（水声工程专业论文）多波束条带测深系统数据后置处理技术研究.pdf

哈尔滨工程大学博士学位论文 反映出海底的地形特征。 为了改善视觉效果，便于对图像的理解和分析，根据图像的特点或存在的 问题采取的改善或者加强特征的措施就是图像增强。图像增强是数字图像处 理过程中经常采用的一种方法。本文将图像增强技术首次引入彩色海底三维 地形图的后置处理中，提出了基于彩色空间变换、饱和度均衡化、亮度修正 的处理方案，有效地解决了彩色地形图的图像增强问题。 本文开发并研制出一套全新型多波束条带测深系统数据后置处理及拼图 的软件。它同时应用了几种数据平滑处理方法并融合了图像增强技术又引入 光照模型，使得这些功能在一个软件中得以实现，并且能通过建立数字地理 模型，快速准确地生成符合海道测量规范的数字海图和高质量的数据成果 图。 关键词：多波束测深；数字海图；拼图技术；后置处理 多波束条带测深系统数据后置处理技术研究 a bs t r a c t m u l t i b e a ms w a t hb a t h y m e t e ri sak i n do fn e w l yd e v e l o p e da d v a n c e d s e a f l o o rs u r v e y i n ge q u i p m e n tw i t hh i g he f f i c i e n c y , h i 曲a c c u r a c ya n df i n et e r r a i n r e s o l u t i o n t h ef i r s ts e to fm u l t i b e a ms w a t hb a t h y m e t e ri nc h i n ah a db e e n p r o d u c e db e c a u s eo fy e a r so fh a r dw o r k i n gb ya c o u s t i c a la c a d e m eo fh a r b i n e n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y b a s e d 0 1 1t h es y s t e m ，t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e ds o m e t e c h n i q u e sr e l a t e dt om u l t i b e a ms u r v e y i n g v o l u m em i n i a t u r i z a t i o no fm u l t i - b e a ms w a t hb a t h y m e t e ri st h em a i np o i n t i nm u l t i - b e a ms w a t hs u r v e y i n ns ot h ea u t h o rp r o p o s e dt h ed e s i g np r o j e c ta n d s o l v et h e k e yp r o b l e m s f o r m i n i a t u i - i z a f i o n m e a n w h i l e ，p o s t p r o c e s s i n g t e c h n i q u e sf o rm u l t i - b e a ms u r v e y i n gs y s t e mw e r es t u d i e dm o r ed e e p l y t h e a n a l y z i n gf o rd a t ae r r o r , d a t as m o o t h n e s sp r o c e s s ，s o u n dv e l o c i t yp r o f i l e c o r r e c t i n gt e c h n i q u e ，t i d ec o r r e c t i n gt e c h n i q u e ，c o o r d i n a t e st r a n s f o r m i n g ，d i g i t a l c h a r tm a k i n gm e t h o d sa n di m a g ee n h a n c e m e n tw e r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h ea c h i e v e m e n to fc h i n e s ef i r s tm u l t i - b e a ms w m hb a t h y m e t e ri n d i c a t e s t h a tc h i n e s eo c e a ns u r v e y i n gt e c h n i q u eh a se n t e r e di n t om u l t i - b e a mt i m e s ，b u t t h ev o l u m eo ft h ee q u i p m e n ti sl a r g e ，a n di n s t a l l a t i o ni sd i f f i c u l t t h ea u t h o r d i s c u s s e dt h e o p t i m i z e s o l u t i o na n dc r u c i a lt e c h n i q u e sf o rt h ev o l u m e m i n i a t u r i z a t i o no f m u l t i b e a ms w a t hb a t h y m e t e r m u l t i b e a ms w a t hb a t h y m e t e rw h i c hi sac o m p l e xs y s t e mw i t hv a r i o u sk i n d s o f h i g ht e c h n i q u e sn e e d st og a t h e rc o r r e l a t i v ed a t ai n f o r m a t i o n w h i l et h ed a t aa r e c o l l e c t i n g ，t h e r ea r em a n yk i n d so fe r r o r sa n de n v i r o n m e n ti n t e r f e r e s c h o o s i n g s u i t a b l em e t h o d si no r d e rt oe l i m i n a t ee r r o r s ，o p t i m i z ed a t aa n dg e ta ne x a c t m e a s u r i n g r e s u l ti st h em a i nt a s ki nm u l t i b e a ms w a t hb a t h y m e t e r p o s t - p r o c e s s i n g t h ea u t h o ra n a l y s i st h ed a t ae r r o ra n dp r o p o s e sd i s t i n g u i s h i n g 哈尔滨工穰大学博士学位论文 r u l e s 。d i s s i m i l a rd a t as m o o t h n e s sp r o c e s s i n gm e t h o d sw e r ec o m p a r e d ，a n dt h e s m o o t hm e t h o d ss u i t a b l ef o rm u l t i - b e a ms w a t hb a t h y m e t e rw e r ew o r k e do u t ， f u r t h e r m o r e ，s o u n dv e l o c i t yp r o f i l ec o r r e c t i n gt e c h n i q u e ，t i d ec o r r e c t i n g t e c h n i q u ea n dc o o r d i n a t e st r a n s f o r m i n gw e r ea l s od i s c u s s e dd e e p l y , a n dt h e s e t e c h n i q u e sw e r ep r o v e nc o r r e c ti ns e v e r a ls e at r i a l s t h es a m p l i n gd e p t hd a t aw h i c hh a db e e np r o c e s s e dw e r ed e v e l o p e dt of o r m t h ed e p t ho v e r l a ym a p ，i s o l i n e sm a pa n ds t e r e o g r a m ，a n dt h i sp r o c e s si sc a l l e d d i 百t a lc h a r tm a k i n g t h eb a s i ct h e o r ya n dm e t h o d sa r es p e c i f i e dh e r e ，a n dt h ek e y p r o b l e m sd u r i n gd i g i t a lc h a r t sm a k i n gw e r es o l v e d i l l u m i n a t i o nm o d e l ，c o l o r m o d e lf o rs t e r e o g r a ma n dt h e i rr e a l i z a t i o nt e c h n i q u e sw e r es t r e s s e dt om a k et h e s t e r e o g r a r nm o r el i v i n g i no r d e rt oi m p r o v ev i s i o ne f f e c t ，t h es t e p sw h i c hi n c r e a s et h ei m a g e c h a r a c t e r sa r e + i m a g ee n h a n c e m e n t i ti sac o m m o nm e t h o di ni m a g ep r o c e s 菇n g ， i m a g ee n h a n c e m e n tm e t h o di s f i r s ti n t r o d u c e dt ot h ep o s t - p r o c e s s i n gf o rs e a b o r o mc o l o rs t e r e o g r a m c o l o r s p a c et r a n s f o r m ， s a t u r a t i o n e q u i p o i s ea n d b r i g h t n e s sc o f f e c tp r o j e c t sw e r ep r e s e n t e d ，a n dt h e s ep r o j e c t se n h a n c et h ei m a g e e f f e c t i v e l y a p a c k a g eo fn e w l ya p p l i e ds o f t w a r ef o rp o s t p r o c e s s i n ga n dm o s a i e i n gi n m u l t i b e a ms w 糠b a t h y m e t e ri sd e v e l o p e d t h es o f t w a r eu s e ds e v e r a ld a t a s m o o t h i n gt e c h n i q u e s ，b e s i d e si m a g ee n h a n c e m e n tm e t h o da n di l l u m i n a t i o n m o d e l a l lt h e s et e c h n i q u e sa l er e a l i z e di nt h es o f t w a r e a r e rd i g i t a lt e r r a i n m o d e lf o r m i n g a c c o r d i n g 硝也h y d r o g r a p h i cc r i t e r i o nt h i ss o f t w a r ec o u l dd r a w d i g i t a ic h a r t sw e l la n dt r u l y k e yw o r d s ：m u l t i b e a ms w a t hb a t h y m e t e r , d i g i t a lc h a r t ，m o s a i ct e c h n i q u e ， d a t ap o s t p r o c e s s i n gt e c h n i q u e 。 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 概述 地球表面积的四分之三是海洋。海洋提供了丰富的矿产、石油、天然气 等资源。随着地球上人口的不断增加和自然资源的日益匮乏，世界各国都把 长远的目光投向了海洋资源的开发和利用。进入二十世纪以来，海洋资源的 激烈争夺导致了海洋法建立和海上划界的活动，海洋测绘和调查的意义已不 再局限于航行安全与科学研究，它更迫切、更直接地关系到海底资源的归属 和国家的主权和尊严。因此，各海洋大国都竭尽全力开展以大陆架为主的各 种“海洋工程”，海底地形地貌的测量更加频繁。 人类一直在努力探求海底的形状和组成，直到1 5 0 年前海底和其主要特 征，包括海中山脊、海山、深海沟和海底峡谷的地图才出现。当今测绘领域， 侧扫声纳、多波束测深、卫星测距和全球定位系统( g p s ) 导航是一系列最前 沿的工具，这些技术提供了更精确和广泛的海底深度的测量和海底组成的重 要信息，极大地推动了海洋测深的发展，能使人们得到更详细的海底信息。 多波束测深是多波束形成技术在勘测海底地形领域的一项重要应用，多 波束测深系统是声纳的最新形式之一。早期使用的声纳多半是属于单波束声 纳。单波束测量是一种非全覆盖测量方法，它存在着自身无法克服的缺陷：一 是无法探测到尺寸小于测线间距的微地形，二是通过网格化内插易产生假地 形。要提高精度，唯一的方法是加密测线密度，但这又会使勘测成本成倍增 长，因此在近代声纳中广泛应用了预成波束的多波束方法，多波束形成技术 在声纳信号处理中占有十分重要的地位。 二十世纪六十年代，美国首先开发出了多波束测深系统“条带测深 仪”，它是一种高效率的海底地形测量设备。多波束设备在向海底发射接收一 次声波的过程中能同时获得测量船两侧一条带上许多采样点的深度数据，其 测量覆盖范围为水深的几倍甚至十几倍。经过四十年的发展，世界各主要海 洋大国对海底地形地貌测量设备的研究，已经具备了相当的水平和规模p ”。 一 堕叠鎏三堡查兰堡主堂垡笙塞 我国是一个拥有3 0 0 万平方公里海洋国土的海洋大国，海洋测绘任务非 常繁重。以前使用的单波束回声测深仪，其地形测绘的精度、分辨率、质量 及效率上均无法与多波束条带测深相比。这种现状远远满足不了我国经济建 设和国防建设的需要。因此，迫切需要开发我国自己的多波束测深系统。国 产多波束条带测深系统的推出，标志着我国海洋测深技术已进入多波束测深 时代，使我国成为世界上能独立开发研制多波束条带测深设备的先进国家之 图1 1 多波束测深示意图 f i g1 1s k e t c hd i a g r a mo f m u l t i b e a ms o u n d i n g 1 2 国内外发展历史及现状 自1 9 5 9 年开始，美国通用仪器公司一直从事声学、声信号处理、多波束 形成技术和声学换能器领域的工作。于1 9 6 1 年开发出第一代声纳阵测深系 统，1 9 7 8 年该系统被应用于商业，定名为s e a b e a m 多波束测深系统，这就是 世界上第一台多波束测深仪。1 9 9 1 年3 月公司推出第三代多波束技术产品 s e a b e a m 2 1 0 0 系列，与第二代s e a b e a m 2 0 0 0 相比在硬件和软件上都有了很大 的提高，技术性能也有了显著的改进。其硬件采用了最新、最快的集成电路 模块，大大提高了产品集成度。数据采集系统由三个大机柜变成一个机柜，减 第1 章绪论 少了对操作空间的需要；在软件方面，s e a b e a m 2 1 0 0 的数据处理子系统r h = 个软件组成：数据采集软件、后置处理软件和网格化成图软件。数据采集软件 提供导航和多波束测深数据采集功能；后置处理编辑软件把多波束系统采集 的数据通过编辑和后置处理转换成高质量的测深数据集：而网格化成图软件 是对测区的多波束测量数据产生等间距网格化测深数据集，最终形成数字海 图。 德国的a t l a s 公司也是世界上少数几家能从换能器制造到软件编程完全 能自主开发制造的高技术公司之一。该公司研制的a t l a sf a n s w e e p2 0 系统 为便携式浅水多波束扫描测深系统。每次扫测可获得1 4 4 0 个深度值和4 0 9 6 个侧扫测量值，测量速率达每秒8 次；信号以相位检测为主：该系统的处理 软件包括实时处理软件包和后置处理软件包。 此外，挪威s i m r a d 公司的e m l 0 0 系统；s t na t l a se l e k t r o n i k 公司的 a t l a sb o m a s w e e p 系统和美国r e s o n 公司的s e a b a t 8 1 0 0 系统等 7 - 1 7 】。 我国在海洋测量技术领域起步较晚，直至9 0 年代该领域还是空白，扫海 测量大部分使用单波束回声测深仪，每次只能接收一个波束的回波，得到航 迹线上一点的水深数据，虽然有较先进的定位导航数据配合，能够绘制出海底 地形图，但在地形测绘的精度、分辨率及效率上无法与多波束条带测深系统相 比。 国产第一套多波束条带测深仪自9 0 年代初由哈尔滨工程大学水声工程 系研制，现已经成功地装备在我国现代化的中远海测量船上，圆满完成了多 次的海上、湖上试验和测量任务，充分验证了它的可靠性和稳定性。 多波束条带测深设备的研究在世界各海洋国家得到了飞速的发展。经过 多年的研究，它的发展趋势可以概括为： ( 1 ) 基阵体积减小，设计简便，携带方便，安装灵活，形成便携式小型 化基阵。 ( 2 ) 波束数目增加，波束间隔减小。并且采用先进的空间信号处理技术， 增强测深精度，提高扫海效率。 哈尔滨工程大学博士学位论文 ( 3 ) 充分利用海底反向散射信号的幅度和相位信息，由回波到达时间 ( t o a ) 和到达角度( d o a ) 联合估计。 ( 4 ) 单频发射向多频发射发展， ( 5 ) 应用在线自适应校准技术， 进一步保证测深精度 1 8 - 2 2 】。 扩大设备的应用范围。 实时修正纵横摇数据，声线弯曲数据， 1 3 本文研究的背景和内容 哈尔滨工程大学研制的多波束条带测深仪，使我国跻身于世界上能独立 开发研制多波束条带测深设备的先进国家行列。经过9 7 年东海实验、9 8 年 探测海底沉船、9 9 年南海实验，特别是2 0 0 1 年5 月份由中央电视台组织和 直播的云南抚仙湖水下考古地形的成功测量，都充分地显示出设备运行的稳 定和可靠。 但是该系统还存在着一些不尽如人意的地方，其中较突出的不足是体积 过大，在实际使用中不便于安装；另外，早期研制的设备难以达到大的覆盖 宽度、海深比。近年来，基阵小型化，测量大覆盖的观点越来越成为多波束 测深的中心议题。借鉴国外同类产品，研究设计多波束测深小型化产品势在 必行。因此，本文在研究国内外相关技术的基础上，结合国内实际应用需要， 提出和论证了一套小型化设计方案。 多波束测深系统在测量过程中，处于一个不断变化的平台上。其中 r r = c x d = r c o s 8 。 y = r s i n 0( 卜2 ) 当参数c 、0 、a t 和坐标系统发生变化时，就要引起深度d 和位置y 的 相应变化；由于声速c 的变化引起波长丑= c f 变化，从而使回波到达角口 发生变化；船体姿态( 纵摇、横摇、升沉) 和航向的变化，会引起船体坐标 4 第1 章绪论 广上 、碗一，d r a f t 1 叭下 a o h ) d 。一义m n s e 吣 j 心 。一，= r o f 2 - w a yb r a v dt i m e 图1 2 多波束测深系统的深度和位置 f i g1 2d e p t ha n dl o c a t i o no f m u l t i b e a ms w a t hb a t h y m e t e r 系统对于大地参考坐标系统发生变化。因此，多波束测深系统需要实时积累 各种相关的数据资料，包括波束到达角、传播时间、声速数据、导航数据、 涌浪数据等，通过合理的修正和变换，在大地参考坐标系上生成数字成果图， 显示出真实的海底信息；在记录的数据中，不可避免地会存在各种误差和噪 声 2 3 - 2 7 1 ，所以需要运用科学合理的方法消除误差、优化处理，使测量结果真 实可信。这是多波束测量系统后置处理的核心任务，也是本论文重点研究内 容。 另外，国内对多波束数据的估计分析、数据处理和数据成图方面的研究 相对较少。所以迫切需要研制一套专门适用于多波束数据后置处理和成图的 软件。本文将要研制出一套专门适合于多波束数据的后置处理，并能够准确地 建立出数字地理模型，生成完整的符合海道测量规范的拼图软件，满足多波束 测深的需要。 论文主要研究内容如下： ( 1 ) 第一章说明多波束测深技术的发展历史，以及本文的研究背景和研 究内容。 ( 2 ) 第二章介绍多波束条带测深系统的组成和工作原理。参考国外同类 产品，针对实际应用情况，进行多波束条带测深系统小型化的方案论证以及 哈尔滨：【程大学博士学位论文 关键技术研究。 ( 3 ) 第三章多波束数据的后置处理技术研究，主要研究的内容有：对测 深数据进行误差分析处理，除去野值，以提高数据质量；进行潮汐修正，得到 瞬时海面的深度数据；根据海底环境的特点，讨论数据平滑及声线修正技术， 并对多波束数据进行坐标变换及投影转换，完成数字地理模型的构建。 ( 4 ) 第四章利用数字地理模型，生成水深透写图、等深线图和三维立体 图等数字成果图。真实感地形反演的关键是研究图形生成的相应算法，包括 可见面算法、纹理映射、反混淆、图像增强等各种图形图像绘制技术，以实 现更具真实感的三维立体地形图的绘制。最后结合海试和湖试的数据，给出 数据后置处理结果。 第2 章多波束条带测深系统组成及工作原理 第2 章多波束条带测深系统组成及工作原理 2 1 国产第一套多波束条带测深系统组成 国产第一套条带测深系统由哈尔滨工程大学水声工程系研制，它由实时 处理分系统和后置处理与拼图分系统两大部分组成。 实时处理分系统由主机柜、控制柜、发射机柜、前放接收转接盒、发射 机分线盒、声基阵以及打印机组成，其主要功能是实时测量与记录深度数据， 实时采集与记录导航、定位与涌浪数据等。后置处理与拼图分系统由工作站 和绘图仪组成，其主要功能是对测量数据进行后置处理与拼图，并给出满足 海道测量规范的各种数字成果图。条带测深仪在工作中需要辅助设备协同工 作，辅助设备有差分g p s 、涌浪滤波器、罗经、声速度剖面仪和验潮仪等。 2 2 国产第一套条带测深仪的测深原理 条带测深仪在工作中利用发射基阵向海底发射超宽声波束，并利用安装 在船舷两侧的接收基阵接收海底反向散射信号。接收基阵与发射基阵均为直 线阵，共同组成一个米尔斯交叉阵。发射基阵与测量船艏艉线平行，声信号 被投射到测量船下方与艏艉线垂直的一个狭长的区域。接收阵基阵与艏艉线 垂直，正好与发射波束垂直相交，从而实现对海底地形的采样。海底地形采 样如图2 1 所示。 接收波束矿接收波束3 1 。 发射波束0 。 图2 1 海底地形采样示意图 f i g2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f s e a b e dt e r r a i ns a m p l i n g 哈尔滨工程大学博士学位论文 接收信号经过放大，归一化处理后可以求出各采样点深度，这样每一次 测量能获得海底几十个采样点的深度数据，测量船走完一条测线，就完成海 底一个条带的地形测量。条带的宽度浅海时为四倍海深，深海时为两倍海深。 条带宽度与海深关系如图2 2 所示。 图2 2 条带宽度与海深关系示意图 f i g2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f r e l a t i o nb e t w e e ns w a t hw i d t ha n dw a t e rd e p t h 测深过程中系统不断通过接口采集差分g p s 、罗经与涌浪等导航与定位 数据，并将它们与深度数据一起存储在硬盘内，数据文件通过软磁盘、光盘 等介质或联网传送到工作站进行后置处理与拼图，最终生成各种数字成果图。 实际测量时左右“t ”形阵交替工作，每次形成1 6 个波束。浅海测量时 各波束位置的分布见图2 3 ，4 5 。范围内为高精度区，共有1 0 个波束，波束 间隔为0 1 h ，其余6 个波束分布在4 5 。6 3 5 0 的范围内，波束间隔为0 2 h 。 深海测量时1 6 个波束均匀分布在o o 4 5 。的范围内，波束间隔茎o ，1 h 。 图2 3 预成波束位置示意图 f i g2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f p o s i t i o no f b e a m i na d v a n c e 第2 章多波束条带测深系统组成及t 作原理 2 3 国产第一套多波束条带测深系统工作原理 2 3 1 “v ”型阵结构 国产第一套条带测深仪的声基阵是由两个发射基阵和两个接收基阵共4 个线阵组成。先由接收基阵和发射基阵组成一个倒“t ”形阵( 米尔斯交叉阵 m i l l sc r o s s ) ，两个倒“t ”形阵再组成一个“v ”形阵，“v ”形阵的倾斜角 为4 5 。发射基阵工作时在其声轴方向上辐射的能量最强，采用“v ”形阵结 构可以使发射与接收基阵的声轴外移，增加边缘波束信号的强度，有利于增 大测量覆盖宽度。条带声基阵的结构和安装如图2 4 所示。 图2 4 条带声基阵的结构和安装 f i g2 4c o n f i g u r a t i o na n di n s t a l l a t i o no fs w a t ha r r a y s 2 3 2 米尔斯交叉阵工作原理 发射基阵与测量船的艏艉线平行安装，所发射的声波束投射在海底与测 量船艏艉线垂直的一个条形区域上，接收基阵的安装方向与发射基阵相差 9 0 。，使所形成的接收波束与发射波束垂直相交，接收到的是交叉点的海底 反向散射信号，从而实现对于海底地形的采样( 见图2 5 ) 。实际测量时左右 两个“t ”形阵交替工作完成测量船左右两侧海底地形的测量。 图2 5 米尔斯交叉阵工作原理 f i g2 5p r i n c i p l eo f m i l l sc r o s sa r r a y s 9 哈尔滨工程大学博士学位论文 2 3 3 实时处理分系统工作原理 实时处理分系统原理框图如图2 6 所示。信号源分机在同步信号的控制 下产生激励信号送到发射机进行功率放大，激励信号的相位与幅度由计算机 实时控制以使发射机的声波束有足够的强度且始终保持垂直向下。海底反向 散射信号被接收基阵接收后经过前置放大器放大，送到接收机进行归一化处 理，然后由处理器进行a d 转换和波束形成，并进一步由专家系统进行检测 与时延估计，所获得的信息被送到计算机 2 8 , 2 9 1 。计算机对整个设备进行控制 与管理。计算机与各分机之间通过接口分机进行数据传送【4 ”，得到的数据可 以通过软盘、光盘或网络媒介送到后置处理与拼图分系统m ，4 6 “。 声基阵通讯姒太一后置处理每拼田甘景氍 图2 6 实时处理分系统原理框图 f i g2 6b l o c kd i a g r a mo f r e a lt i m ep r o c e s ss u b s y s t e m 2 3 4 测深数据的定位与修正原理 多波束条带测深系统是一个高技术密集的复杂系统，测深过程是在一个 不断变化的平台进行，因此它需要实时积累各种相关的数据资料，包括波束 到达角、传播时间、声速数据、导航数据、涌浪数据等。测量数据的补偿与 修正通常需要复杂的运算，实际测量由于时间所限只能作简单的修正，精细 的补偿与修正需要在后置处理时进行m 3 “。 第2 章多波束条带测深系统组成及工作原理 方位 一 g p s 天线l 久j 。凯 - s 阵、。= 厂弋二3 涌浪滤波器 升沉i 图2 7 定位与修正示意图 f i g2 7s c h e m a t i cd i a g r a m o f l o c a t i o na n dc o r r e c t i n g 2 3 5 后置处理与拼图分系统工作原理 测量仪器总会有误差，因此条带测深仪采集的深度以及导航、定位与涌 浪数据都必须首先进行预处理，排除粗大误差。然后将这些数据进行融合， 最终形成测量点的三维地形参数( x ，y ，z ) 。数据后置处理的过程包括声线修 正、坐标变换和潮汐修正等，再进行地形拟合并建立数字地理模型，最终生 成各种数据成果图 3 0 , 3 1 。图2 8 是后置处理与拼图分系统的工作流程图m 1 4 ”。 图2 8 后置处理与拼图分系统工作流程 f i g2 8b l o c kd i a g r a mo fp o s t p r o c e s s a n dm o s a i cs u b s y s t e m 哈尔滨工程大学博士学位论文 2 4 条带测深系统小型化方案设计 设备小型化已成为多波束测深的中心议题。国产第一套多波束条带测深 系统的推出，标志着我国海洋测深技术己进入多波束测深时代，但还存在着 体积较大，安装携带困难的问题。此项问题目前急待解决。针对该状况，提 出的多波束条带测深系统小型化优化方案解决了应用中相关的技术关键。 2 4 1 系统组成 系统组成见图2 9 。它的声基阵是一个收、发共用的平面阵。平面阵的 空间增益比直线阵高得多，同等体积条件下，可有效增加工作深度。波束形 成器共有1 5 路，与接收机合为一体。为了节省成本，波束形成器由模拟电路 组成。1 5 路波束数据分为4 组( 其中垂直波束复用) ，每个深度解算周期只需 处理4 个波束信号，所以可直接由计算机进行解算显示，因而省去了价格昂 贵的信号处理器。每4 个深度解算周期组成1 个完整的工作周期。相控发射 机与激励信号源亦合为一体。主控计算机采用工控机，并配备标准的串行口。 用户自备的辅助测量仪器可通过该接口与设备连接。 2 4 2 系统设计指标 1 工作深度( h ) 2 测量覆盖宽度 图2 9 系统结构框图 f i g2 9s y s t e mb l o c kd i a g r a m 1 米一4 5 米 1 0 h 1 2 第2 章多波束条带测深系统组成及工作原理 3 波束宽度 l 。x 1 。( 垂直方向x 水平方向) 4 波束数1 5 个 5 测深精度 中心及邻近波束5 厘米o 5 ( 1 叮) 边缘波束5 厘米1 o ( 1 a ) 6 机箱尺寸4 2 0 x 4 4 0 x2 2 0 m m 3 7 换能器声基阵尺寸 声基阵最大尺寸大约3 0 0 r a m 声基阵重量大约1 5 公斤 2 4 3 方位旋转发射( r o t ) 根据测量覆盖宽度指标要求，本系统的工作扇面的宽度设计为2 6 6 。2 ， 对应l 倍水深。整个工作扇面被分为4 个扫描子扇面，每个子扇面内有4 个 波束，共1 6 个波束，其中垂直波束重复使用。 表1 波束控制角 子扇面 i1 i 波束号 1 35781 01 2 1 4 波束角( 度) 一2 6 6一1 9 o1 1 43 8o7 61 5 22 2 ，8 子扇面 i i i 波束号 246891 11 31 5 波束角( 度) 一2 2 81 5 27 6o3 8 l l4 1 9 o2 6 6 平面阵的发射波束是一个笔形波束， 周期发射4 个波束，一个子周期结束后， 作周期内子扇面连续旋转扫描发射4 次， 按i - - v i 的顺序旋转发射。每个子 进入下一个子周期。这样在每个工 称为方位旋转发射( r d t ) 工作方式。 哈尔滨工程大学博士学位论文 子扇面i子扇面i i o p 4 j ooo 。 子扇面i 子扇面i v 图2 1 0 方位旋转发射( r d t ) 示意图 f i g2 1 0s c h e m a t i cd i a g r a mo f r d t 在每个子周期内，计算机完成4 个波束的深度解算后自动触发，进入下 一个测量子周期。深度信息每个工作周期更新一次。所以，子周期的时间长 度是不固定的，而是随深度的变化而变化，称为自由工作周期。这种工作方 式计算机的触发信号被作为系统的同步信号使用，有利于测深作业与计算机 的运行速度相配合，提高数据率。实际系统中，工作周期的时间长度受到发 射信号占空比的限制，不能无限减小。本系统子周期的最小时间限定为0 1 秒。 2 4 4 信号脉宽 声纳设备当中最常用的信号波形是脉冲选通的单频连续波( c w ) ，这种信 号易于实现，在距离和多普勒方面有较好的分辨力。 信号脉冲宽度对工作深度有重要的影响。脉冲宽度愈长，则反向散射信 号的能量愈强，从而提高接收信号的信噪比1 。另一方面，脉冲宽度也受到 波束宽度及发射占空比的限制。工作深度愈小，限制愈明显，因此必须权衡 各方面因素综合考虑。本系统信号脉宽设计为0 1 5 、0 3 及1 0 毫秒三种。 它们与工作深度的对应关系见表2 。 表2 工作深度与发射信号 t a b l e2w o r k i n gd e o t ha n ds e n d i n gs i g n a li m p u l s ew i d t h 工作深度( m ) 信号脉宽( m s ) 2 一一1 0 o 1 5 1 0 一5 0 0 3 5 0 1 0 1 4 塑! 至查鎏塞叁堂型堡墨竺塑盛墨三堡垦堡 2 4 5 系统基阵设计 2 4 5 1 基阵尺寸估算 直线阵阵长与波束宽度的关系满足公式( 2 - 1 ) ， 口= 2 5 3 咒工( 2 - 1 ) 式中 e ：波束半开角( 一3 d b ) ：信号波长 l ：阵长 由式( 1 ) 可得阵边长计算公式： 三= 2 5 3 o( 2 - 2 ) 按设计要求，工作频率取4 0 0 k h z 以减小声基阵体积。由此计算出声波的 波长 = c f = 3 7 5 m m 。 由设计要求波束宽度等于1 。x1 。，可估算出基阵的边长l = 1 8 9 7 5 m m 。 2 4 5 2 窗函数设计 根据波束形成的理论，采用矩形窗加权的直线阵其旁瓣抑制能力理论上 只有约一1 3 d b ，远远达不到3 0 d b 的要求，所以必须采用适当的窗函数加权。 本系统的接收机及发射机都采用h a m m i n g 窗加权，以确保多波束发射与接收 时，旁瓣抑制达到设计要求。使用h a n n i n g 窗加权后，波束的宽度将会有所 展宽。为了保证设计宽度，基阵的尺寸需要相应加大到2 4 0 毫米。 图2 1 1h a m m i n g 窗加权 f i g2 11f r e q u e n c yr e s p o n s ef o rh a m m i n g w i n d o w 24 5 3 指向胜设计 哈尔滨工程大学博士学位论文 声基跨揆蠹缝设诗包瑟波紊塞发设诗与糖瓣位攘设计。簿元等游疆黪蕊 线阵波束图可以由公式( 2 - 3 ) 描述 l 3 7 1 。 i b ( 驯- 1 虢摊剖 陋。， 式中 唪：售号到达方向 。：波束控制角 d ：阵元趣疆 f ： 工作频率 醵： 簿元数 c ：声速 它是一个周期逶数，主瓣豹霞嚣爨瑗鸯翠= 审。蹙。姿 s i n g , _ s i 懒l = 搬詈，m = o a 2 ，( 2 - 4 ) 时主瓣重复出现，它就是栅瓣。式中 ：c f 为信号的波长，由式( 2 4 ) 可推 导出栅瓣位麓计算公式如下 秽= s i n 渺拳s i n 甄+ 拼书， s i n n - s 拄矿。 o 酣拼到8 淞 ( 2 驴卦s i n g - s i n * o t 4 ，则用品d 代替w ，重复以上迭代过程。如果s 棚的宽度大 于2 倍t 而小于4 倍t ，将s 棚在w 范围内向能量集中的一边作一次扩展，使 其宽度等于4 倍t ，并再迭代一次。因此能量中心窗口最后收敛的结果均为2 倍t ，该窗口的中心位置就是回波信号能量中心的粗略估计位置，即波束时延 的大概结果。在宽度为2 倍t 的能量中心收敛窗口中，将能量中心的估计位置 在窗口中作较精细的移动，使该位置两边的能量差值达到极小的时间位置就 是能量中心的精确位置，从而可以解算出深度数据 4 3 , 4 5 。 2 4 1 1 系统设计中的关键技术 ( 1 ) 测深范围研究 本论文所设计的小型化系统的工作深度( h ) 为1 米4 5 米，最浅处为1 米，在这种情况下，只凭接收到的信号用常规的处理方法很难做出判断。如 何解决这一问题呢? 在设计中，引入一个基准信号，基准信号可以通过试验的方法得到。实 际测量中，浅水处的回波信号同这一基准信号进行比较，从而可以做出正确 的判断。 ( 2 ) 工作频率的考虑 小型化条带测深仪的工作频率只有一个，为了适应更加广阔的应用范围， 例如要求测深设备分别适应清水水域和浑浊水域的测量情况，这时可以考虑 将系统设计成可以工作在两个不同的频率，以适应不同的工作环境，使设备 发挥更大的作用。 第2 苹多波束条带测深系统组成及 ：作原理 ( 3 ) 测深覆盖面问题 系统的测深覆盖宽度，按照设计要求仅为一倍海深。如果要求大覆盖宽 度，可以从以下几个方面考虑，提高发射声功率，减小基元间的距离，减小 波束宽度等，达到大覆盖的目的。 2 5 本章小结 本章介绍了条带测深系统的构成和工作原理，为条带测深系统各种测量 数据的分析打下了基础；并对多波束条带测深系统小型化方案进行研究，最 终给出小型化设计方案。 哈尔滨工程大学| 尊士学位论文 第3 章多波束数据的后置处理方法 3 1 引言 多波束数据的后置处理是为进一步提高测量精度而引入的室内数据处理 方法，即引入一些原则，对多波束测深数据进行再处理。 多波束测深系统是高级而复杂的海洋测深设备，在测量过程中，由于各种 因素的影响，数据不可避免地存在误差，这就需要在后置处理阶段，运用科 学有效的方法，对数据进行再处理，以得到高质量、高水平的数据，为海底 地形图的绘制做好准备 5 5 - 6 1 。下面首先介绍多波束数据的预处理技术。 3 2 多波束数据的预处理技术 3 2 1 粗大误差 粗大误差的数值比较大，它会对多波束测量结果产生明显的影响，一旦 发现含有粗大误差的测量值，应将其从测量结果中剔除。多波束测深系统是 一个复杂的海底测深设备，所连接的外部设备很多，在工作过程中还要受到 海况因素及各种噪声的影响，不可避免的要产生粗大误差。虽然产生粗大误 差的概率不大，但是如果不进行合理的处理，必将对系统的测量精度产生影 响。 3 2 1 1 粗大误差的产生原因 产生粗大误差的原因是多方面的，大致可归纳为 ( 1 ) 客观外界条件的原因 由于测量条件意外的改变( 如机械冲击、外界振动等) ，引起仪器示值或 被测对象位置的改变而产生粗大误差。 ( 2 ) 测量人员的主观原因 由于人为因素，或误操作，而造成了错误的读数或错误的记录，这也是 第3 章多波束数据的后置处理方法 产生粗大误差的原因。 3 ，2 1 2 判别粗大误差的准则 在判别某个测得值是否含有粗大误差时，要特别慎重，应作充分的分析 和研究，并根据判别准则予以确定。通常用来判别粗大误差的准则有： ( 一) 30 准则( 莱以特准则) 3o 准则是最常用也是最简单的判别粗大误差的准则，它是以测量次数充 分大为前提。对于某一测量列，