胡 俊吳永亭豆虎林李治遠(yuǎn)

(自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061)

目前,換能器設(shè)計(jì)、數(shù)字電路、信號(hào)處理、定位定姿、圖形顯控等技術(shù)的發(fā)展使得電子多波束測(cè)深系統(tǒng)(Multibeam Echosounder,MBES)的綜合性能較20世紀(jì)有了飛躍式的提升,多波束已成為海底地形地貌調(diào)查的常規(guī)水下聲學(xué)設(shè)備[1]。長(zhǎng)久以來,隨水深一同獲取的后向散射回波強(qiáng)度僅僅被當(dāng)作水深的附屬數(shù)據(jù),后來研究人員發(fā)現(xiàn)后向散射強(qiáng)度與體積非均質(zhì)性(沉積物粒徑、生物擾動(dòng)、地質(zhì)分層)和界面粗糙度(海底基質(zhì)、微地形、地貌等)有關(guān),包含著定性或定量的海底底質(zhì)類型或組成等信息[2-3],這使得基于多波束的聲學(xué)底質(zhì)分類逐漸成為海洋聲學(xué)底質(zhì)探測(cè)的重要方法和手段[4],并應(yīng)用于海底生物環(huán)境制圖[5-6]。多波束后向散射信號(hào)是水面、水體、海底以及各種噪聲源的綜合散射信號(hào),還受多波束系統(tǒng)聲源級(jí)、發(fā)射接收指向性和接收靈敏度影響,為了得到海底的固有散射強(qiáng)度信息,必須消除這些影響。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)后向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)的處理已進(jìn)行了廣泛研究[7-11],但提出的數(shù)據(jù)處理方法多是針對(duì)某一特定項(xiàng)改正,且處理過程中忽視了聲吶系統(tǒng)本身的特性,然而對(duì)于不同的聲吶系統(tǒng)、不同調(diào)查目的和不同測(cè)量環(huán)境下所獲取的Snippet數(shù)據(jù)在處理方法上存在差異,即使是同一艘船上的同一個(gè)多波束聲吶對(duì)同一區(qū)域在不同時(shí)間和不同航向掃測(cè)得到的后向散射強(qiáng)度仍然差別很大。業(yè)界缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的Snippet數(shù)據(jù)獲取方法和處理流程,且多波束硬件和軟件廠商未提供詳細(xì)的解釋文檔和資料,這些都限制了后向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)的進(jìn)一步利用。為此,本文從聲吶方程出發(fā),針對(duì)Kongsberg EM 系列多波束系統(tǒng)詳細(xì)論述了聲波從發(fā)射到接收過程中經(jīng)過的一系列處理,給出了一套完整的數(shù)據(jù)后處理流程,同時(shí)對(duì)EM 實(shí)時(shí)改正模型進(jìn)行了分析和改進(jìn),最后利用實(shí)測(cè)EM2040數(shù)據(jù)對(duì)提出方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 Snippet數(shù)據(jù)處理流程

單位面積海底固有散射強(qiáng)度BS f(β)與3個(gè)因素有關(guān):海底底質(zhì)類型(孔隙度、粗糙度和粒徑等)、聲波的發(fā)射頻率f、聲波到達(dá)海底的入射角β[12];而多波束聲吶記錄的回波強(qiáng)度RL是原始聲吶信號(hào)經(jīng)水體、海底和聲吶系統(tǒng)共同作用后的結(jié)果,目標(biāo)散射強(qiáng)度TS不但取決于海底的固有散射強(qiáng)度,還與瞬時(shí)反射面積有關(guān)[12]:

式中:RL為接收聲源級(jí),SL為發(fā)射聲源級(jí),TL為傳播損失,A為聲照面積,DT為發(fā)射指向性,DR為接收指向性,SH為接收靈敏度,G R為接收增益。因此,多波束后向散射強(qiáng)度處理的本質(zhì)就是從記錄的回波強(qiáng)度RL中恢復(fù)單位面積海底固有散射強(qiáng)度BS f(β),這個(gè)過程稱為輻射校正。

1.1 與聲吶系統(tǒng)相關(guān)的改正

與聲吶系統(tǒng)相關(guān)的改正分為接收增益改正和與換能器特性相關(guān)的改正(聲源級(jí)、發(fā)射接收指向性和接收靈敏度)。接收增益包括信號(hào)AD(數(shù)字和模擬)轉(zhuǎn)換之前和之后施加的固定和時(shí)變?cè)鲆?TVG),目的是補(bǔ)償聲波的球面?zhèn)鞑p失和水體的吸收損失,以保持回波信號(hào)在AD 轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)從而實(shí)現(xiàn)正確底跟蹤。對(duì)于不同的多波束系統(tǒng),其采用的增益方法和實(shí)施階段都不相同,最簡(jiǎn)單的一種增益方式為[13]

式中:R為斜距;G R的補(bǔ)償范圍比較模糊,主要用于水體圖像的實(shí)時(shí)顯示。

多波束采集軟件通常會(huì)允許用戶實(shí)時(shí)設(shè)置參數(shù)A,B和C并記錄在采集文件中,因此在后處理時(shí)需要將Snippet回波信號(hào)中的接收增益精確移除,回波信號(hào)經(jīng)過增益移除后的回波強(qiáng)度為

多波束測(cè)深儀廠商會(huì)提供聲源級(jí)參數(shù),換能器接收靈敏度、發(fā)射和接收指向性可以通過水池實(shí)驗(yàn)獲得,但會(huì)因安裝質(zhì)量、電器元件性能以及使用環(huán)境而存在差異,且隨著多波束的使用時(shí)長(zhǎng)而發(fā)生改變。通常測(cè)量聲源級(jí)、發(fā)射指向性、接收指向性和接收靈敏度的聯(lián)合作用稱為聲強(qiáng)校準(zhǔn),得到的結(jié)果稱為波束指向性模型(Beam Pattern,BP)。單波束和分裂波束魚探儀可以用反射強(qiáng)度已知的金屬(銅或鎢)球校準(zhǔn),但是這種方法難以應(yīng)用于多波束,原因是多波束波束角太小、開角太大、工作頻率和模式太多,且校準(zhǔn)要求極好的海況。因此目前還沒有合適的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法[14-15],實(shí)際作業(yè)時(shí)仍采用硬件出廠時(shí)的BP參數(shù)。BP與波束發(fā)射接收角和姿態(tài)補(bǔ)償有關(guān):對(duì)于無姿態(tài)補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng),BP的參考波束角是相對(duì)于-3 d B聲軸的;而對(duì)于有姿態(tài)補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng),其是相對(duì)于豎直面的。經(jīng)過改正后的回波強(qiáng)度為

1.2 與水體和海底特性相關(guān)的改正

與水體有關(guān)的改正TL項(xiàng)分為球面?zhèn)鞑p失和水體的吸收損失,均與斜距R有關(guān)[13]:

式中:α為吸收系數(shù),其不僅與頻率有關(guān),還與溫度、壓力、鹽度、p H 有關(guān);c為聲速;t為雙程傳播時(shí)間。

表1為常用聲吶頻率對(duì)應(yīng)的海水吸收系數(shù)。通常多波束采集軟件會(huì)根據(jù)輸入的CTD(溫鹽深)剖面或聲速剖面結(jié)合平均鹽度和發(fā)射頻率計(jì)算出對(duì)應(yīng)深度的平均吸收系數(shù),EM 多波束在不同發(fā)射扇區(qū)發(fā)射頻率是變化的,因此不同扇區(qū)的吸收系數(shù)有差異[16]。

表1 常用聲吶頻率對(duì)應(yīng)的海水吸收系數(shù)[17]Table 1 Absorption coefficients of seawater corresponding to commonly used sonar frequencies[17]

目標(biāo)散射強(qiáng)度TS是波束脈寬覆蓋的區(qū)域體散射量,為得到單位面積固有散射強(qiáng)度BS f(β),需進(jìn)行聲照面積改正,其關(guān)鍵在于準(zhǔn)確計(jì)算出波束打到海底的實(shí)際照射面積A[18],經(jīng)過改正后的回波強(qiáng)度為

EM 多波束為了在達(dá)到更大量程的同時(shí)保持距離分辨率,在邊緣扇區(qū)使用了FM(線性調(diào)頻)信號(hào),FM技術(shù)使用匹配濾波的結(jié)果會(huì)導(dǎo)致脈寬被壓縮,其用于聲照面積改正的等效脈寬τeff為

式中:BW為對(duì)應(yīng)扇區(qū)的帶寬,并且需要考慮由于匹配濾波而增加的信噪比:

式中:T為對(duì)應(yīng)扇區(qū)的脈沖發(fā)射時(shí)間,通常為第一個(gè)脈沖的發(fā)射時(shí)間加上扇區(qū)時(shí)延。因此實(shí)際測(cè)量時(shí)為了獲得高質(zhì)量的圖像數(shù)據(jù)盡量使用CW 信號(hào)代替FM 信號(hào)。此外,還需要考慮地形的影響,Lurton用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在局部微觀地形的作用下,從不同方向掃測(cè)得到的后向散射強(qiáng)度差異最大可達(dá)到11 dB[19];然而基于相鄰波束點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算得到的地形傾角誤差太大,通過導(dǎo)入水深DEM 估計(jì)航跡向地形傾角和垂直航跡向地形傾角是Caris等后處理軟件所采用的方法。本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)、直接對(duì)不經(jīng)過地形改正的RL3回波信號(hào)采用最大脈寬τ對(duì)應(yīng)的分辨率cτ/2進(jìn)行基于掃描填充法的地理編碼格網(wǎng)成圖,按照距離倒數(shù)加權(quán)動(dòng)態(tài)更新每個(gè)格網(wǎng)的水深信息和強(qiáng)度信息,待所有Snippet點(diǎn)掃描完畢,計(jì)算每個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)的坡度信息并進(jìn)行地形傾角改正。

1.3 角度響應(yīng)改正

Snippet數(shù)據(jù)處理結(jié)果分為回波強(qiáng)度-角度響應(yīng)曲線和去角度響應(yīng)的地理編碼圖像,前者主要用于ARA(Angular Range Analysis)反演底質(zhì)類型,而地理編碼圖像對(duì)灰度均一性有較高的要求。經(jīng)過輻射校正后的回波強(qiáng)度表現(xiàn)出與波束入射角相關(guān)的特點(diǎn),比較常見的現(xiàn)象就是中央波束在圖像上呈現(xiàn)明顯的亮區(qū)異常,因此將回波強(qiáng)度表達(dá)為與入射角無關(guān)的量的過程稱為角度響應(yīng)改正。實(shí)際上角度響應(yīng)特征是不同海底底質(zhì)類型的固有特性,無法通過模型完全消除,比較合適的做法是將不同入射角下的回波強(qiáng)度歸一化到某一參考角度或某一參考角度范圍內(nèi)的平均回波強(qiáng)度,即AVG 改正,具體改正步驟:

1)縱向選擇連續(xù)的底質(zhì)類型一致的子區(qū)數(shù)據(jù)段;

2)橫向上基于一定的角度分辨率(通常為1°)統(tǒng)計(jì)每個(gè)角度下對(duì)應(yīng)的平均回波強(qiáng)度得到角度-強(qiáng)度查找表;

3)在角度-強(qiáng)度查找表中選擇某一參考角度或某一參考角度范圍內(nèi)的平均強(qiáng)度作為整個(gè)區(qū)段的參考回波強(qiáng)度基準(zhǔn)值;

4)將原始回波強(qiáng)度減去角度-強(qiáng)度查找表中的平均強(qiáng)度再加上整個(gè)區(qū)段的參考回波強(qiáng)度基準(zhǔn)值得到最終的回波強(qiáng)度。

其中步驟2)得到的角度-強(qiáng)度查找表也可以用擬合的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ颓€代替[20]或分段擬合直線代替[21]。此方法的難點(diǎn)在于分段長(zhǎng)度的選取:選擇較長(zhǎng)的連續(xù)ping數(shù)據(jù)段能夠降低統(tǒng)計(jì)誤差,增加橫向上的平滑性,但是容易將不同的底質(zhì)類型混合造成圖像縱向上的“假象”;而選擇較短的ping數(shù)據(jù)段則會(huì)導(dǎo)致橫向上灰度不連續(xù)。通常做法是統(tǒng)計(jì)改正ping前后各一段的角度響應(yīng)曲線進(jìn)行移動(dòng)平均。聲照面積改正、地形傾角改正、BP 改正均與入射角相關(guān),其改正殘余量會(huì)同BS f(β)耦合在一起共同參與AVG 改正,但是與入射角無關(guān)的不正確的固定增益和過度的TVG 增益會(huì)導(dǎo)致AVG 改正不徹底。與掃描發(fā)射多波束(如Sea Beam 系列多波束)不同的是EM 多波束采用扇區(qū)發(fā)射的方式導(dǎo)致其不能直接采用基于全波束角范圍內(nèi)的AVG 改正,需要考慮相鄰扇區(qū)之間的聲源級(jí)差異,因此實(shí)際改正時(shí)需要分扇區(qū)進(jìn)行角度響應(yīng)統(tǒng)計(jì)和改正。

將Snippet數(shù)據(jù)處理流程分為4步3階段(圖1):通過對(duì)原始數(shù)據(jù)解碼獲得初始回波強(qiáng)度RL結(jié)合聲吶系統(tǒng)特性進(jìn)行相關(guān)改正得到與聲吶系統(tǒng)無關(guān)的回波強(qiáng)度RL1;再通過物理模型改正去掉水體和海底特性的影響得到與入射角相關(guān)的回波強(qiáng)度RL2;利用RL2進(jìn)行角度響應(yīng)分析和改正得到某一參考角度下的回波強(qiáng)度RL3,最后地理編碼成圖并去掉地形的影響。

圖1 Snippet數(shù)據(jù)處理流程Fig.1 Flow chart of snippet data processing

1.4 EM 模型改進(jìn)

對(duì)于Kongsberg EM 多波束,all文件記錄的Snippet回波強(qiáng)度已經(jīng)過聲源級(jí)、接收靈敏度、接收增益、發(fā)射接收指向性、水體吸收損失、聲照面積和AVG 改正。EM 多波束在采集端使用的實(shí)時(shí)改正模型[18]:

式中:BS N為垂直入射時(shí)的平均后向散射強(qiáng)度,BS0為波束角等于T(鏡面反射和Lambert反射臨界角)時(shí)的平均后向散射強(qiáng)度,其中k=1/cosT,s=R/R I,R I為波束垂直入射時(shí)的距離,R為斜入射距離,T可在EM多波束采集軟件SIS中手動(dòng)設(shè)置,默認(rèn)值為6°。此外,EM 多波束使用了內(nèi)置的BP改正模型,相關(guān)參數(shù)記錄在甲板單元PU 的BSCorr.txt文件中(可通過ftp下載或修改該文件)。

EM 多波束在采集端進(jìn)行了所有改正,其得到的后向散射強(qiáng)度近似接近于海底固有散射強(qiáng)度。因此,通常情況下EM 多波束用戶可以直接利用all文件的圖像數(shù)據(jù)而不經(jīng)過任何改正;但是EM 的改正模型過于簡(jiǎn)單,難以適用于復(fù)雜的底質(zhì)類型和特殊地形,因此進(jìn)行了改進(jìn):

1)移除接收增益GO1,該參數(shù)記錄在all文件的安裝包中;

2)根據(jù)底檢測(cè)質(zhì)量因子,對(duì)底跟蹤失敗導(dǎo)致斜距R估算錯(cuò)誤的波束依據(jù)式(5)重新做傳播損失和吸收損失修正;

3)EM 聲照面積改正忽略了地形的影響,按照本文1.2節(jié)中提出的方法增加地形傾角改正;

4)AVG 改正中,EM 將整個(gè)反射區(qū)分為小入射角區(qū)(線性模型)和漫反射區(qū)(Lambert模型),由于是實(shí)時(shí)改正,EM 只能基于前向數(shù)據(jù)估計(jì)垂直入射和斜入射的參考回波強(qiáng)度,因此需要移除EM 模型中的Lambert改正項(xiàng),然后基于前后ping分扇區(qū)按照1.3節(jié)中的方法進(jìn)行角度響應(yīng)改正。

至于BP改正,若無條件做聲強(qiáng)校準(zhǔn)(Amplitude Calibration)得到準(zhǔn)確的BP模型,不建議重新改正。

2 試驗(yàn)與分析

為驗(yàn)證本文提出方法的實(shí)用性,選取Kongsberg淺水多波束EM2040采集的all格式數(shù)據(jù)應(yīng)用本文提出的方法進(jìn)行處理;EM2040數(shù)據(jù)選自Kongsberg官方示例的沉船數(shù)據(jù)和黃海的一個(gè)被打撈過的沉船區(qū)域數(shù)據(jù)。EM 官方示例數(shù)據(jù)的沉船位于測(cè)線航跡正下方,整個(gè)條帶水深范圍為23.8～25.2 m,地形較為平坦,沉船的擠壓導(dǎo)致附近區(qū)域地形略微下陷。所用2040波束脈寬為50μs,Lambert臨界角為10°,經(jīng)過解碼、水深融合等一系列常規(guī)處理后,采用0.055 m 的分辨率直接對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描填充的地理編碼法生成圖像(圖2a),圖2a中沉船清晰可見。但是EM 不準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)改正模型造成了圖2a和2b中沿航跡方向在左右舷10°附近出現(xiàn)連續(xù)的“暗線”異常,沉船的回波強(qiáng)度(區(qū)段2)與地形的回波強(qiáng)度(區(qū)段1和3)有明顯的差異,從圖3中的AR(Angular Response)曲線可以看到區(qū)段1和3的回波強(qiáng)度保持在-30 dB上下的水平,而區(qū)段2的回波強(qiáng)度范圍為-45～-10 dB,導(dǎo)致在船尾和船首附近區(qū)域橫向上的灰度過度不均衡,圖像上呈現(xiàn)出明顯的分界線。為此,通過移除EM 的接收增益和lambert模型,利用地理編碼時(shí)生成的等分辨率DEM 做地形改正及傳播損失和吸收損失修正,然后重新成圖得到圖2b,實(shí)現(xiàn)了整個(gè)圖像橫向上的灰度均衡。但是天底方向的“暗線”仍然存在,采用前后各15 ping的移動(dòng)窗分3個(gè)扇區(qū)對(duì)圖像做AVG 改正(圖2c),由圖2c可知圖2a和圖2b中的“暗線”得到消除,而且沉船附近的灰度與整個(gè)條帶灰度更加一致。

圖2 EM2040官方沉船數(shù)據(jù)Snippet圖像處理結(jié)果對(duì)比Fig.2 Comparison of processing results of Snippet images of official sunken ship data collected by EM2040

為了說明改正效果,統(tǒng)計(jì)了區(qū)段1和區(qū)段2改正前后的角度響應(yīng)曲線,如圖3b和3c所示,原始回波強(qiáng)度在左右舷10°和45°(邊緣扇區(qū)和中央扇區(qū)分界角)附近存在“跳變”,經(jīng)過分扇區(qū)AVG 改正后該現(xiàn)象得以消除,回波強(qiáng)度在整個(gè)開角范圍內(nèi)趨于一致。表2為原始數(shù)據(jù)成圖和校正后圖像的平均回波強(qiáng)度、標(biāo)準(zhǔn)差和熵值對(duì)比,校正后的圖像保持了原來的回波強(qiáng)度水平,但是標(biāo)準(zhǔn)差明顯減小,整個(gè)圖像的回波強(qiáng)度分布更加均勻。而熵值的減小是由于AVG 改正的平均效應(yīng)模糊了圖像細(xì)節(jié),這表明AVG 改正后的圖像不利于目標(biāo)識(shí)別,但是能顯著消除或削弱入射角對(duì)回波強(qiáng)度的影響。

表2 原始數(shù)據(jù)所成圖像和校正后圖像對(duì)比Table 2 Comparison of images generated from original data and corrected image

圖3 原始數(shù)據(jù)和校正后數(shù)據(jù)的角度響應(yīng)曲線Fig.3 Angular response curves of original data and corrected data

為驗(yàn)證本文所提出的方法在多條帶中的應(yīng)用,將黃海某一區(qū)域的EM2040校準(zhǔn)數(shù)據(jù)按照?qǐng)D1 中的方法進(jìn)行處理得到圖4,由圖4中可知,本文提出的方法不僅能有效地消除中央?yún)^(qū)域“亮區(qū)”異常和扇區(qū)間的灰度不均衡,還能削弱拼接痕跡。在處理過程中發(fā)現(xiàn):AVG 改正時(shí)波束入射角需顧及橫搖姿態(tài)角的影響,否則會(huì)導(dǎo)致圖像邊緣部分產(chǎn)生畸變;地理編碼時(shí)可同時(shí)生成等分辨率的DEM,視地形平坦程度決定是否做地形校正。Kongsberg 目前還未給用戶提供EM2040的內(nèi)置BP 模型,因此BP的修正只能與AVG 改正一同處理。

圖4 多條帶Snippet圖像處理結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of processing results from multiple swaths

3 結(jié) 語(yǔ)

多波束后向散射強(qiáng)度的處理不僅需要顧及聲吶系統(tǒng)本身的特性,還需要考慮到水體介質(zhì)的作用以及海底目標(biāo)的散射特征。不同多波束硬件系統(tǒng)有各自的后向散射強(qiáng)度處理流程和方法,本文以Kongsberg EM多波束為例,提出了一套標(biāo)準(zhǔn)化的Snippet數(shù)據(jù)處理流程,將數(shù)據(jù)處理分為采集、后處理、應(yīng)用三個(gè)層次,將回波強(qiáng)度的處理水平分為4個(gè)階段。針對(duì)EM 實(shí)時(shí)改正模型無法應(yīng)對(duì)復(fù)雜的海底底質(zhì)類型和特殊地形的情形,提出了相應(yīng)的后處理改進(jìn)方法和建議,并對(duì)典型EM2040實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理,結(jié)果表明本文的方法能夠有效消除Snippet回波信號(hào)中的輻射畸變,顯著提高圖像質(zhì)量。受多波束系統(tǒng)BP改正不完善和AVG 校正不徹底的限制,目前還沒有更好的辦法能直接獲取反應(yīng)海底底質(zhì)類型的純散射強(qiáng)度,所生成的圖像都是基于某一特定入射角或某一入射角區(qū)間的參考回波強(qiáng)度。盡管我們獲得了大量的海底散射數(shù)據(jù),但是卻無法統(tǒng)一量化標(biāo)準(zhǔn),只能寄希望于未來的多波束硬件和軟件在處理流程和方法上進(jìn)行改進(jìn),并找到合適的多波束聲強(qiáng)校準(zhǔn)方法。

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