Simrad EM多波束聲納系統回波強度數據的分析與應用

金紹華，翟京生，劉雁春，崔高嵩，肖付民

(1．海軍大連艦艇學院 海洋測繪與科學系，遼寧 大連 116018；2.海軍海洋測繪研究所，天津 300061)

Simrad EM多波束聲納系統回波強度數據的分析與應用

金紹華1，翟京生2，劉雁春1，崔高嵩1，肖付民1

(1．海軍大連艦艇學院 海洋測繪與科學系，遼寧 大連 116018；2.海軍海洋測繪研究所，天津 300061)

首先分析了Simrad EM多波束聲納系統回波強度數據獲取時系統進行的增益處理，分別探討了深度數據包和海底圖像數據包中回波強度數據的表征內容及意義，研究了不同數據包中回波強度數據的記錄方式、特點及應用范圍，為多波束水下目標識別和海底底質分類研究提供準確、表述清晰的基礎數據。

多波束聲納系統；回波強度；時間變化增益；聲納圖像

多波束聲納系統作為一項全新的海底地形精密探測技術，由于它能全覆蓋、快速、高精度地獲取海底的深度信息，已成為海底水深測量的主要技術手段。多波束聲納系統在測深的同時，也記錄了回波強度數據，該數據不但可用于分析和解釋海底地貌，如果被合理歸算，也可用于海底底質分類和水下目標識別方面的研究。

影響多波束回波強度的因素較多，因為它不僅僅依賴于海底的物理特性，還受測量結構（發射距離和角度），海水的特性（吸收、折射）和聲納系統本身參數（陣列指向性模式，接收處理）等因素的影響。為了得到有意義的回波強度數據，多波束聲納系統在數據獲取時通常進行增益處理，不同的聲納系統其增益的函數模型是不同的，致使記錄的回波強度表征的意義不同。為了正確地利用多波束記錄的回波強度數據，首先要給出增益函數模型的清晰定義，然而，大多數多波束聲納系統的技術說明書對增益處理的表述并不明確。另外，一些多波束聲納系統，它的深度數據包（Depth Datagram）和海底圖像數據包（Seabed Image Datagram）中都記錄回波強度數據，兩者的特點及應用范圍也是需考慮的問題。基于此，本文以Simrad EM系列多波束聲納系統為例，詳細探討了系統的增益處理過程及回波強度數據表征的內容，讀取深度數據包和圖像數據包中的回波強度數據，分析數據的特點及應用范圍。為多波束水下目標識別和海底底質分類研究提供準確、表述清晰的基礎數據。

1 回波強度數據分析

1.1 多波束聲納方程

多波束聲納系統測量的回波信號級（EL）用聲納方程表示為：

式中：SL為聲波的發射聲源級（Source Level），由發射換能器的指向性指數DIT(Directivity Index)調制而成；TL為傳播過程中產生的能量損失（Transmission Loss），簡化模型為TL=20log R+αR，R為聲波傳播的距離，α（dB/km）為聲波在海水中的平均吸收系數，它是聲納頻率和傳播介質特性（溫度，鹽度，深度和pH）的函數[7]；BS為目標產生的反向散射或反射信號的強度(Backscatter Strength)，它不但取決于海底的特性，而且依賴于聲波在海底瞬時的反向散射面積A[8]，用公式表達為：

式中：BSB為單位面積海底反向散射強度，它是海底類型和入射角θ的函數，當 θ≈0°時，BSB通常近似為一常數（BSn）；當 θ≥25°時，有研究結果表明[9]，海底固有反向散射強度隨入射角的變化服從 Lambert法則；當 0＜θ＜25°時，海底固有散射強度隨入射角做線性變化：

SH為接收陣列的靈敏度；PG為接收系統的處理增益，包括固定增益FG （Fixed Gain）和時間變化增益TVG（Time Varied Gain）兩部分；對于不同的聲納系統，接收處理增益是不同的，為了說明Simrad EM多波束聲納系統記錄的回波強度表征的意義，首先分析系統的接收處理增益。

1.2 接收處理增益

由于多波束聲納系統接收回波強度的動態范圍是有限的，為了避免回波信號過載或淹沒于噪聲中，在數據獲取時，運行TVG放大回波信號。TVG的設計首先要使平均信號級在接收器中處于最適宜的量級以能滿足海底反射率的隨機變化；另外，為了利于海底探測和顯示海底的圖像（主要關注海底反射率的對比度），TVG應具有變平波束取樣振幅的功能。Simrad EM多波束聲納系統的具體實施過程如下：

（1）基于前面的pings，估計波束垂直入射時的海底反向散射強度BSn和斜入射時的反向散射強度BS0；

（2）設置固定增益，使回波信號級在接收器內有最大的動態范圍；

（3） 基于模型（1），（2），（3）改正傳播損失（2TL），瞬時反向散射面積A（10 log A）和入射角θ對回波強度的影響。

經過上述處理后，系統記錄的回波強度基本反應斜入射時海底反向散射強度BS0的變化，實際上，固定增益并不能完全消除聲源級和接收靈敏度的影響，但由于它是一常量，不影響聲納圖像反應BS0的變化規律，因此可將多波束記錄的回波強度視為海底反向散射強度，該數據存儲于海底圖像數據包中。深度數據包中的回波強度數據沒有經過模型（3）的改正，它反映的是BSB隨入射角的變化。

2 回波強度記錄方式及特點

2.1 深度數據包回波強度的記錄方式及特點

多波束系統在進行回波強度采樣時，測量對象仍是海底波束腳印。對于深度測量，探測的是代表波束腳印中心處的平均往返時間或相位的變化，而對于聲納圖像，探測的是一個回波強度的時序觀測量，對于深度數據包中的回波強度數據，每一個波束只選取該時序強度的最大值或平均值作為該波束的回波強度值（圖1）。

圖1 深度數據包回波強度的記錄方式

由于同時記錄了一個波束腳印的幾何信息和強度信息，可以用其幾何信息（入射角、往返時間）去除海底地形對回波強度的影響，得到只反映海底底質特征的回波強度信息。但在處理中，將每一個波束探測的時間序列強度取為一個值，可能丟掉有用的空間信息。另外，每一波束只記錄一個回波強度值，在邊緣波束，其空間分辨率較低，不利于顯示海底的細節信息。當海底平坦，水深15 m，波束角為2°×2°的多波束在航跡方向和航跡正橫方向上空間分辨率的變化如圖2所示。當波束角為75°時，航跡正橫方向的分辨率為7 m。

圖2 波束腳印空間分辨率的變化

2.3 聲納圖像數據包中回波強度的記錄方式及特點

對于聲納圖像數據包，采用一定的時間間隔τs采樣每一個波束的回波強度時序觀測值（圖3）。由于海底地形和波束角的影響，在每一波束記錄的采樣數是不等的。

采樣后數據的存儲信息的主要內容如表1所示：

圖3 每一波束記錄多個回波強度值

表1 Simrad EM系列多波束Seabed Image數據包回波強度數據的記錄描述

這種回波記錄方式不但將每一波束的回波強度信息和海底地形剖面對應起來，容易進行地形改正，而且由于波束采樣點的增加，提高了海底的空間分辨率。因此，通常我們對回波強度數據的應用都是基于該數據。

3 多波束回波強度數據的應用

由于海底界面的不平整性及海底物理特性空間變化的不規則性，海底的散射是一個隨機的過程。對海底聲學散射的研究，主要有兩個方面：（1）從能量的觀點出發探索海底平均反向散射強度的變化規律；（2）采用隨機過程的數學方法研究散射強度的統計特性，如分布函數、相關特性和能量譜等。基于這兩項研究，多波束回波強度數據的應用體現為：一是分析區域平均反向散射強度隨入射角的變化曲線；二是基于聲納圖像分析反向散射強度的統計特性。

3.1 平均反向散射強度隨入射角的變化曲線

深度數據包中的回波強度數據反應BSB隨入射角的變化，可用于生成反向散射強度隨入射角的變化曲線。由于每一個波束瞬時接收強度的隨機特性，遵從長尾的Rayleigh分布[4]，必須在一段有限的時間區域內計算多ping回波強度的平均值以得到回波強度的有效估值。圖4為青島膠州灣Simrad EM3000多波束聲納系統深度數據包中記錄的回波強度數據在不同底質類型區域得到的平均反向散射強度隨入射角的變化曲線，分析曲線的變化規律，可用于海底底質分類。

圖4 不同底質類型區域平均反向散射強度隨入射角的變化曲線

3.2 聲納圖像的形成

Seabed Image數據包的回波強度數據，由于其表示BS0的變化規律，且分辨率高，可用于生成聲納圖像。假設每ping由N個象素點表示，刈幅寬度為W，則每個像素表征的橫向距離通常，為了保證聲納圖像的連續性，相鄰ping之間的dg之差最好不超過5%。dg確定后，對像素點周圍dg內的所有波束采樣點值取平均，得到該像素點的回波強度值，如圖5所示。如果像素點周圍沒有回波強度采樣點值，我們采用線性內插法計算該像素點的回波強度值。

圖5 像素點的橫向坐標和回波強度值

經過處理后，只需記錄像素點表征的橫向距離dg，像素點數N和從左到右排列的回波強度值，就可以確定每個像素點的橫向坐標yp，建立坐標與回波強度的關系并生成聲納圖像圖6，聲納圖像不但可用于分析和解釋海底地貌、也可用于水下目標探測識別和海底底質分類。

圖6 聲納圖像

4 結論

（1）Simrad EM多波束聲納系統深度數據包中的回波強度數據表征的是BSB隨入射角的變化信息，且每一個波束提供一個回波強度值，該數據可用于生成平均反向散射強度隨入射角的變化曲線，在曲線上提取特征參數，可用于海底底質分類方面的研究。

（2）Seabed Image數據包中回波強度數據表征的是不同區域BSO的變化信息，由于每個波束記錄了多個回波強度值（分辨率高），可用于生成聲納圖像；聲納圖像在分析解釋海底地貌，海底目標探測及海底底質分類中都得到廣泛應用。

（3）正確理解回波強度表征的內容后，為了應用反向散射強度隨入射角變化曲線或聲納圖像進行海底底質分類方面的研究，對回波強度數據還應進行聲線彎曲改正、海底地形改正以及聲納圖像的歸一化處理等內容。

[1]Augustin J M,X Lurton.Image amplitude calibration and processing for seafloor mapping sonars[C]//Proceedings of the Oceans’2005 Europe Conference,1,pp.Brest,France,2005.：698-701.

[2]唐秋華,周興華,丁繼勝，等.多波束反向散射強度數據處理研究[J].海洋學報，2006(2)：51-55.

[3]Beaudoin J D,J E Hughes Clarke,E J V D.Ameele,et al.Geometric and radiometric corrections of multibeam backscatter derived from Reson 8101 systems[C]//Proceedings of Canadian Hydrographic Conference,Toronto,Canada,2002：28-31.

[4]Hughes Clarke J E,L A Mayer,D E Wells.Shallow-water imaging multibeam sonars:a new tool for investigating seafloor processes in the coastal zone and on the continental shelf[J].Marine Geophysical Researches,1996，18：607-629.

[5]Hellequin L,J M Boucher,X Lurton.Processing of high-frequency multibeam echo sounder data for seafloor characterization[J].Journal of oceanic Engineering,2003， 28(1)：78-89.

[6]Urick R J.Principles of underwater Sound for Engineers[z].Mc Graw-Hill,1967:342.

[7]Francois R E,G R Garrison.Sound absorption based on ocean measurements:partⅡ:Boric acid contribution and equation for total absorption[J].The Journal of the Acoustical Society of America,1982，72(6):1879-1890.

[8]Lurton X,Dugelay S,Augustin JM.Analysis of multibeam echo-sounder signals from the deep seafloor[J].IEEE OCEAN,1994:213-218.

[9]Hammerstad E.Backscattering and seabed image reflectivity.Collected paper from Kongsberg,EM Technical Note，2000.

Abstract：Simrad EM multibeam sonar systems have echo intensity as part of their data output.The systematic gain in collecting these data is analyzed.The content and significance of echo intensity showed by depth datagram and sonar image datagram are respectively explored.The recording pattern,characteristic and applied scope are studied at last.The founding will provide exact and clear basic data in underwater target identification and seafloor classification by multibeam sonar systems.

Key words：multibeam sonar system;echo intensity;time variable gain;sonar image

Analysis and Application of Echo Intensity Data in Simrad EM Multibeam Sonar System

JIN Shao-hua1,ZHAI Jing-sheng2,LIU Yan-chun1,CUI Gao-song1,XIAO Fu-min1
（1.Dept of Hydrography Cartography,Dalian Navy Academy,Dalian Liaoning 116018,China;2.Tianjin Institute of Hydrographic Surveying and Charting,Tianjin 300061,China）

TB565

A

1003-2029（2011）01-0048-04

2010-07-06

國家自然科學基金資助項目（40871207）

金紹華（1978-），男，遼寧大連人，講師，博士生，現主要從事多波束數據處理及應用研究。