CN108957462B - 一种基于平坦海底的多波束水体数据处理方法 - Google Patents

一种基于平坦海底的多波束水体数据处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于平坦海底的多波束水体数据处理方法，首先根据多波束型号解析原始数据；水体采样点归位，每一Ping数据都要进行采样点归位处理，使回波强度值归于其真实的地理位置；多Ping水体数据平均，根据采样点的位置关系，进行多Ping水体数据平均，计算各采样点平均回波强度，并查看取值是否合理；计算均匀海水回波强度，对每一Ping数据单独计算，需选用干扰较少且无明显特征目标的中央波束水体数据；提取海底回波，滤除镜面反射干扰及接收旁瓣干扰；数据输出，绘制多波束水体影像图及多波束水体沿航向截面图，对比处理效果。本发明的有益效果是在保留全部水体数据的基础上大大提高了数据质量。

Description

一种基于平坦海底的多波束水体数据处理方法
技术领域
本发明属于海洋测绘技术领域，涉及一种基于平坦海底的多波束水体数据处理方法。
背景技术
近年来，多波束声纳技术得到迅速发展，大部分多波束测量系统拥有测量水深数据同时记录水体数据的能力。多波束水体数据携带了波束从换能器到海底的完整声学信息，可用于探测鱼群、海洋大型哺乳动物、浮游生物、海底冷泉、海洋内波等对象或物理现象。Deimling等使用多波束水柱数据研究了海底气体泄露，Wyllie等在沉船海区对比了多波束测深与多波束水体数据最浅水深发现水体数据对沉船桅杆等细节具有更好的探测能力。多波束水体信息尚是一个新生事物，在目前国际上还未推广应用，国内学者对其研究甚少。
由于旁瓣干扰、船舶噪音等影响，多波束水体中存在大量干扰。然而各个学者对于水体的处理方式大有不同：McGonigle等提取了左右舷±25°的水体数据，Church，Simmons等均使用最小倾斜距离(Minmum Slant Range,MSR)内的水体数据，Urban等在保留MSR以内数据的基础上，剔除了大于阈值的振幅数据。CARIS，FMMidwater等商业软件均实现了多波束水体数据的显示，但是无法对水体数据进行处理。现在大部分学者均使用部分多波束水体数据进行研究，或者采用中央波束数据，或者采用MSR以内数据，而这些数据处理手段，极大弱化了多波束设备覆盖宽度大的优点，限制了多波束水体数据的应用。因此，现在亟需一种多波束水体数据处理方法，提高MSR以外(或者边缘波束)数据的信噪比，提高多波束水体数据的利用率。
在多波束测深系统工作过程中，当发射波束到达海底后，其反射强度远大于其后向散射强度，且反射波最先到达接收换能器。由于接收波束旁瓣的存在，回波被大部分波束记录，从而形成了一个相同时间的强干扰，体现在水体数据中为一半圆弧状强反射带称为镜面反射。接收波束的旁瓣同样会接收到来自海底其他位置的后向散射信号，在水体数据体现为条带状强反射，上述两种干扰均为接收旁瓣干扰(见图1)。该干扰大大影响了水体数据的判读。
通过研究其产生机理发现：镜面反射的接收时间与中央波束接收海底时间一致；镜面反射以外的接收旁瓣干扰是由设备的旁瓣效应和海底后向散射造成的，在平坦海域具有相同的分布规律。基于上述分布特征，提出了一种基于平坦海底的多波束水体数据处理方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于平坦海底的多波束水体数据处理方法，本发明的有益效果是在保留全部水体数据的基础上大大提高了数据质量。
本发明所采用的技术方案是按照以下步骤进行：
(1)根据多波束型号解析原始数据；
(2)水体采样点归位：原始数据中记录了水深、回波强度、采样频率、声速及波束入射角信息，采样点相对于换能器的位置需使用声速和波束入射角计算得到，每一Ping数据都要进行采样点归位处理，使回波强度值归于其真实的地理位置；
(3)多Ping水体数据平均：根据采样点的位置关系，进行多Ping水体数据平均，计算各采样点平均回波强度，并查看平均数据是否合理；
(4)计算均匀海水回波强度：计算每一Ping均匀海水回波强度，需选用干扰较少且无明显特征目标的中央波束水体数据；
(5)滤除镜面反射干扰及接收旁瓣干扰：需处理每Ping多波束水体数据，首先根据海底回波强度远大于水体回波的特性，提取强度突变点，连线识别海底回波并保留；其次识别镜面反射干扰，选择合适的时间窗口宽度，使用均匀海水回波强度替换；最后对MSR以外数据，处理接受旁瓣干扰。
(6)数据输出，绘制多波束水体影像图及多波束水体沿航向截面图，对比处理效果。
进一步，步骤(1)中，可处理的多波束水体数据包括但不限于Kongsberg公司的EM系列多波束ALL格式和WCD格式。
进一步，步骤(2)中采样点相对于换能器的位置计算方法如下：
Figure BDA0001668645610000021
Figure BDA0001668645610000031
其中X为据换能器的水平距离，Y为据换能器的垂直距离，i为第i个采样点，sv为海水声速，f为采样频率，θ为波束入射角；
进一步，步骤(3)中需查看平均数据是否合理，如果海底反射、镜面反射条带过宽，说明选取文件过多，导致地形起伏较大；如果水体中有明显特征目标，说明文件选取不够，平均后不足以滤除目标。
进一步，步骤(4)中计算均匀海水回波强度可选择中央6-10条波束的水体数据进行平均且应避开特征目标反射，。
进一步，步骤(5)中对于镜面反射干扰，时间窗口可选用3-5个采样点，对于MSR以外的水体数据，以下式表示：
Figure BDA0001668645610000032
EL′为处理后的回波强度，EL为原始回波强度，
Figure BDA0001668645610000033
为多ping平均的回波强度，BGm为中央波束计算的均匀海水回波强度。
附图说明
图1接收旁瓣干扰示意图；
图2处理流程框图；
图3实测多波束水体影像；
图4多Ping平均水体影像
图5处理后多波束水体影像；
图6多波束水体数据沿航向截面图(-60°≤θ≤60°)；
图7处理后多波束水体数据沿航向截面图(-60°≤θ≤60°)。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明采用如图2所示的处理方法：
(1)解析原始数据
以挪威Kongsberg公司EM122型深水多波束系统为例，进行了本方法的具体实施。该系统工作频率为12KHz，可形成288个波束，系统发射波束最大扇面开角180°，形成波束宽度1°×1°。EM型多波束系统的数据存储格式包括ALL格式和WCD格式，其中ALL文件包含测深、定位、日期、时间、姿态传感器、罗经等数据包，而水体数据包存储于WCD文件中。根据文件格式，编写程序，解析原始数据。
(2)水体采样点归位
根据原始数据，利用公式
Figure BDA0001668645610000041
其中X为据换能器的水平距离，Y为据换能器的垂直距离，i为第i个采样点，sv为海水声速，f为采样频率，θ为波束入射角；
计算各个反射强度点的相对位置，并编写程序进行显示。附图3给出了实际工作的单Ping水体数据影像，从影像中可知实际数据中接收旁瓣噪音较强：镜面反射噪音出现在所有波束，海底后向散射的第一、第二接收旁瓣干扰在边缘波束广泛存在。
(3)多Ping水体数据平均
根据原始数据特征，选定40Ping水体数据进行平均，图4为40Ping平均的多波束水体影像，图中海底反射带、镜面反射带较窄，表示探测海区地形平坦，Ping数的取值是合理的，可以进行下一步处理。从图中可以看出平均以后旁瓣干扰更加清晰，进一步证明了平坦海底条件下旁瓣干扰具有相同的分布规律。
(4)计算均匀海水回波强度并滤波
对于选取的40Ping水体数据的每一Ping，做如下处理：(1)提取位于中央的10个波束用于计算均匀海水回波强度，并在计算过程中避开海底强反射带和浮游生物反射带(2)根据水深信息，确定镜面反射位置，设置时间窗口为5个采样点，利用均匀水体回波强度值进行替换(3)在保留海底回波数据的基础上，令MSR以外回波强度数据减去其相对位置的多Ping平均回波强度，加均匀海水回波强度。
(5)绘图
图5为处理后多波束水体影像，由图中可以看出处理后多波束水体数据质量大大提升：镜面反射内数据保持了处理前的高信噪比，而镜面反射外的噪音级别也大大降低。
将每一Ping各个深度的最大振幅点投影至中央波束位置变为一个数列，将测线的所有数列组合可形成水体数据沿航向截面图，该图在多波束水体图像显示中广泛应用，大大提高了多波束目标探测的效率。由于边缘波束海底回波的展宽，会在图中造成海底与海水回波的混淆，成图时需剔除部分边缘波束。提取波束入射角θ在-60°到60°之间的水体数据进行绘图，见图6。由图可知：处理前，水深小于1500m的部分，数据质量较好，浮游生物反射带及其多次波清晰可辨；1500m-2300m之间存在大量干扰，是由接受旁瓣干扰造成的；2300m以下较大回波强度均为海底回波。
图7为处理后水体数据沿航向截面图，其数据提取方法与图6一致。对比发现处理后上层水体数据质量不变，水深1500m—2300m之间数据质量明显变好，海底回波未受影响。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种基于平坦海底的多波束水体数据处理方法，其特征在于按照以下步骤进行：
(1)根据多波束型号解析原始数据；
(2)水体采样点归位，原始数据中记录了水深、回波强度、采样频率、声速及波束入射角信息，采样点相对于换能器的位置需使用声速和波束入射角计算得到，每一Ping数据都要进行采样点归位处理，使回波强度值归于其真实的地理位置；
(3)多Ping水体数据平均，根据采样点的位置关系，进行多Ping水体数据平均，计算各采样点平均回波强度，并查看平均数据是否合理；
(4)计算均匀海水回波强度，计算每一Ping均匀海水回波强度，需选用干扰较少且无明显特征目标的中央波束水体数据；
(5)滤除镜面反射干扰及接收旁瓣干扰：处理每Ping多波束水体数据，首先根据海底回波强度远大于水体回波的特性，提取强度突变点，连线识别海底回波并保留；其次识别镜面反射干扰，选择合适的时间窗口宽度，使用均匀海水回波强度替换；最后对MSR以外数据，处理接受旁瓣干扰；(6)数据输出，绘制多波束水体影像图及多波束水体沿航向截面图，对比处理效果。
2.按照权利要求1所述一种基于平坦海底的多波束水体数据处理方法，其特征在于：所述步骤(2)中，采样点相对于换能器的位置计算方法如下：
Figure FDA0003446728670000011
Figure FDA0003446728670000012
其中X为换能器的水平距离，Y为换能器的垂直距离，i为第i个采样点，sv为海水声速，f为采样频率，θ为波束入射角。
3.按照权利要求1所述一种基于平坦海底的多波束水体数据处理方法，其特征在于：所述步骤(3)中查看平均数据是否合理，如果海底反射、镜面反射条带过宽，说明选取文件过多，导致地形起伏较大；如果水体中有明显特征目标，说明文件选取不够，平均后不足以滤除目标。
4.按照权利要求1所述一种基于平坦海底的多波束水体数据处理方法，其特征在于：所述步骤(4)中选择中央6-10条波束的水体数据进行平均且应避开特征目标反射。
5.按照权利要求1所述一种基于平坦海底的多波束水体数据处理方法，其特征在于：所述步骤(5)中对于镜面反射干扰，时间窗口选用3-5个采样点，对于MSR以外的水体数据，以式(5)表示：
Figure FDA0003446728670000021
EL′为处理后的回波强度，EL为原始回波强度，
Figure FDA0003446728670000022
为多ping平均的回波强度，BGm为中央波束计算的均匀海水回波强度。
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