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多波束声纳水柱影像分析

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《海洋测绘杂志》2016年第6期

摘要:

多波束水柱数据携带了波束从换能器到海底的完整声学信息,可用于探测海面至海底的声照射目标。通过对多波束原始水柱数据文件(*.all,*.wcd)解析,分析提取水柱数据绘制其航向剖面图、垂直剖面图和波束阵列图。利用水柱影像分析工具可清晰判断水体中目标物的形状、大小和位置,获得传统多波束深度测量无法探测到的细小特征。实例分析表明,研发的水柱影像分析工具在水柱成像及水体目标探测识别中有着重要应用价值。

关键词:

海洋测量;多波束测深;水柱影像;水柱数据;目标探测

1引言

多波束声纳水柱影像在水下目标探测中应用广泛[1],可反映声波穿透区整个水体中目标物反射信息[2]。在探测航道碍航物[3]、沉船[4-5]、水雷和潜艇等民用和军事目标,监测海底热液喷口、气层泄露[6]、海洋内波[7]等海洋环境活动中有着重要作用和应用前景。随着多波束技术研究和硬件设备的发展,大部分多波束测量系统拥有测量水深数据同时记录水柱数据的能力。国外研究者开始发掘其中的重要价值,Marques[8]研究表明多波束水柱影像可用于识别和精确定位海水中悬浮目标,用于海洋学研究、海事搜救和打捞、军事应用以及地质活动跟踪。Auke[3]使用水柱数据分析了沉船桅杆等物体的成像和跟踪能力。HugeClarke[4-5]等提出使用多波束水柱数据成像并改进精化沉船的最浅深度。多波束水柱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。同时,许多厂商采集的水柱信息采用自定义的格式存储,成像、处理与分析软件极其缺乏。本文对KongsbergSimrad公司生产的EM系列多波束声纳系统采集的原始水柱数据文件(*.all和*.wcd)进行结构分析、数据提取和水柱成像分析工具的设计与开发。将水体目标以不同视野清晰显示,辅助测量人员对目标物的形状、大小以及位置等信息进行判断,获取传统多波束深度测量无法探测的详尽水体中目标信息。

2水柱影像分析工具设计实现

分析工具基于MicrosoftVisualStudio2010MFC平台进行界面设计和程序实现,分为显示和分析两个模块。显示模块主要对航向、垂向以及波束阵列方式进行影像显示;分析模块则提供在时间序列和角度序列上的数据变化信息,主要用于后续研究。为了使图像能更清晰完整地反映水体中目标特征,引入了图像插值和灰度变换技术,进一步提高了目标识别率和成像效果。

2.1水柱成像原理

多波束声纳工作时,换能器发射基元阵列持续发射声波,声波从水体至海底经过反向散射后,再由接收换能器对回波信号进行接收。对于传统的深度测量,仅探测代表波束脚印中心处的平均往返时间或相位变化[9];而水柱数据则是采集沿探测波束方向上反向散射强度的时序观测量,其采样个数是同时水深测量的成百上千倍。在不考虑声速、水深环境、海底起伏等因素下,随着测量船的行进,每条测线可获得一个三角柱体,见图1。水柱数据采集为等时间采样模式,根据仪器设定的脉冲宽度和采样频率决定当前水深环境下波束序列的采样点个数,结合声波在水中传播速度以及波束入射角可计算当前采样点在换能器坐标系下的位置,见公式(1)。R=n×ssf(1)式中,R为当前采样点到换能器的距离;n为波束采样点点号;ss为声波在海水中传播速度;f为采样点的采样频率。

2.2显示模块设计

根据不同视角将水柱影像成像设计为航向、垂向和波束阵列3个显示模块,分别与其水柱影像图对应显示。测量船沿测线方向连续采样时,将当前测线下采集到的所有水柱采样点按照其反向散射强度大小堆叠投影至YOZ平面(图1),即生成水柱影像航向图(图2(a));每一瞬时发射接收周期(Ping)下所有反向散射强度采样点进行归位计算后全部绘制到XOZ平面(图1),即为水柱影像垂向图(图2(b));将当前Ping下所有采样点按照其所在波束角和采样点号依次平行排列则生成波束阵列图(图2(c))。航向显示模块中可查看在当前测线较长时间间隔下水柱中央内部的变化,对水体中存在的连续目标物及其走势进行整体观察和判断;垂向显示模块对采集的每Ping数据进行检查,可查看每一瞬时切面下水体内部及海底信息;波束阵列图则是将每Ping采集到的全部采样点数据尽数展绘,可避免数据的遗漏。3个显示模块相互辅助可提高水柱影像目标查找准确性。

2.3分析模块

为准确判断水体目标物的位置和反向散射强度等信息,需要对其所在角度波束的时间序列以及其相同旅行时处的角度序列进行分析。时间序列以波束传播时间为横坐标,角度序列以波束角为横坐标,纵坐标均为反向散射强度(图3)。通过垂向显示模块初步判断目标物存在,选择目标物所在同范围曲线,根据角度序列图中峰值位置判断目标物所在波束角,选择目标所在角度的时间序列图,精确判断目标物位置。

3关键技术及主要功能

3.1八邻域插值

采集的原始水柱文件中,反向散射强度数据是按照波束角和采样点号依次排列的,当归算到直角坐标系时,波束边缘出现空值,导致影像显示不完整,极大影响影像识别。因此,须对在波束角范围内的采样空值点进行插值。数据解析中已知强度值区间为-64~0dB,空值区为0。定义一个3×3插值算子,算子中心O处灰度值为f(O),如果出现空值点,f(O)=0,此时取与空值点邻近的8个采样点中非空值的平均值作为f(O)的值(图4)。此方法可将待插值点和其周边采样点值相关联,符合坐标转化后的角度空值区的填补规律,十分便捷有效。插值前后细节区域对比效果见图5。

3.2影像增强

3.2.1灰度变换

水柱数据成像时,将反向散射强度数据与灰度数据相关联,即可生成原始水柱影像(图6(a))。此时影像直方图中目标灰度较为集中,且其灰度值总体较小,所成影像目标与背景较为相近,难以区分,目标成像不清晰。为使提升影像识别和细节表征能力,对原始影像进行如下灰度变换:灰度取反(图6(b))、灰度增加(图6(c))、灰度减小(图6(d))、线性增强(图6(e))、直方图均衡化(图6(f))。取反变换是对原影像中的灰度进行取反操作,实现底片效果;灰度增加和减小两种变换是对影像加上或减去一定灰度值对其进行再现;线性变化是对所有灰度值乘上固定的系数,使灰度覆盖范围扩大或缩小;直方图均衡变换是通过使用累积分布函数见公式(2)对灰度值进行“调整”,把原始图像的灰度直方图从比较集中的某个灰度区间变成在全部灰度范围内的均匀分布。Sk=255×∑kj=0njn(2)式中,k=0,1,2,...,L-1;Sk为均衡化后的灰度值;n为影像像素总数;nj为影像中某个灰度色阶j的像素数量;j的范围为0~k;L为影像可能的灰度级数。

3.2.2变换效果分析

通过图6中各种灰度变换后的水柱影像图及其灰度直方图,可以直观看到灰度变换的效果。虽然灰度取反、增加和减小对影像可见度有部分改善,但线性增强和直方图均衡化对影像优化更加明显。线性增强可根据用户设定的缩放参数对图像进行灰度缩放,调整至最优视图。直方图均衡化则表现了更优秀的成像能力,增强对比度,大大减少对弱回声目标的遗漏现象。综合比较后,直方图均衡变换方法是适合水柱二维影像灰度变换较为理想的方法。分析工具提供了以上各种变换,用户可根据需要选择适宜的灰度变换方法。

4实例分析

本次实验对象为1991年被作为休闲潜水设施沉没的货船MVG.B.Church,它沉没区域的水深约为24~27m,船身长54m,甲板上绳索齐全,桅杆和吊艇架均完整存在。实验对象在沉没前被测量并拍照记录,其突起物大小、特征和位置均有据可查。实验多波束设备为EM3002型号,同时采集测深数据和水柱数据,原始水柱文件记录数据类型为*.all格式。读入文件后可在水柱影像分析工具的主界面看到航向和垂向两个显示模块。航向显示模块中可观察到沿航迹线方向上有疑似沉船目标物的存在,并能看到其桅杆、绳索等细部特征物。在航向显示窗口中选择目标Ping后即在下方窗口中显示其垂向图。本例为桅杆所在Ping,此时可在右侧波束信息显示区域得知桅杆所在Ping号为58131,其波束开角为129.66°,波束数为160个,当前声速值为1477.2m/s,采样频率为7146.5Hz,海底深度为26.7m。根据设计的深度拾取功能还可查看桅杆最浅点的深度值约为4.1m。若使用波束阵列显示模块,则可得到目标Ping的波束阵列图(图2(c))。使用分析模块对水柱影像进一步分析时,可选择指定波束角和相同范围曲线,即得到相应的时间序列图和角度序列图(图3)。通过分析,可进一步确定沉船细节部分所在波束角、相对于换能器的位置以及目标物反向散射强度等重要信息。由于桅杆目标较为细长,传统的多波束测深时未能将其作为底部采样值记录或者将其作为噪声点过滤,此时不能得到此区域正确的最浅深度,危及航行安全。而在水柱影像中能够清晰观察到桅杆的存在,并可通过分析工具判断桅杆所在位置的最浅点。水柱影像图中还可观察到将环境噪声和旁瓣噪声的存在,如径向噪声、镜面回波和第一回波。由于海底反射较为强烈,导致海底所在相同范围曲线上所有采样点反向散射强度值增加,继而会掩盖部分区域真实目标。因此在水柱数据采集时,为保证水体目标物拥有较好的可视度,应使其分布在最小斜距范围以内。

5结束语

水柱影像提供了水体中目标物更丰富的细节信息,可用来辅助多波束测深数据处理。但由于其数据量较大以及其格式的不统一,给研究者带来了困难。本文介绍了一种多波束声纳水柱影像分析工具,可对*.all和*.wcd格式的原始水柱数据解析成图。并使用八邻域插值法以及直方图均衡等灰度变换法对水柱影像可视度和目标可见度进行较大改善。同时,可对影像图、时间序列和角度序列等原始数据进行提取保存,为进一步的分析研究奠定基础。通过实例验证了分析工具的功能性以及水柱影像的更为详尽的细节记录和重现能力,可作为辅助多波束测深以及水体目标探测分析的有效工具。

参考文献:

[1]阳凡林,韩李涛,王瑞富,等.多波束声纳水柱影像探测中底层水域目标的研究进展[J].山东科技大学学报:自然科学版,2013,32(6):75-82.

[2]丁继胜,董立峰,唐秋华,等.高分辨率多波束声纳系统海底目标物检测技术[J].海洋测绘.2014,34(5):62-64.

[9]赵建虎.多波束测深及图像数据处理方法[M].武汉:武汉大学出版社,2006.

[10]丁继胜,周兴华,吴永亭,等.多波束回声测深系统测量数据的分离提取方法[J].海洋测绘,2006,26(4):33-35.

[11]王煜,赵英俊,阳凡林,等.EM300X系列多波束ALL数据格式解析[A].山东科技大学学报:自然科学版,2009,28(5):16-22.

[12]金绍华,翟京生,刘雁春,等.SimradEM多波束反向散射强度数据精处理研究[J].测绘科学,2010,35(2):106-108.

作者:郑双强 刘洪霞 阳凡林 张凯 单位:山东科技大学测绘科学与工程学院 海岛(礁)测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室 山东省高校海洋测绘重点实验室

海洋测绘杂志责任编辑:冯紫嫣    阅读:人次
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