【《成像声呐及成像原理分析》2600字】

成像声呐及成像原理分析目录TOC\o"1-3"\h\u12237成像声呐及成像原理分析 118341.1引言 1108021.2侧扫声呐系统组成及功能 177921.3成像原理 2244871.4海洋噪声 4246691.5海洋环境噪声模型 71.1引言本文的研究对象为深海地貌声呐图像，它通常是由侧扫声呐获取的。我国从七十年代开始组织侧扫声呐的研制，其发展过程从单侧悬挂式到双侧双频拖曳式。根据发射信号形式，侧扫声呐分为单频、双频，单波束、多波束等类型。随着侧扫声呐发展技术越发成熟，现在的侧扫声呐已经可以显示微地貌形态和分布。1.2侧扫声呐系统组成及功能侧扫声呐的基本系统主要由声呐处理器、声呐接收机、电缆绞车、拖鱼等组成。具体系统图如图1.1所示。图1.1侧扫声呐系统基本组成声呐接收机负责发送和接收声波的回波强度，依据回波强度的不同，显示在图像上也会有所不同；声呐处理器负责将收集到的图像信息进行图像处理。绞车由绞车和吊杆组成，对拖鱼进行拖曳操作。绞车也有很多类型，一般根据工作环境而定，在浅海工作时，可以选用手动绞车；但在深海大船环境下，需要选用方便的电动绞车[35]。拖电缆一头连接电动绞车上滑环，另一头连接拖鱼。拖缆的主要作用是方便拖曳拖鱼工作，其次是传递信号。拖缆通常有轻型和铠装两种类型，用于较浅的海区选择轻型电缆，用于较深的海区选择铠装电缆。拖鱼分为鱼前部和鱼后部[36]，实例图如图1.2所示。鱼前部包括鱼头、换能器舱和拖曳钩等部分；鱼后部包括电子舱、鱼尾、尾翼等部分。图1.2拖鱼实例图1.3成像原理声学图像与光学图像在成像原理与机制上有着本质的区别，其分辨率和探测距离之间存在固有矛盾，较高的分辨率要使用脉宽较窄的信号，较远的探测距离则要求脉宽较宽的信号。多波束侧扫声呐在探测海底地形工作中可同时获取一整条测量线的数据，工作效率快，但到达深海时，单位面积内测点分辨率快速下降，工作不稳定。与多波束系统相比，侧扫声呐获得的海底声学图像的分辨率高，在深海区常采用拖曳作业模式、扫描线成像技术获得走航过程中的水下影像瀑布图，通过畸变校准、灰度均衡、拖鱼归位等处理[37]，获得高分辨率声呐图像。尽管侧扫声呐受其测量机理的制约不能直接获取海底地形深度信息及目标物的高度信息，但图像中隐含了大量的海底地形或目标物高度信息[38]。用于海底探测的侧扫声呐结构图如图1.3所示。图1.3侧扫声呐结构图本文主要对侧扫声呐图像进行研究，它是一种灰度图像，本来没有颜色信息，但可以通过后期对灰度图像进行伪彩色处理，提高目标物的辨识率。侧扫声呐图像中像素灰度值的大小与水底物质反射声波的强弱有关。若灰度值较大，则发射的声波遇到水底物质是硬而凸起的，回波强度大；若灰度值较小，则换能器发射的声波遇到水底的物质是软并且凹下去的，回波强度弱；图像上若没有显示像素点灰度值，则在探测过程中有部分水底被遮挡，声波没有到达底部，故没有回波；侧扫声呐在移动过程中，由于覆盖距离有限，所以越远的地方回波强度越弱，如图1.4所示。图1.4侧扫声呐成像原理1.4海洋噪声复杂的水下环境导致声呐图像受到的噪声干扰要比一般图像强得多，主要噪声包括海洋环境噪声、混响噪声以及自噪声。受噪声影响，声呐图像分辨率较低，目标边缘模糊，对比度较低[39]。为了达到满意的去噪效果，提高声呐图像的辨识度，首先需要分析影响声呐图像质量的噪声[40]，噪声来源以及影响程度如下：海洋环境噪声。海洋环境噪声是海洋运动过程中普遍存在的固有声场，不会因任何因素产生改变，并且影响声呐系统探测、定位以及潜艇在探测过程中的隐蔽性。它不包括由附近舰船、海洋生物或阵雨引起的瞬态声音，也不包括一切形式的自噪声[41]。文献[42]的实测数据表明深海下的环境噪声谱相对稳定，在不同风速和海况下测得环境噪声谱，如图1.5所示。图1.5水下综合环境噪声谱在图1.5中，1、2、3、5、8表示风级；低于1Hz的谱线图表示海水静压力效应；在1Hz以上低于20Hz的谱线1和2表示湍流噪声；右下方的虚线表示海水分子运动的热噪声；在100Hz以上的高频段，海洋环境噪声与海面风速具有很好的相关性。文献[43]中提到由于潮汐或波浪运动造成的静压力会产生极低频的海洋环境噪声，浮标平台附近水面航船对200Hz∼1.6kHz频段范围内海洋环境噪声谱级影响较显著。另外，除水面航船影响时间点外，在100Hz以上的高频段，海洋环境噪声谱级约以−4dB∼7dB每倍频程的规律下降，符合典型风关噪声变化规律。混响噪声是一个随机过程[44]，其概率密度函数服从瑞利分布，相位特征服从均匀分布。混响是由声呐设备发射声波过程中，声波经由海水中各类复杂粒子的散射以及海底不平物体的散射叠加产生的，海底中的物质包括泥沙、岩石、沉船等未知物体。声波在深海（0~4000米）中的传播速度如图1.6所示。图1.6深海声速剖面图由图1.6可以看出，声速在海洋内部呈正梯度，探究其原因，是由于声速到达海洋一定深度后，温度很低，对声速的影响基本消失。因此，在深海环境下，不需要考虑声速影响。廖鹏[43]在研究海底散射时，得到的测量结果显示岩石的混响比泥沙的混响严重，海底的混响程度比海面的混响程度严重，可想而知，海底的散射程度和海底地质有关。而海底混响程度大的原因主要在于海底中传播介质复杂，每一种介质都是独立存在的，散射程度各不相同，在海底中形成复杂的散射过程，尤其在浅海环境中表现尤为明显。受混响噪声影响，声呐图像的像素值随机起伏，像素值和平均值相比，有的像素更亮，而有的像素更暗，出现颗粒状大小的黑白相间的纹理。自噪声。自噪声是由船只装载体以及声呐设备本身产生的噪声干扰。侧扫声呐设备工作时发射的超声波频率通常在100kHz到2MHz，频率越高越容易获得更好的分辨率，但将侧扫声呐的声波频率调整到1.5MHz之后，侧扫声呐获得的图像不仅没有提高辨识度，反而侧扫区域变窄了，降低了侧扫声呐的工作效率。因此，频率的设置可根据需求设定。综上所述，在深海环境下，噪声对声呐图像质量影响最大的是海洋环境噪声，因此本文在研究声呐图像去噪技术时，只考虑海洋环境噪声[45]。1.5海洋环境噪声模型海洋环境噪声通常采用统计学参数来描述，功率谱函数[45]表示各个噪声频率分量的平均强度。表达式为：（1.1）其中，代表集合的平均。噪声谱级单位为。噪声级[45]表示在加性干扰的信道中环境噪声强度，定义为：（1.2）是水听器工作带宽内噪声总声强，定义为：（1.3）式中，是噪声功率频谱的密度函数，定义如式（1.4）所示：（1.4）在水听器工作带宽范围内是均匀的前提下，可以得出：（1.5）根据和之间的关系求得：