CN114646304A - 一种基于多波束数据的海洋内波识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于多波束数据的海洋内波识别方法，包括步骤1：获取包括多波束测深数据、多波束回波数据和多波束水体数据的多波束数据；步骤2：根据多波束数据获得海底地形图、回波图像和水体图像；步骤3：根据底地形图、回波图像和水体图像判断是否发生满足各自条件的特征，若是，则继续执行，否则判断未发生内波；步骤4：判断第一特征和第二特征发生地是否指向同一位置，若是，则继续执行，否则判断未发生内波；步骤5：判断第三特征发生地与第一特征、第二特征共同指向的同一位置是否相同，若是，则判断发生内波，否则，判断未发生内波。本发明可高效、快速、准确判断内波是否发生和发生位置。

Description

一种基于多波束数据的海洋内波识别方法

技术领域

本发明涉及海洋地震中内波识别技术领域，具体涉及一种基于多波束数据的海洋内波识别方法。

背景技术

内波(internal solitary wave ISW，中文亦称为内孤立波)是一种典型的大振幅非线性海洋波，其一般是在潮-地形两者两者之间相互作用下所形成的。最近几十年来，在中国南海，尤其南海东北部发现了大量内波，该地区也成为研究内波的热点区域。南海东北部的内波一般被认为是在吕宋海峡生成后，经过南海北部深海区域传播至东沙环礁附近与东沙环礁地形相互作用，最后在陆架破碎耗散，整个全程超过500公里、历时超过4天。

当前对海洋内波的识别主要依靠合成孔径雷达的直接观测方法和海洋化学及地震海洋学的方法间接实现。在上述这两种方法中，到目前为止，内波的研究大多基于物理海洋观测、遥感观测或者数值模拟开展。物理海洋学的观测方法只能定点对流经海水的物性结构进行刻画。在流向的下游，海水结构可能受其他海洋现象的影响而发生改变，而定点观测无法对此进行记录，这是物理海洋学定点观测的局限。另外，海洋情况复杂，变化莫测，数值模拟无法真实反映。现场观测手段如锚系等可观察内波水下部分结构、演化等特征，但是观测成本高，对人员要求严格；并且不同锚系之间的空间位置差异大，空间分辨率低，在海底附近很难进行观测。此外，锚系设备易受海流的影响，比较容易丢失，造成不必要的损失。综上，现有对内波识别的方法复杂且往往有着严格的附加条件才开实现，实现过程繁琐复杂。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的提供一种基于多波束数据的海洋内波识别方法，其能够解决识别内波是否发生的问题。

实现本发明的目的的技术方案为：一种基于多波束数据的海洋内波识别方法，包括如下步骤：

步骤1：获取多波束数据，多波束数据包括多波束测深数据、多波束回波数据和多波束水体数据；

步骤2：根据多波束测深数据、多波束回波数据和多波束水体数据分别对应得到海底地形图、回波图像和水体图像；

步骤3：判断海底地形图是否存在满足条件一的第一特征，判断回波图像是否存在满足条件二的第二特征，判断水体图像是否满足条件三的第三特征，若这三个条件均满足，则继续执行步骤4，否则，判断未发生内波，其中，条件一、条件二和条件三如下：

条件一：海底地形图中存在表征为规则条纹状伪影且在海底地形图中存在发生时延性强度抖动，

条件二：回波图像中存在表征为规则条纹状伪影且在回波图像中存在发生时延性强度抖动，

条件三：水体图像的横向切片图像上存在表征为曲线状规则强回声且水体图像中存在发生时延性强度抖动且水体图像的纵向切片图像上存在表征为强回声，

步骤4：判断第一特征、第二特征和第三特征发生地是否指向同一位置，若是，判断发生内波，否则，判断未发生内波。

进一步地，第一特征、第二特征和第三特征发生地指向同一位置，其是指同一位置发生了同时满足条件一和条件二的所有特征和条件三中的时延性强度抖动，且在该位置上也发生了满足条件三中的水体图像的横向切片图像上存在表征为曲线状规则强回声与水体图像的纵向切片图像上存在表征为强回声。

进一步地，在步骤1中，若获取的多波束数据为未解码数据，则对多波束数据解码成明码。

进一步地，所述判断第一特征、第二特征和第三特征发生地是否指向同一位置，若是，判断发生内波，否则，判断未发生内波，其按以下顺序进行：

步骤41：判断第一特征和第二特征发生地是否指向同一位置，若是，则执行步骤42，否则，判断未发生内波；

步骤42：判断第三特征发生地与第一特征、第二特征共同指向的同一位置是否相同，若是，则判断发生内波，否则，判断未发生内波。

进一步地，所述判断第一特征、第二特征和第三特征发生地是否指向同一位置，若是，判断发生内波，否则，判断未发生内波，其按以下顺序进行：

步骤51：判断第一特征和第三特征发生地是否指向同一位置，若是，则执行步骤52，否则，判断未发生内波；

步骤52：判断第二特征发生地与第一特征、第三特征共同指向的同一位置是否相同，若是，则判断发生内波，否则，判断未发生内波。

进一步地，所述判断第一特征、第二特征和第三特征发生地是否指向同一位置，若是，判断发生内波，否则，判断未发生内波，其按以下顺序进行：

步骤61：判断第二特征和第三特征发生地是否指向同一位置，若是，则执行步骤62，否则，判断未发生内波；

步骤62：判断第一特征发生地与第二特征、第三特征共同指向的同一位置是否相同，若是，则判断发生内波，否则，判断未发生内波。

进一步地，在步骤2中，所述根据多波束测深数据、多波束回波数据和多波束水体数据分别对应得到海底地形图、回波图像和水体图像，其具体实现包括：

对多波束测深数据、多波束回波数据和多波束水体数据分别进行精细处理，对应得到各项参数校正后的海底地形图、回波图像和水体图像，

其中，精细处理包括对多波束测深数据的滤波和去噪处理，对多波束回波数据的归位计算、辐射畸变改正、归一化强度处理，对波束水体数据的纵向切片、横向切片堆栈处理。

本发明的有益效果为：本发明只需要借助多波束数据即可识别内波是否发生，整个过程相比于现有方法能够大大简化计算量和执行的繁琐，并且能够更为准确判断内波是否发生以及发生的准确位置。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为条件一中的海底地形图中存在表征为规则条纹状伪影的示意图；

图3为条件一中的海底地形图中存在发生时延性强度抖动的示意图；

图4为条件二中回波图像中存在表征为规则条纹状伪影的示意图；

图5为条件二中回波图像中存在发生时延性强度抖动的示意图；

图6为条件三中的水体图像的横向切片图像上存在表征为曲线状规则强回声的示意图；

图7为条件三中的水体图像中存在发生时延性强度抖动的示意图；

图8为条件三中的水体图像的纵向切片图像上存在表征为强回声的示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本申请具体实施例作进一步的详细描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部内容。在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作(或步骤)描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。

如图1-图8所示，一种基于多波束数据的海洋内波识别方法，包括如下步骤：

步骤1：获取多波束数据，多波束数据包括多波束测深数据、多波束回波数据和多波束水体数据。

在本步骤中，若获取的多波束数据是原始数据，其是指未经过处理的由多波束声呐采集的原始数据，该数据会因各个设备采集的数据格式而存储的数据格式不同，需要进行解码成明码后才能分解出测深、回波和水体三类数据。

步骤2：对多波束测深数据、多波束回波数据和多波束水体数据分别进行精细处理，对应得到各项参数校正后的海底地形图、回波图像和水体图像。

本步骤中，精细处理是多波束数据处理的现有技术，主要包括对多波束测深数据的滤波和去噪处理，对多波束回波数据的归位计算、辐射畸变改正、归一化强度处理，对波束水体数据的纵向切片、横向切片堆栈处理。

步骤3：判断海底地形图是否存在满足条件一的第一特征，判断回波图像是否存在满足条件二的第二特征，判断水体图像是否满足条件三的第三特征，若这三个条件均满足，则继续执行步骤4，否则，判断未发生内波或者给出无法判断是否发生内波的结论，其中，条件一、条件二和条件三如下：

条件一：海底地形图中存在表征为规则条纹状伪影且在海底地形图中存在发生时延性强度抖动。

条件二：回波图像中存在表征为规则条纹状伪影且在回波图像中存在发生时延性强度抖动。

条件三：水体图像的横向切片图像上存在表征为曲线状规则强回声且水体图像中存在发生时延性强度抖动且水体图像的纵向切片图像上存在表征为强回声。

参考图2-图7，图2为条件一中的海底地形图中存在表征为规则条纹状伪影的示意图，图中箭头所指出的区域即为表征为规则条纹状伪影，图3为条件一中的海底地形图中存在发生时延性强度抖动的示意图，图中箭头所指出的区域即为发生时延性强度抖动，图4为条件二中回波图像中存在表征为规则条纹状伪影的示意图，图中箭头所指位置即是表征为规则条纹状伪影，图5为条件二中回波图像中存在发生时延性强度抖动的示意图，图中箭头所指位置即是发生时延性强度抖动，图6为条件三中的水体图像的横向切片图像上存在表征为曲线状规则强回声的示意图，图中箭头所指位置即是表征为曲线状规则强回声，图7为条件三中的水体图像中存在发生时延性强度抖动的示意图，图中箭头所指位置即是发生时延性强度抖动，图8为条件三中的水体图像的纵向切片图像上存在表征为强回声的示意图，图中矩形框部分即是表征为强回声。

在本步骤中，判断是否满足条件一、条件二和条件三可通过人工判断，例如是否存在强度抖动等。

步骤4：判断第一特征和第二特征发生地是否指向同一位置，若是，则继续进行步骤5，否则，判断未发生内波，也即识别结果为内波未发生。

在本步骤中，判断第一特征和第二特征发生地是否指向同一位置，也即是条件一和条件二中的规则条纹状伪影所在位置的经纬度一致、条件一和条件二中的时延性强度抖动所在位置的经纬度一致且第一位置和第二位置所在经纬度一致或者在预设的误差范围内，第一位置为规则条纹状伪影所在位置，第二位置为时延性强度抖动所在位置。

步骤5：判断第三特征发生地与第一特征、第二特征共同指向的同一位置是否相同，若是，则判断发生内波，否则，判断未发生内波。

在本步骤中，将第三特征与第一特征、第二特征共同指向的同一位置是否相同进行判断，也即是判断条件一的所有特征、条件二的所有特征和条件三的所有特征是否在同一位置发生，若是则判断发生内波，否则，判断未发生内波，即是若在上述三个条件中任一特征发生的位置与其他特征发生位置不同，则可以视为未发生内波。

需要说明的是，上述处理过程是先处理步骤4后处理步骤5，在另外一个可选实施方式中，步骤4和步骤5可以同时进行，也即同时比较第一特征、第二特征和第三特征发生地是否指向同一位置，若是，判断为发生内波，否则，判断未发生内波。当然，也可以先判断第二特征和第三特征，根据判断结果再与第一特征进行比较判断，或者先判断第一特征和第三特征，根据判断结果再与第二特征进行比较判断。无论采用哪种先后顺序进行判断，最终都是根据判断三者特征发生地是否同一位置来识别内波是否发生。

基于上述特征相同位置发生的原因在于，内波对多波束数据的影响，即是内波对测深数据(即海底地形图)、回波数据(即回波图像)和水体数据(即水体图像)的影响，若内波经过相应位置，则测得的多波束数据中会记录上述三种条件中的相应特征，通过这些特征能够反推算出当前位置是否发生过内波。

通过以上步骤的处理，只需要借助多波束数据即可识别内波是否发生，整个过程相比于现有方法能够大大简化计算量和执行的繁琐，并且能够更为准确判断内波发生位置。

本发明可以通过集成方式而应用在海洋环境监测和探测设备上，通过采集多波束数据完成对海洋中内部是否发生和发生位置进行监测和探测，完成对海洋环境的监测和探测。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种基于多波束数据的海洋内波识别方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：获取多波束数据，多波束数据包括多波束测深数据、多波束回波数据和多波束水体数据；

步骤2：根据多波束测深数据、多波束回波数据和多波束水体数据分别对应得到海底地形图、回波图像和水体图像；

步骤3：判断海底地形图是否存在满足条件一的第一特征，判断回波图像是否存在满足条件二的第二特征，判断水体图像是否满足条件三的第三特征，若这三个条件均满足，则继续执行步骤4，否则，判断未发生内波，其中，条件一、条件二和条件三如下：

条件一：海底地形图中存在表征为规则条纹状伪影且在海底地形图中存在发生时延性强度抖动，

条件二：回波图像中存在表征为规则条纹状伪影且在回波图像中存在发生时延性强度抖动，

条件三：水体图像的横向切片图像上存在表征为曲线状规则强回声且水体图像中存在发生时延性强度抖动且水体图像的纵向切片图像上存在表征为强回声，

步骤4：判断第一特征、第二特征和第三特征发生地是否指向同一位置，若是，判断发生内波，否则，判断未发生内波。

2.根据权利要求1所述的基于多波束数据的海洋内波识别方法，其特征在于，第一特征、第二特征和第三特征发生地指向同一位置，其是指同一位置发生了同时满足条件一和条件二的所有特征和条件三中的时延性强度抖动，且在该位置上也发生了满足条件三中的水体图像的横向切片图像上存在表征为曲线状规则强回声与水体图像的纵向切片图像上存在表征为强回声。

3.根据权利要求1所述的基于多波束数据的海洋内波识别方法，其特征在于，在步骤1中，若获取的多波束数据为未解码数据，则对多波束数据解码成明码。

4.根据权利要求1所述的基于多波束数据的海洋内波识别方法，其特征在于，所述判断第一特征、第二特征和第三特征发生地是否指向同一位置，若是，判断发生内波，否则，判断未发生内波，其按以下顺序进行：

步骤41：判断第一特征和第二特征发生地是否指向同一位置，若是，则执行步骤42，否则，判断未发生内波；

步骤42：判断第三特征发生地与第一特征、第二特征共同指向的同一位置是否相同，若是，则判断发生内波，否则，判断未发生内波。

5.根据权利要求1所述的基于多波束数据的海洋内波识别方法，其特征在于，所述判断第一特征、第二特征和第三特征发生地是否指向同一位置，若是，判断发生内波，否则，判断未发生内波，其按以下顺序进行：

步骤51：判断第一特征和第三特征发生地是否指向同一位置，若是，则执行步骤52，否则，判断未发生内波；

步骤52：判断第二特征发生地与第一特征、第三特征共同指向的同一位置是否相同，若是，则判断发生内波，否则，判断未发生内波。

6.根据权利要求1所述的基于多波束数据的海洋内波识别方法，其特征在于，所述判断第一特征、第二特征和第三特征发生地是否指向同一位置，若是，判断发生内波，否则，判断未发生内波，其按以下顺序进行：

步骤61：判断第二特征和第三特征发生地是否指向同一位置，若是，则执行步骤62，否则，判断未发生内波；

步骤62：判断第一特征发生地与第二特征、第三特征共同指向的同一位置是否相同，若是，则判断发生内波，否则，判断未发生内波。

7.根据权利要求1所述的基于多波束数据的海洋内波识别方法，其特征在于，在步骤2中，所述根据多波束测深数据、多波束回波数据和多波束水体数据分别对应得到海底地形图、回波图像和水体图像，其具体实现包括：

对多波束测深数据、多波束回波数据和多波束水体数据分别进行精细处理，对应得到各项参数校正后的海底地形图、回波图像和水体图像，

其中，精细处理包括对多波束测深数据的滤波和去噪处理，对多波束回波数据的归位计算、辐射畸变改正、归一化强度处理，对波束水体数据的纵向切片、横向切片堆栈处理。

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