多波束聲納圖像整體灰度不均勻及中央波束區反射異常校正方法①

張會娟，陽凡林，李 峰，董春敏

（1.山東科技大學 測繪學院，山東 青島266590；2.山東省青島市勘察測繪研究院，山東 青島266033）

0 引 言

多波束聲納系統在測深的同時也獲得了反向散射數據，反向散射數據在分析和解釋海底地貌中扮演著十分重要的角色［1]，可利用其反演海底底質特性。海底聲散射問題雖然在近40年中得到了廣泛的研究和發展，但由于海底環境非常復雜，尤其在近海，沉積物類型變化復雜，使得聲散射問題遠未得到解決。近年來，隨著人類對海底世界的認識和相關技術的研究，國內外許多學者嘗試將多波束系統應用到海底目標的探測和分類，并取得了一定的成果［2－3]。

國外多波束技術起步較早的國家已在這一領域取得了很多重要成果，建立和發展了多波束數據處理理論［4－9]。加拿大的 Edouard Kammerer通過對聲速剖面模型兩水層之間界面上的反射系數的研究，減弱了聲納圖像中的反射假象。加拿大New Brunswick大學的海洋測繪研究小組進行了較多的研究，其中Llewellyn深入研究了聲納的波束方向性與反向散射強度殘留誤差之間的關系；Beaudoin開發了軟件對入射角和中央波束區的鏡面反射進行了改正等。

國內，文獻［10]采用兩種方法對多波束聲納圖像的中央波束區反射信號進行改正：1）在中央波束附近設定一個正負幾度的范圍，剔除這一區間的反射數據；2）根據波束入射角設定數據點的優先權數值大小，使得中央波束區附近的強度值同周圍其它邊緣波束的強度值統一起來。通過使用這兩種方法可以使得每個波束所代表的強度信息能正確反映海底底質類型特征，削弱反射信號對海底底質分類造成的影響，效果較好。文獻［11]總結了在不同入射角條件下多波束聲納波束腳印面積和反向散射強度的計算公式BS0＝0.9953BS0＋lgAE－lgR，使用此公式對中央波束區域的異常數據進行改正，能夠基本消除脊狀假像現象。但是它只適用于大部分中央波束區域的數據異常改正，仍有部分數據改正效果不理想。

由于國際上對此研究不完善，國內研究起步較晚，在嘗試前人研究成果的基礎上，綜合考慮各種情況，分析了多波束聲納圖像灰度整體不均勻的各種因素，采用Reed和Johnson通過計算航向改正系數來改正灰度的不均衡。針對中央波束區的鏡面反射區進行了處理：分析了中央波束區的反向散射強度數據異常的產生原因，通過計算每一ping的中央波束區的改正數對中央波束區進行了有效改正。

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1 整體灰度不均衡的校正方法

同水深數據一樣，多波束回波強度數據含有大量的系統誤差和異常數據，必須加以改正和濾波。多波束測深系統屬于主動聲納系統，將聲納方程簡化為

式中：EL為接收換能器上的回聲信號的聲能級；SL為多波束發射能級；2TL為往返傳播損失；BTS為海底目標反向散射強度。

通過上述聲納方程以及圖1，得到聲傳播過程會產生能量衰減。為了補償因傳播、波束指向性及海底底質等變化所引起的信號衰減，得到遠近場均勻一致的聲納圖像，必須對回波信號進行增益控制，包括時間增益控制、自動增益控制和手動增益控制，使得輸出的聲圖具有最佳的效果。信號返回的強弱包含了海底地形和傳播距離的變化信息（丁繼勝等，1999）。為了削弱衰減的影響，就必須對衰減引起的信號減弱進行補償。當水文因素和工作頻率不變時，衰減與傳播時間（距離）存在著一定的關系，傳播距離愈大，強度衰減愈顯著。為了消除衰減造成的回波強度損失，多波束系統中對此進行了時間增益補償（TVG），保證了回波信號的原有水平，從而達到削弱衰減的影響。

圖1 聲波與介質面的作用

但是經過增益改正后的聲圖仍然存在灰度不均衡（如圖2（a）），原因有幾方面：波束束控帶來誤差；海水和底質對聲波的吸收錯綜復雜，使得模型誤差也會造成灰度的不均衡。對于灰度的不均衡，Reed等計算每航向列的平均灰度與整個圖像的平均灰度比來完成改正，但是未考慮每航向列的灰度異常和噪聲［12]。通過計算每列（航向）的改正系數Cj來改正灰度的不均衡

圖2（c）和圖2（d）為聲納圖像的剖面圖，圖2（c）是未進行灰度均衡化的剖面圖，圖2（d）是使用上述方法改正之后的（b）圖的剖面圖。

2 中央波束區反射信號校正方法

船底垂直正下方的中央波束區附近由于受到鏡面反射的影響，多波束換能器接收到的多為反射信號，它主要是由法向入射角和海底直接反射形成的，一般在中央波束正負幾度范圍內強度較大，表現在海底聲像圖上為沿船航跡線上的明亮條帶［10]。這種條帶在一定程度上影響了對多波束聲納影像的判讀，所以，要對中央波束區進行改正之后才能進一步進行底質分類。

中央波束區可以通過每一ping數據中每一波束的Xi，Yi坐標與中央波束的X0，Y0坐標的關系以及深度數據H求得，如圖3，圖4（a）為一條帶的回波強度數據的聲納圖像的灰度圖?？梢钥吹?，在灰度圖的中央有條亮條紋，即為中央波束區。在這一區域換能器接收到的反射信號不能被當作一般的反向散射強度數據直接用于底質分類研究。

將每一ping的中央波束區的反向散射強度值求算數平均值m1i，再求得非中央波束區的反向散射強度的算數平均值ˉm2i，則每一ping的改正數vi為

則對中央波束區的反向散射強度值進行改正為

由此得到的聲納圖像為圖4（b），圖4（c）、（d）分別為進行中央波束改正前和改正后的聲納圖像和剖面圖。

圖4 中央波束區附近數據異常的去除

3 結 論

多波束系統的工作原理使得多波束聲納數據存在較多誤差，特別是中央波束區的鏡面反射區和整體的灰度不均衡。通過對灰度不均衡的產生原因進行分析，通過計算每航向方向的改正系數進行了有效的改正；對影響多波束中央波束區反向散射強度異常通過計算中央波束區的算數平均值和非中央波束區的算數平均值，進而求得每一ping的中央波束區的改正數，從而對中央波束區反向散射異常數據進行了有效改正。

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