海試和國(guó)家海洋局908淺剖專項(xiàng)調(diào)杳任務(wù)中的應(yīng)用，表明系統(tǒng)功能完善，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。參考文獻(xiàn)(Referen

29、ces):1 布列霍斯基J1M.海洋聲學(xué)M.北京：科學(xué)出版社，1983.BrihorskiJIM.OceanacousticsMJ.Beijing：SciencePress.1983.2 吳自銀，鄭玉龍，初鳳友.等.海底淺表層信息聲探測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展地球科學(xué)進(jìn)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.海底地質(zhì)勘查現(xiàn)代技術(shù)方法的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)J.海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)，2002,22(2):199-204.WANGZhi-xiong,GAOPing,MOJie.Applicationofmoderntechnicalmethodstosea-floorgeologicexplorationandtheirdevelopmenttendencyCJ.MarineGeology&QualernaryGeology.2002*22(2)：199-204.4 AlexandroD,MoustierC.Adaptivenoisecance