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(qiáng)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(qiáng)度有三類：即平均波束強(qiáng)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(qiáng)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(yuǎn)高于平均波束強(qiáng)度，尤其在大入射角區(qū)域[6]。多波束Snippet 回波強(qiáng)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(yàn)?zāi)Ｐ偷牟煌陚湫?，常?dǎo)致借助Snippet 多波束回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)難以得到高質(zhì)量的回波強(qiáng)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(duì)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(duì)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(qiáng)度；此外，通過對(duì)邊緣波束回波強(qiáng)度壓制，削弱了邊緣波束回波強(qiáng)度異常影響，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了條帶間回波強(qiáng)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(qiáng)度平均值和中央異常區(qū)的平均值，通過構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)改正模型實(shí)現(xiàn)角度響應(yīng)改正。以上研究從某個(gè)方面解決了Snippet 回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)的異常問題，對(duì)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(qiáng)度數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上，提出了一套Snippet 回波強(qiáng)度再處理方法，以期提高多波束Snippet 回波強(qiáng)度和圖像的質(zhì)量。

1 精細(xì)處理方法

多波束回波強(qiáng)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(duì)多波束原始二進(jìn)制觀測數(shù)據(jù)解碼，獲得這些信息，開展回波強(qiáng)度改正。不同設(shè)備的二進(jìn)制存儲(chǔ)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(jì)算

提取每個(gè)波束的入射角、傳播時(shí)間，結(jié)合聲速剖面，利用常梯度聲線跟蹤方法進(jìn)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(duì)換能器發(fā)射狀態(tài)的影響，經(jīng)過聲線跟蹤得到波束點(diǎn)在換能器坐標(biāo)系波束坐標(biāo)(x,y,z)TS及各個(gè)波束聲線的長度；根據(jù)橫搖角r和縱搖角p對(duì)波束坐標(biāo)的影響進(jìn)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(shí)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(shí)海平面隨時(shí)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(yàn)潮信息計(jì)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(gè)聲線的傳播距離和波束海底投射點(diǎn)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(qiáng)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(shí)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(qiáng)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(qiáng)度；SL是聲吶的發(fā)射能級(jí)；θ是聲波相對(duì)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(qiáng)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(duì)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(jìn)行傳播損失TL改正：

式中：α為測深處的水體累計(jì)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(dá)海底時(shí)對(duì)應(yīng)的照射面積不同，底部目標(biāo)強(qiáng)度BTS也會(huì)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(qiáng)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(duì)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(jì)算得到，認(rèn)為海底是平坦的。實(shí)際上，海底存在起伏變化，為此，根據(jù)式（2）的波束點(diǎn)三維坐標(biāo)，結(jié)合波束入射角和根據(jù)地形點(diǎn)計(jì)算的地形坡度，本文計(jì)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(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行改正，常因與實(shí)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(qiáng)度變化不均勻問題，難以真實(shí)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(qiáng)度中減去對(duì)應(yīng)角度的預(yù)期強(qiáng)度，再加上參考角度的預(yù)期強(qiáng)度，綜合實(shí)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(qiáng)度；BS(θ)是角度響應(yīng)未移除時(shí)入射角度為θ的回波強(qiáng)度；BS′(θ)是所有入射角度為θ的回波強(qiáng)度平均值，即期望的回波強(qiáng)度，BS′ (30°～40°)是入射角為30°～40°的期望回波強(qiáng)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(qiáng)度可能存在海底反射強(qiáng)度，噪聲較大，有時(shí)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(dòng)或自動(dòng)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(duì)增益進(jìn)行補(bǔ)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(duì)其修復(fù)。

計(jì)算異常測線的回波強(qiáng)度平均值和正常測線回波強(qiáng)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(qiáng)度異常，采用反距離加權(quán)平均的方法使用鄰域回波強(qiáng)度值插值得到空缺處的回波強(qiáng)度。公式如下：

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

2 回波強(qiáng)度精處理流程及聲吶圖像生成

多波束回波強(qiáng)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(qiáng)度解碼，提取出回波強(qiáng)度、觀測時(shí)間、波束角等原始觀測信息。

2）聲線跟蹤和歸位計(jì)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(gè)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(jìn)行輻射畸變改正。根據(jù)各個(gè)波束的聲程R，進(jìn)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(diǎn)云，計(jì)算地形坡度，進(jìn)而計(jì)算波束在海床上的投射面積，據(jù)此進(jìn)行面積改正；結(jié)合波束模式改正，綜合實(shí)現(xiàn)多波束回波強(qiáng)度的輻射畸變改正。

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

5）條帶間增益不一致消除。統(tǒng)計(jì)各條帶的平均回波強(qiáng)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(bǔ)。借助加強(qiáng)平均方法，對(duì)異?；夭?、丟失回波進(jìn)行插補(bǔ)。

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

3 數(shù)據(jù)處理成果及分析

為了驗(yàn)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(duì)所有的多波束回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將回波強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為0～255 灰度級(jí)，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?yàn)樵鲆娌町悗淼幕叶炔痪鈫栴}突出，嚴(yán)重影響了多波束聲吶圖像對(duì)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(gè)條帶的回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)處理。為說明改正效果，任選一個(gè)Caris 處理后的多波束條帶回波數(shù)據(jù)開展實(shí)驗(yàn)。從圖3（a）看出，由于Caris 內(nèi)置AR 經(jīng)驗(yàn)改正模型不完善，改正后的回波強(qiáng)度仍呈現(xiàn)中間強(qiáng)度大、兩側(cè)強(qiáng)度小問題。采用2.3 節(jié)所給方法，對(duì)該條帶再進(jìn)行角相關(guān)改正，改正后的圖像如圖3（b）所示?？梢钥闯?，整個(gè)條帶的回波強(qiáng)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(duì)所有條帶進(jìn)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(shí)現(xiàn)了垂直航跡方向的Ping 扇面回波序列回波強(qiáng)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(huì)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(duì)條帶圖像的灰度不均衡問題進(jìn)行改正，改正后的結(jié)果如圖4(b)所示?？梢钥闯?，條帶間的回波強(qiáng)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(shí)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(duì)所有多波束測線的回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)，按照第二、三節(jié)給出的方法和流程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用處理后的回波強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度異常和缺失問題，借助本文給出的回波強(qiáng)度處理方法和流程得到了很好的消除，形成的整個(gè)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)傳播損失和聲照面積的精確改正；基于經(jīng)驗(yàn)AR 改正模型補(bǔ)償后的回波強(qiáng)度殘余與波束的角度相關(guān)，據(jù)此給出的角相關(guān)再補(bǔ)償方法，很好地消除了AR 補(bǔ)償殘余的影響，實(shí)現(xiàn)了Ping 扇面內(nèi)回波強(qiáng)度的漸進(jìn)變化；提出的基于統(tǒng)計(jì)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(shí)現(xiàn)了回波強(qiáng)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(qiáng)度異常和空缺消除方法，形成了多波束回波強(qiáng)度的綜合后處理方法，實(shí)現(xiàn)了多波束回波強(qiáng)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(qiáng)度數(shù)據(jù)處理方法針對(duì)Caris 處理后的回波強(qiáng)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(qiáng)度不均衡消除等方法均基于問題產(chǎn)生的成因和機(jī)理，因此同樣適用于對(duì)多波束原始回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)處理。