海底底質(zhì)的聲學特征研究

1、海底底質(zhì)的聲學特征研究海底底質(zhì)的聲學特征研究1多波束系統(tǒng)聲學探測方程對于確定的多波束系統(tǒng)頻率、波束角等參數(shù)固定，波束傳播過程中的聲能變化可通過圖1和聲能方程式1來描繪。EL=SL-2TL+BS-NL+DIRdB1圖1波束在傳播過程中的聲能變化圖式中，EL為接收換能器的聲噪程度；SL為聲波的發(fā)射強度；TL為傳播過程中產(chǎn)生的能量損失；BS為接收來自目的反射散射的信號能級；NL為海洋噪聲對聲能造成的損失；DIR為指向性指數(shù)。從接收聲能中除去發(fā)射聲能、發(fā)射和接收指向性指數(shù)、傳播損失和聲照面積影響后，剩余部分反映的是海底物質(zhì)對聲波的聲強BS=BS0+10lgAE，BS取決于海底底質(zhì)類型、地形條件和波束在

2、海底的投射面積波束腳印的面積AE，利用實驗數(shù)據(jù)建立函數(shù)關系或數(shù)據(jù)庫，以采樣波束對應的驚射角和聲強為索引，在數(shù)據(jù)庫中查詢與之對應的物理屬性，從而確定該波束在海底的底質(zhì)類型，到達海底底質(zhì)分類的目的。由于圖像一般采用灰度描繪，不能直觀的標定不同物質(zhì)的地理區(qū)域。因此，需要根據(jù)圖像形成時建立的關系反演聲強，進而劃分海底物質(zhì)類型。也可對灰度圖像按照灰度的變化進展邊緣劃分或輪廓線劃分，再根據(jù)劃分區(qū)域內(nèi)的灰度以及灰度與聲強的轉換關系確定劃分區(qū)域的地質(zhì)類型。為了在地理框架下實現(xiàn)海底分類，需要利用如下兩個關系：1圖像中的像素位置與地理位置的對應關系；2圖像中灰度級與聲強的轉換關系。2聲納數(shù)據(jù)處理和圖像的形成測區(qū)內(nèi)

3、聲納強度的變化一般利用聲納圖像來反映。聲納圖像通過將多個ping、條帶的聲強數(shù)據(jù)按照一定的原那么拼接起來，并對其進展抽樣和量化來形成。2.1ping與ping之間的拼接受人為操作、海洋環(huán)境等因素的影響，換能器姿態(tài)做瞬時變化，從而導致測量斷面不完全與設計航線正交，因此，為了形成圖像，就必須按照船位，在地理框架下實現(xiàn)測量斷面的拼接。采樣參數(shù)經(jīng)聲線改正后，獲得波束中心相對換能器中心的程度位移和深度，進而再根據(jù)航向和船位得到波束中心的地理坐標。自此，對于每一個采樣，實際上獲得三個參量，即平面位置x，y和聲強。2.2條帶圖像間的拼接條帶圖像間的拼接要解決兩個問題：一是幾何位置的統(tǒng)一，二是聲強值的統(tǒng)一。幾

4、何位置的統(tǒng)一實際上是為了實現(xiàn)條帶重疊區(qū)重合采樣點位置的對應。對于相鄰條帶而言，每個聲納采樣點均能獲得其坐標，且兩個條帶的坐標系統(tǒng)統(tǒng)一，因此，解決第一個問題比較容易。圖像拼接的關鍵問題是解決接邊線的問題，即選擇出一條曲線，按照這條曲線把圖像拼接起來。待鑲嵌圖像按照這條曲線拼接后，曲線兩本文由論文聯(lián)盟搜集整理側的聲強變化不顯著或變化最小，這條理論上的曲線被稱為接邊線或鑲嵌線。2.3測區(qū)格網(wǎng)化及聲強數(shù)據(jù)的選取抽樣為了便于計算機圖像處理，就須對測區(qū)進展柵格化。每個小的格網(wǎng)需要代表一個回波采樣，該格網(wǎng)即為圖像的像素。聲強采樣的不均勻性可能導致格網(wǎng)內(nèi)出現(xiàn)沒有聲強數(shù)據(jù)、一個聲強數(shù)據(jù)和多個聲強數(shù)據(jù)的情況。為了

5、真實反映海底物質(zhì)的特征，對于沒有聲強數(shù)據(jù)的情況，在灰度量化時，可將之設置為背景灰度級；對于存在單個聲強數(shù)據(jù)的情況，用該聲強反映格網(wǎng)所對應實際海床的底質(zhì)類型；假設存在多個聲強數(shù)據(jù)，最終聲強可根據(jù)如下原那么確定；1接近均值原那么。所有聲強數(shù)據(jù)與均值較差，絕對差值最小者為可能的備選聲強。2聲強變化漸進性原那么。由于格網(wǎng)代表的實際海底區(qū)域較小，地質(zhì)類型不可能發(fā)生大的突變，小區(qū)域范圍內(nèi)，地質(zhì)類型的變化具有漸進性。格網(wǎng)化和聲強抽樣工作完成的優(yōu)劣直接影響著將來圖像質(zhì)量的好壞，也影響著圖像對海底地質(zhì)類型的反映。格網(wǎng)劃分過粗像素少，像素代表區(qū)域較大，形成圖像的sai現(xiàn)象嚴重，那么難以詳細地反映海底類型的變化；像

6、素過多，到達飽和，圖像質(zhì)量將不再進步，相反還會造成計算量的增大。2.4聲強向灰度級的轉換量化該轉換實際上是將聲強同描繪圖像的灰度級對應起來，實現(xiàn)聲強向灰度級的量化。聲強的變化范圍主要取決于海床的地貌特征、地質(zhì)類型以及多波束系統(tǒng)。對于一個測區(qū)而言，假設海底地貌特征和底質(zhì)類型變化復雜，聲強分布于整個變化范圍，那么聲強GBs可量化為灰度G為：G=126+GBs128126dB對應灰度范圍2550或G=126-GBs128126dB對應灰度范圍0255式中，G為灰度級；GBs為回波聲強。假設聲強變化范圍為GbsinGbsax，量化后的灰度范圍為GinGax，那么聲強GBs量化后的灰度級G可表達為：式中

7、，GB為灰度級；GbsaxGbsin對應于GbaxGbin。為了增強圖像的比照度，量化后的灰度范圍GbaxGbin同樣可取0，255。在聲強向灰度級的轉換過程中，灰度級的選擇非常重要?；叶燃壙稍O置為256、128、64、32、16、4、2，灰度級選擇的較大，圖像的明暗變化可反映出細微海底底質(zhì)的變化；反之，在圖像中，原來濃淡平滑變化的部分，因為粗量化使?jié)獾a(chǎn)生較大的差異，從而造成假輪廓。另外，由于失去了濃淡的細微變化，量化后的圖像質(zhì)量將大大降低。假設灰度級選為2，那么圖像將成為黑白圖。與確定像素個數(shù)的情況一樣，灰度級大到一定的程度，對圖像質(zhì)量的進步將不再起作用，相反會加重計算量。抽樣和量化工作完

8、成后，便形成了多波束聲納圖像。3聲強數(shù)據(jù)的濾波以及位置確實定和內(nèi)插對于聲強測量，探測的是一個回向散射強度的時序觀測量，每一個時序觀測量相對波束投射點園要小的多，單位時間內(nèi)，時序采樣的個數(shù)是測深采樣的幾倍或十幾倍視聲納圖像的分辨率而定。聲強采樣測量的是該穿透區(qū)內(nèi)，由多個波束形式所包圍的波束投射點園區(qū)域。測區(qū)聲納圖像的獲得需要通過完成聲線改正和圖像鑲嵌才能獲得。在形成聲納圖像之前，還需對聲強進展如下處理：3.1聲強數(shù)據(jù)濾波理論上，聲強數(shù)據(jù)濾波也可采用深度數(shù)據(jù)濾波中的算法，由于數(shù)據(jù)量龐大，這里采用簡單的滑動平均濾波，其模型為：式中N為選定窗口內(nèi)聲強的采樣個數(shù)；Bsi為第i個被平滑對象；BSj為窗口內(nèi)

9、聲強采樣。滑動平均濾波可以降低聲強中的噪聲，但窗口過大為引起聲強失真，窗口的大小取決于波束腳印的大小和底質(zhì)的變化特征。3.2聲強采樣位置確實定多波束每一次測量形成一個斷面，斷面內(nèi)的聲強采樣具有時序性。為了繪制聲納圖像，聲強必須從時間序列轉化為橫向間隔 序列。多波束具有相對較高的測深精度，可以充分地利用其深度信息獲得振幅所對應的正確位置ithell，1991；ReedandHussng，1989。如圖2所示，振幅軌跡為圖中形的聲波信號，確定的投影面為相鄰測深點k和k+1確定的直線，其坡度a根據(jù)相鄰測深點的深度和間隔 差確定。由波束振幅投影法，設波束的入射角為，在角-a不是很小的情況下，那么波束的

10、橫向間隔 為：d=d0+i-i0rsa/sin-a式中，d0為波束中心的橫向間隔 ，i為聲強采樣序號，i0為對應的波束中心聲強采樣序號，r為斜距方向間隔 采樣的間隔，a為坡度。假設海底地形起伏變化不大，由上式可獲得準確的聲強采樣位置。3.3聲強數(shù)據(jù)的內(nèi)插實現(xiàn)了聲強數(shù)據(jù)的濾波和位置確實定以后，下一步需要考慮斷面上聲強數(shù)據(jù)的分布問題。由于多波束的測量形式所致，實際上投影點之間的間隔 不是一個常數(shù)，而是隨深度的變化而變化；底部檢測的失敗將導致聲強信息無效；粗差的剔除也是引起聲強數(shù)據(jù)空缺的一個因素。為了得到等間距的聲強分布，就需要根據(jù)波束投射點的位置對聲強進展內(nèi)插?？紤]到聲強數(shù)據(jù)在斷面上的分布特點，采用簡單的線性內(nèi)插便可獲得高精度的內(nèi)插聲強值。4完畢語多波束系統(tǒng)在進展深度測量的同時也紀錄了來自海底的回波強度信息，這使利用聲強信息正演海底地質(zhì)學特征成為可能。根據(jù)對回波信號的處理，只要對原始接收的多波束回波強度數(shù)據(jù)進展信號的傳播損失改正、聲線彎曲改正、海底