關(guān)于海洋測(cè)繪中測(cè)深技術(shù)的探討

1、<p>　　關(guān)于海洋測(cè)繪中測(cè)深技術(shù)的探討</p><p>　　摘要：本文作者分析并介紹了海洋測(cè)繪多波束系統(tǒng)的現(xiàn)狀，闡述了系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，供大家參考。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：海洋測(cè)繪；多波速；測(cè)深技術(shù)；探討 </p><p>　　中圖分類號(hào)：P229.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)： </p><p>　　多波束測(cè)深聲納系統(tǒng)通過在

2、指定空間預(yù)成多個(gè)波束，當(dāng)目標(biāo)回波信號(hào)入射到線列陣時(shí)，通過多個(gè)波束響應(yīng)向量對(duì)基陣接收信號(hào)進(jìn)行相位或時(shí)延加權(quán)補(bǔ)償，即可確定出信號(hào)的入射方向，并里用能量中心收斂法對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理、計(jì)算，繼而判斷出目標(biāo)的方位。從以上工作原理部分的介紹可以看出， 多波束條帶測(cè)深技術(shù)是一種綜合水聲、衛(wèi)星通訊、儀器儀表、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)。通過對(duì)多波束測(cè)深現(xiàn)狀和數(shù)據(jù)處理等方面的分析，希望對(duì)我國未來海洋多波束測(cè)深做出貢獻(xiàn)。 </p><p&

3、gt;　　一、多波束測(cè)深系統(tǒng)理論概述 </p><p>　　多波束測(cè)深是水聲技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)和數(shù)字化傳感器技術(shù)等多種技術(shù)的高度集成。測(cè)深時(shí)，載有多波束測(cè)深系統(tǒng)的船，每發(fā)射一個(gè)聲脈沖，不僅可以獲得船下方的垂直深度，而且可以同時(shí)獲得與船的航跡相垂直的面內(nèi)的幾十個(gè)水深值。多波束測(cè)深系統(tǒng)一般由窄波束回聲測(cè)深設(shè)備（換能器、測(cè)量船搖擺的傳感裝置、收發(fā)機(jī)等）和回聲處理設(shè)備（計(jì)算機(jī)、數(shù)字磁帶機(jī)、數(shù)字打印機(jī)、橫向深度

4、剖面顯示器、實(shí)時(shí)等深線數(shù)字繪圖儀、系統(tǒng)控制鍵盤等）兩大部分組成。 </p><p>　　二、多波束測(cè)深的工作原來和技術(shù)概況 </p><p>　　1、 多波束測(cè)深工作原理 </p><p>　　多波束測(cè)深聲納是一種大型組合設(shè)備，除其系統(tǒng)本身外，還包括定位、羅經(jīng)、船姿傳感器、聲速剖面儀、數(shù)據(jù)采集工作站和繪圖儀等配套設(shè)備。多波束系統(tǒng)和傳統(tǒng)的單波束回聲測(cè)深儀從原理上講沒有

5、本質(zhì)的區(qū)別，只是多波束系統(tǒng)的換能器是由多個(gè)換能器單元組成的陣列，工作時(shí)能同時(shí)發(fā)射多個(gè)波束和接收多個(gè)波束，對(duì)海底進(jìn)行條帶式測(cè)量。 </p><p>　　2 、多波束測(cè)深技術(shù)概況 </p><p>　　多波束條帶測(cè)深系統(tǒng)是一種高效的海底地形測(cè)繪設(shè)備，它是在單波束回聲測(cè)深儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。多波束測(cè)深系統(tǒng)是利用安裝于船的龍骨方向上的一條長發(fā)射陣，向海底發(fā)射一個(gè)與船龍骨方向垂直的超寬聲波束，并利

6、用安裝于船底的與發(fā)射陣垂直的接收陣，經(jīng)過適當(dāng)處理形成與發(fā)射波束垂直的許多個(gè)預(yù)成接收波束，從而當(dāng)測(cè)深系統(tǒng)在完成一個(gè)完整的發(fā)射接收過程后，形成一條由一系列窄波束測(cè)點(diǎn)組成的，在船只正下方垂直航向排列的測(cè)深剖面。 </p><p>　　由于各波束空間上呈扇形排列，波束指向角自中央波束向邊緣波束逐漸增大，因此回波信號(hào)自中央波束開始主要為反射波，向兩側(cè)逐漸過渡到散射波。如上所述，振幅檢測(cè)法在單波束測(cè)深儀中是一種成功的海底信號(hào)

7、探測(cè)方法，其原因是單波束測(cè)深儀的回波信號(hào)主要是反射波。在多波束測(cè)深系統(tǒng)中，當(dāng)波束指向角不斷增大時(shí)，回波的反射波振幅將迅速減小，反射波的尖脈沖形態(tài)也將隨之趨于模糊。當(dāng)波束指向角還不十分大時(shí)，減小了的反射波振幅還可以用變振幅強(qiáng)度處理方法來檢測(cè)，但當(dāng)波束指向角足夠大時(shí)，微弱的反射波信號(hào)在背景噪聲中將變得無法檢測(cè)。因此在多波束系統(tǒng)的回波信號(hào)檢測(cè)方法中除了使用振幅檢測(cè)法外，一般還使用相位檢測(cè)法。相位檢測(cè)法利用相干原理，通過比較換能器兩個(gè)給定接收單

8、元之間的相位差的方法來檢測(cè)波束的到達(dá)角。 </p><p>　　三、多波束測(cè)深系統(tǒng)發(fā)展階段 </p><p>　　1 、SEABEAM 1000系列為代表的第一代產(chǎn)品，它的波束數(shù)少、掃幅寬度僅6O度，集成度低，水深數(shù)據(jù)不能實(shí)時(shí)處理。 </p><p>　　2 、SEABEAM 2000 系列、ATLASHYDROSWEEP和SIMRAD EM12為代表的第二代產(chǎn)品，

9、采用了P30大規(guī)模集成電路和DSP技術(shù)，波束數(shù)達(dá)到121個(gè)，波束角寬2。，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)和后處理軟件成熟。 </p><p>　　3 、SIMRADEM 120和RESON SeaBm 8150深水多波束測(cè)深系統(tǒng)為代表的第三代產(chǎn)品，采用了超大規(guī)模集成電路和速度更快的DSP板，波束數(shù)達(dá)到191個(gè)或更多，波束角寬0.5—1度，實(shí)現(xiàn)全姿態(tài)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)和后處理軟件更加成熟。 </p><p>　　4、

10、 近年剛出現(xiàn)的SIMRAD EM122深水多波束測(cè)深系統(tǒng)和EM710被稱為第四代產(chǎn)品，采用寬帶技術(shù)、近場自動(dòng)聚焦和水體顯示等技術(shù)，提高了聲吶性能，波束數(shù)更多，測(cè)深點(diǎn)更密，集成度也更高。相比較EM120系統(tǒng)EM122系統(tǒng)標(biāo)稱指標(biāo)覆蓋寬度最大37 km，單次發(fā)射形成兩行共576個(gè)波束，可加密至864個(gè)測(cè)深點(diǎn)，波束角寬最小可達(dá)0.5×1度，該系統(tǒng)目前正在推廣階段。 </p><p>　　四、多波束測(cè)深系統(tǒng)數(shù)據(jù)

11、處理的發(fā)展趨勢(shì) </p><p>　　1、 聲速及聲線跟蹤 </p><p>　　現(xiàn)有的聲速經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅容^多，這為深度的計(jì)算精度提高提供了寶貴的理論依據(jù)。但由于這些模型均為特定情況下的聲速計(jì)算模型，計(jì)算所得聲速彼此之間也存在著一定的差異，對(duì)波束腳印的歸位計(jì)算帶來了一定的困難?？紤]多波束系統(tǒng)的應(yīng)用范圍廣，涉及海域的水文因素變化復(fù)雜等特點(diǎn)，為此尋求一種適合多波束的最優(yōu)聲速經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵殉蔀槭滓n題。

12、 </p><p>　　2 、多波束輔助參數(shù)的測(cè)定和濾波 </p><p>　　多波束是一個(gè)由多傳感器組成的復(fù)雜系統(tǒng)，最終測(cè)量成果質(zhì)量不但取決于系統(tǒng)自身的測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量，還取決于輔助傳感器測(cè)量參數(shù)的精度，因此，開展諸如導(dǎo)航定位技術(shù)、聲速改正技術(shù)、潮汐改正技術(shù)以及換能器吃水改正技術(shù)等與多波束測(cè)深相關(guān)的專項(xiàng)技術(shù)研究，也是多波束數(shù)據(jù)處理未來面臨的主要任務(wù)。 </p><p>

13、;　　3 、深度數(shù)據(jù)濾波 </p><p>　　測(cè)量過程中白噪聲和海況的影響以及參數(shù)設(shè)置的不合理等，都將會(huì)導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)中出現(xiàn)假信號(hào)，形成虛假地形，從而使繪制的海底地形圖與實(shí)際地形存在差異。為了提高測(cè)量成果的可靠性，必須消除這些假信號(hào)，因此需不失時(shí)機(jī)地展開測(cè)深異常數(shù)據(jù)的定位研究，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的編輯，剔除假信號(hào)，為后處理成圖做好準(zhǔn)備。深度測(cè)量誤差不僅包含粗差和隨機(jī)誤差，還包含了系統(tǒng)誤差，某些情況下，系統(tǒng)誤差的影響還

14、相當(dāng)顯著。 </p><p><b>　　4 、圖像處理 </b></p><p>　　反向散射強(qiáng)度是多波束系統(tǒng)中又一類重要測(cè)量參數(shù)，由于數(shù)據(jù)量龐大，國內(nèi)許多用戶很少采集這方面的數(shù)據(jù)，對(duì)其圖像的研究也少有文獻(xiàn)。其實(shí)，多波束聲納圖像與遙感圖像、雷達(dá)圖像等除形成機(jī)理存在差異外，圖像的處理思想基本相同。多波束圖像由于形成機(jī)理、環(huán)境噪聲等與其它圖像還存在著很大的差異，因此，在

15、現(xiàn)有的圖像處理方法中研究適合多波束聲納圖像處理的最優(yōu)方法是圖像數(shù)據(jù)處理研究中的一個(gè)重要問題。 </p><p>　　5、 多波束數(shù)字信息與側(cè)掃聲納圖像信息的融合 </p><p>　　同多波束系統(tǒng)一樣，側(cè)掃聲納也可對(duì)海底進(jìn)行全覆蓋式測(cè)量。兩類設(shè)備的應(yīng)用，對(duì)實(shí)現(xiàn)海底地形地貌的認(rèn)識(shí)起著十分重要的作用。多波束系統(tǒng)既可獲得高密度、高精度的測(cè)點(diǎn)位置信息，又可獲得海底圖像信息，但由于分辨率的限制，一般

16、情況下，成像質(zhì)量較差；而側(cè)掃聲納則以成像為主，可獲得高分辨率的海底影像，但僅能給出描述海底地貌、地物的概略位置。多波束能夠給出海底地物的位置、大小等定量分析數(shù)據(jù)，但在對(duì)海底的定性分析方面還存在不足；而側(cè)掃聲納則可根據(jù)圖像的明暗程度反演海底地質(zhì)組成，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行地質(zhì)分類和定性分析，但卻難以利用概略的位置信息進(jìn)行精確的量化分析。 </p><p><b>　　五、結(jié)束語 </b></

17、p><p>　　基于幅度的測(cè)深算法有能量中心檢測(cè)、WMT和BDI算法三種；基于相位的測(cè)深算法分為分裂波束相位差算法和多子陣檢測(cè)算法兩種。為了得到精細(xì)而準(zhǔn)確的海底深度數(shù)據(jù)，提高多波束測(cè)深算法的精度和性能就顯得十分關(guān)鍵。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1] 黃謨濤.多波束測(cè)深技術(shù)研究進(jìn)展與展望[J].海洋測(cè)繪

18、，2010，（3）. </p><p>　　[2] 趙會(huì)濱，徐新盛，吳英姿.多波束條帶測(cè)深技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)展望[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，（2）. </p><p>　　[3] 彭虎.超聲成像算法導(dǎo)論[M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社.2008. </p><p>　　[4] 田坦.水下定位與導(dǎo)航技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社.2007. </p&g