多子阵多波束海底地形地貌一体化探测技术

1、,刘晓,李海森, 周天,徐超,么彬 水声技术重点实验室 sidescan,多子阵多波束海底地形地貌 一体化探测技术,研究背景,1,2,主要内容,测深,1.多波束测深声呐的应用 作为一种高效、高精度的海洋勘测设备，具有可同时测深和海底声呐成像的优点。特别是近年来其成像结果在海底生境调查、底质分类等研究中都得到了广泛的应用,声呐成像,沙底上的海草,暗礁上的藻类,测深,2.利用多波束测深声呐进行海底成像的主要方法,3.三种方法对比,优 势,劣 势,成像质量受地形起伏影响较大,Snippet法,避免了声强数据与测深数据的融合问题，能同时获得高分辨率的声呐图像。,当前研究热点,3. Snippet法成像

2、质量受地形起伏影响较大原因分析,传统的多波束测深算法（如幅度、相位检测法）只能估计出波束主轴方向检测点的空间位置，所以Snippet法中除波束主轴方向其他声强样本的空间位置是通过假设波束内为平海底情况得到，当波束内的地形存在起伏时，解算的检测点的位置与实际情况存在误差，使得声强数据与测深数据不能准确地一一对应。,Snippet法原理几何示意图,1、方法概述,二、多子阵多波束海底成像方法,利用多子阵检测法获得的高精度、高空间分辨率TOA-DOA序列估计各海底检测点的空间位置和回波强度，并考虑水声环境以及角度的影响对成像数据进行修正，以生成高质量的声纳图像。,2、多子阵检测法,（1）将接收基阵划分

3、成L个重叠子阵，对每一个子阵都分别进 行空间波束形成； （2）求不同子阵同号波束之间的相位差； （3）对不同子阵同号波束的输出相位序列进行最小二乘拟合，估计相位斜率K ； （4）求解回波DOA： 其中，n代表采样时刻，即回波TOA。 （5）图像变换。,二、多子阵多波束海底成像方法,3、空间位置解算,在声速已知的前提下，利用多子阵检测法估计得到的DOA和TOA可计算海底深度和水平距离，即,二、多子阵多波束海底成像方法,但由于声波穿透水体到达海底经历的各个水层中的声速间存在差异，导致了实际的声波传播路线非直线，因此海底检测点处的空间位置并不能用三角关系进行简单的计算，而需要在声速剖面基础上，采用层

4、追加的方法来解算各检测点相对于船体坐标系的坐标位置。,3、空间位置解算,二、多子阵多波束海底成像方法,层内常梯度声线跟踪示意图,将传播时间逐层累加并与实际测量的单程传播时间进行比较判断传播层数，解算各海底检测点相对于基阵中心的水平位移和垂直深度。再结合基阵的GPS数据与测量船的姿态信息就可以估计出检测点的空间位置坐标，即地形信息 。由于海底各检测点是利用多子阵检测法得到的实际测点，所以避免了“snippet”方法中当波束内的地形存在起伏时解算的检测点位置与实际情况存在误差的问题 。,4、回波强度估计,二、多子阵多波束海底成像方法,回波强度估计原理示意图,对利用多子阵检测法所得的DOA-TOA序

5、列中进行搜索，设有H个角度在 内,并将其记为 ，相对应的TOA记为 （j=1,H）。由于每个采样时刻的回波信号都由大量的海底散射点组成，所以利用得到的TOA对波束输出信号进行采样，得到H个长度等于发射脉宽长度的幅度时间序列，并由此估计各检测点的回波强度。,对接收阵进行多波束形成，利用每个接收窄波束的输出信号对回波强度进行估计。考虑到基阵波束指向性对接收信号幅度的影响，只保留半功率点波束宽度范围内的波束输出信号用于估计。,1、方法概述,二、多子阵多波束海底成像方法,利用多子阵检测法获得的高精度、高空间分辨率TOA-DOA序列估计各海底检测点的空间位置和回波强度，并考虑水声环境以及角度的影响对成像

6、数据进行修正，以生成高质量的声纳图像。,声波在传播过程中受到传播损失、波束指向性、有效声照射面积、系统处理增益等因素影响，计算得到的回波强度并不能直接反映海底地貌特征，因此在实际测量中需对它们进行补偿以获得实际海底反向散射强度,5、海底反向散射强度估计,二、多子阵多波束海底成像方法,声呐方程：,其中， 是参考声强；SL 是声源级； BS是海底反向散射强度。,TL 是传播损失，主要原因包括扩展损失和吸收损失 ：,D 是波束指向性：,G是系统处理增益，由实际测量获得。,5、海底反向散射强度估计,二、多子阵多波束海底成像方法,A是有效声照射面积。,有效声照射面积为二者的相交部分，即,有效声照射面积示

7、意图,发射阵平行航迹方向波束宽度 接收阵垂直航迹方向波束宽度 R 基阵到海底的距离,将上述得到的各变量值代入到声呐方程便可计算出BS，即地貌信息。,1、方法概述,二、多子阵多波束海底成像方法,利用多子阵检测法获得的高精度、高空间分辨率TOA-DOA序列估计各海底检测点的空间位置和回波强度，并考虑水声环境以及角度的影响对成像数据进行修正，以生成高质量的声纳图像。,由于反向散射强度有很强的角度关系，如果直接成像将无法区分是海底特征还是入射角度对反向散射强度产生了影响，这会导致成像效果不理想，所以在最终成图之前需要将其消除,二、多子阵多波束海底成像方法,6、角度关系修正,采用一种经验修正方法，对整个

8、航迹测得的反向散射强度角度趋势进行平均处理，具体表示为,为上述所有数据的平均值,为角度是 时反向散射强度数据的平均值，加此项的目的是使修正结果可以与其他修正方法更好地相比较。,为在 度处取样窗内的所有反向散射强度数据,1、方法概述,二、多子阵多波束海底成像方法,利用多子阵检测法获得的高精度、高空间分辨率TOA-DOA序列估计各海底检测点的空间位置和回波强度，并考虑水声环境以及角度的影响对成像数据进行修正，以生成高质量的声纳图像。,将修正后的反向散射强度数据通过量化处理得到各检测点的灰度值，结合其的空间位置信息便可得到海底声呐图像,三、算法测试结果,1、实验系统,多波束测深声呐系统组成图,2009年吉林松花湖大坝前开阔水域水下地形图,三、算法测试结果,2、算法性能验证,WMT 法估计结果,多子阵检测法估计结果,WMT法在一个波束内只能获得一个测量值，而多子阵检测法可以对海底进行近似连续的测量，所以在各个波束内可获得大量的回波强度值在横向测量区域密集地分布，从而具有较好的成像分辨能力。,3、角度关系修正,反向散射强度数据测量值及角度关系修正结果,三、算法测试结果,三、算法测试结果,4、湖底地貌测量,松花湖某一航迹测区的湖底地貌图像,三、算法测试结果,5、湖底地貌测量,测区的湖底地形地貌一体化表征,（1）将多子阵检测法成功的应用到海底成像技术中，并对成像数据进行了修正，获得的