專利名稱：多波束聲納回波圖像地形校正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
遙感技術(shù)與測(cè)繪學(xué)。

背景技術(shù)：
多波束聲納系統(tǒng)不僅能獲得水下測(cè)深數(shù)據(jù)，還能獲得海底回波圖像數(shù)據(jù)，后者是目前海底地質(zhì)勘探的重要手段和途徑。由于水下地形起伏、聲納波束傾斜發(fā)射開(kāi)角等因素的共同影響，使得聲納回波強(qiáng)度發(fā)生改變，最終導(dǎo)致同質(zhì)區(qū)域的回波圖像表現(xiàn)出不同的回波強(qiáng)度，無(wú)法真實(shí)表達(dá)水下地物的聲學(xué)反射特性。這將影響海底地質(zhì)探測(cè)、海底地物分類等海底勘探的一系列技術(shù)問(wèn)題。
本項(xiàng)發(fā)明基于多波束聲納獲取的水下測(cè)深數(shù)據(jù)，計(jì)算聲納波束到達(dá)水底地形的入射角和聲納回波強(qiáng)度的關(guān)系，對(duì)多波束聲納回波圖像進(jìn)行地形校正，消除地形對(duì)回波圖像的影響。本文的多波束聲納回波圖像地形校正方法屬于原創(chuàng)性研究，有關(guān)文獻(xiàn)無(wú)相關(guān)報(bào)道。


發(fā)明內(nèi)容
本項(xiàng)發(fā)明的目的在于針對(duì)已有技術(shù)存在的問(wèn)題，提供一種回波圖像地形校正方法，消除地形對(duì)回波圖像的影響。
為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明的構(gòu)思是 本項(xiàng)發(fā)明基于多波束聲納獲取的測(cè)深數(shù)據(jù)和回波圖像，進(jìn)行回波圖像的地形校正方法。首先根據(jù)測(cè)深數(shù)據(jù)生成水下數(shù)字高程模型(DEM)，然后計(jì)算出回波圖像中每個(gè)像元的波束入射角，然后根據(jù)入射角和回波圖像像元回波強(qiáng)度的關(guān)系，進(jìn)行回波圖像的地形校正。
根據(jù)上述的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案 一種波束聲納回波圖像地形校正方法，其特征在于多波束聲納可以同時(shí)獲得水下測(cè)深數(shù)據(jù)和回波圖像。在地形起伏區(qū)域，聲納圖像像元的回波強(qiáng)度受到地形的影響，造成同質(zhì)區(qū)域回波圖像表現(xiàn)出不同的回波強(qiáng)度。該回波強(qiáng)度的變化反映了地形對(duì)聲納圖像的影響，因此可以通過(guò)多波束聲納同時(shí)獲得的水下測(cè)深數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為水下數(shù)字高程模型，然后計(jì)算回波圖像中每個(gè)像元對(duì)應(yīng)的波束入射角，建立回波圖像信息與波束入射角之間定量關(guān)系的數(shù)理模型，對(duì)回波圖像進(jìn)行地形校正，消除地形對(duì)其的影響。
其具體操作步驟如下 (1)在通過(guò)對(duì)多波束獲取回波圖像時(shí)，同時(shí)測(cè)取水下測(cè)深數(shù)據(jù)； (2)輸入研究區(qū)域的數(shù)字水下測(cè)深數(shù)據(jù)，根據(jù)其建立數(shù)字高程模型(DEM)； (3)對(duì)回波圖像和數(shù)字高程模型(DEM)進(jìn)行配準(zhǔn)； (4)逐點(diǎn)計(jì)算回波圖像上各點(diǎn)的波束入射角； (5)計(jì)算任意波束入射傾斜地表時(shí)獲取的回波強(qiáng)度； (6)模擬波束垂直入射對(duì)應(yīng)水平地表時(shí)獲取的回波強(qiáng)度； (7)根據(jù)(5)和(6)步驟，對(duì)回波圖像進(jìn)行地形校正； (8)輸出地形校正后的回波圖像； 以上所述步驟(4)中計(jì)算機(jī)逐點(diǎn)計(jì)算回波圖像上各點(diǎn)的波束入射角計(jì)算方法如下 設(shè)回波圖像中某一像元Pi，j(i，j為像元在圖像中的行列號(hào)，以下同)，波束入射角為 cosi＝cosαcosθ+sinαsinθcos(β-ω) (1) (1)式中，α為坡度角，β為坡向角，它們可以利用多波束系統(tǒng)同步獲取的水下測(cè)深數(shù)據(jù)計(jì)算得到。該像元對(duì)應(yīng)的聲納波束入射高度角為θ；波束方位角為ω。對(duì)于垂直發(fā)射的中心波束，波束方位角為0°；其它傾斜發(fā)射的波束，其方位角分別為90°(右船舷)或180°(左船舷)。
(1)式中，聲納入射高度角θ由多波束系統(tǒng)的發(fā)射開(kāi)角

和水下的聲速共同確定
公式中，c0和cn分別為波束發(fā)射時(shí)和到達(dá)河床時(shí)對(duì)應(yīng)的聲速。
步驟(5)中計(jì)算任意波束入射傾斜地表時(shí)獲取的回波強(qiáng)度的方法如下 任意聲納波束到達(dá)傾斜地表的入射強(qiáng)度Iin為 Iin＝I0dAcosi/r2 (3) 式中，I0為波束的發(fā)射聲強(qiáng)，r為射程；dA表示波束照射的海底面積。
當(dāng)聲強(qiáng)入射到水下表面時(shí)，聲強(qiáng)被粗糙的海底表面散射到各個(gè)方向。此時(shí)的后向散射聲強(qiáng)Iout為 Iout＝u sinλcosiI0dA/r2 (4) 其中，Iout為后向散射強(qiáng)度，u為比例常數(shù)，λ是后向散射方向的方位角。假設(shè)聲納系統(tǒng)收發(fā)同置，則λ＝i。散射聲強(qiáng)按原方向返回后，聲納獲取的回波強(qiáng)度Irecived-T為 Irecived-T＝uI0dAcos2i/r4 (5) 步驟(6)中模擬波束垂直入射對(duì)應(yīng)水平地表時(shí)獲取的回波強(qiáng)度的方法如下 當(dāng)波束垂直入射水平地表時(shí)，其波束發(fā)射開(kāi)角、入射角和后向散射方位角均為90°；坡度角為0°；發(fā)射波束方位角與坡度方位角之差為0°。此時(shí)，波束接收的回波強(qiáng)度為Irecived-H Irecived-H＝uI0A0/H4 (6) 式中，A0為波束垂直入射時(shí)波束照射的海底面積，它與任意波束照射的海底面積存在以下關(guān)系 dA＝A0/cosα (7) 由于波束垂直入射，射程由r變?yōu)閾Q能器到海底地形的垂直深度H。H與射程之間的關(guān)系為 H＝Rcosθ(8) 聲波在水下傳播中速度發(fā)生改變，實(shí)際射程與海底地形深度的關(guān)系為 其中，Δr是單位射程；n為聲速剖面的層數(shù)；cn和cn-1分別為相鄰剖面層對(duì)應(yīng)的聲速。則波束垂直入射對(duì)應(yīng)水平地表時(shí)獲取的回波強(qiáng)度為 步驟(7)中回波圖像的地形校正方法如下 由(5)式和(10)式聯(lián)立，將任意波束入射到傾斜地表的回波強(qiáng)度，校正到垂直波束入射到水平地表的回波強(qiáng)度，即 由于聲納系統(tǒng)總是以10lg的形式表達(dá)聲強(qiáng)，根據(jù)聲強(qiáng)的定義，(11)式可等價(jià)為 上式中，BSH、BST分別為傾斜地表和水平地表下回波強(qiáng)度的對(duì)數(shù)表達(dá)形式。(12)式即為多波束聲納系統(tǒng)接收的后向散射回波影像的地形校正模型。
本項(xiàng)發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點(diǎn)與積極效果 多波束系統(tǒng)的回波圖像是目前水下/海底地質(zhì)探測(cè)、目標(biāo)檢測(cè)和地質(zhì)分類的重要數(shù)據(jù)和信息來(lái)源。然而由于多波束系統(tǒng)本身傾斜發(fā)射的特點(diǎn)和水下地形的共同影響，造成同類型地物在回波圖像中呈現(xiàn)出不同的回波強(qiáng)度。這種回波強(qiáng)度的差異會(huì)影響水下/海底地質(zhì)探測(cè)和分類的精度。通常的處理方式都是采用統(tǒng)計(jì)的方法分析回波強(qiáng)度和波束入射角的關(guān)系。本發(fā)明利用多波束聲納同步獲取回波數(shù)字圖像和測(cè)深數(shù)據(jù)，能夠自動(dòng)對(duì)研究區(qū)域的回波圖像進(jìn)行地形校正，消除地形對(duì)回波圖像的影響，使影像中的回波強(qiáng)度能夠真實(shí)的反映地物本身的特性。
本項(xiàng)發(fā)明在水下地質(zhì)勘探、提高水下目標(biāo)檢測(cè)和地質(zhì)分類精度等方面具有重要意義。



圖1為本發(fā)明多波束聲納回波圖像地形校正的原理方法計(jì)算流程圖。
圖2為美國(guó)加利福尼亞海岸地區(qū)水下測(cè)深數(shù)字地圖。
圖3為美國(guó)加利福尼亞海岸地區(qū)同步獲取的后向散射回波圖像。
圖4為美國(guó)加利福尼亞海岸地區(qū)地形校正后的后向散射回波圖像。

具體實(shí)施例方式 本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明如下 本例為R/V Melville測(cè)量船裝載的Seabeam2000多波束系統(tǒng)于1992年在加利福尼亞海岸采集的測(cè)深數(shù)據(jù)和回波圖像說(shuō)明多波束聲納回波圖像的地形校正原理方法。
參見(jiàn)圖2，其出示了本實(shí)施所要研究區(qū)域，即美國(guó)加利福尼亞海岸地區(qū)的測(cè)深數(shù)字地形圖()。
參見(jiàn)圖1，它是本發(fā)明多波束聲納回波圖像的地形校正原理方法的計(jì)算機(jī)流程圖。在計(jì)算機(jī)中，運(yùn)行步驟如下 (1)在通過(guò)多波束獲得回波圖像時(shí)，同時(shí)測(cè)取水下測(cè)深數(shù)據(jù)； (2)輸入研究區(qū)域的數(shù)字水下測(cè)深數(shù)據(jù)(圖像)，根據(jù)其建立水下數(shù)字高程模型(DEM)； (3)對(duì)聲納回波圖像和數(shù)字高程模型(DEM)進(jìn)行配準(zhǔn)； (4)逐點(diǎn)計(jì)算回波圖像上各點(diǎn)的波束入射角； (5)計(jì)算任意波束入射傾斜地表時(shí)獲取的回波強(qiáng)度； (6)模擬波束垂直入射對(duì)應(yīng)水平地表時(shí)獲取的回波強(qiáng)度； (7)根據(jù)(5)和(6)步驟，對(duì)回波圖像進(jìn)行地形校正。
(8)輸出校正后的回波圖像。
以上所述步驟(4)中計(jì)算機(jī)逐點(diǎn)計(jì)算回波圖像上各點(diǎn)的波束入射角計(jì)算方法如下 設(shè)回波圖像中某一像元Pi，j(i，j為像元在圖像中的行列號(hào)，以下同)，波束入射角為 cosi＝cosαcosθ+sinαsinθcos(β-ω) (1) (1)式中，α為坡度角，β為坡向角，它們可以利用多波束系統(tǒng)同步獲取的水下測(cè)深數(shù)據(jù)計(jì)算得到。該像元對(duì)應(yīng)的聲納波束入射高度角為θ；波束方位角為ω。對(duì)于垂直發(fā)射的中心波束，波束方位角為0°；其它傾斜發(fā)射的波束，其方位角分別為90°(右船舷)或180°(左船舷)。
(1)式中，聲納入射高度角θ由多波束系統(tǒng)的發(fā)射開(kāi)角

和水下的聲速共同確定
公式中，c0和cn分別為波束發(fā)射時(shí)和到達(dá)河床時(shí)對(duì)應(yīng)的聲速。
步驟(5)中計(jì)算任意波束入射傾斜地表時(shí)獲取的回波強(qiáng)度的方法如下 任意聲納波束到達(dá)傾斜地表的入射強(qiáng)度Iin為 Iin＝I0dAcosi/r2(3) 式中，I0為波束的發(fā)射聲強(qiáng)，r為射程；dA表示波束照射的海底面積。
當(dāng)聲強(qiáng)入射到水下表面時(shí)，聲強(qiáng)被粗糙的海底表面散射到各個(gè)方向。此時(shí)的后向散射聲強(qiáng)Iout為 Iout＝usinλcosiI0dA/r2(4) 其中，Iout為后向散射強(qiáng)度，u為比例常數(shù)，λ是后向散射方向的方位角。假設(shè)聲納系統(tǒng)收發(fā)同置，則λ＝i。散射聲強(qiáng)按原方向返回后，聲納獲取的回波強(qiáng)度Irecived-T為 Irecived-T＝uI0dAcos2i/r4 (5) 步驟(6)中模擬波束垂直入射對(duì)應(yīng)水平地表時(shí)獲取的回波強(qiáng)度的方法如下 當(dāng)波束垂直入射水平地表時(shí)，其波束發(fā)射開(kāi)角、入射角和后向散射方位角均為90°；坡度角為0°；發(fā)射波束方位角與坡度方位角之差為0°。此時(shí)，波束接收的回波強(qiáng)度為Irecived-H Irecived-H＝uI0A0/H4 (6) 式中，A0為波束垂直入射時(shí)波束照射的海底面積，它與任意波束照射的海底面積存在以下關(guān)系 dA＝A0/cosα (7) 由于波束垂直入射，射程由r變?yōu)閾Q能器到海底地形的垂直深度H。H與射程之間的關(guān)系為 H＝Rcosθ (8) 聲波在水下傳播中速度發(fā)生改變，實(shí)際射程與海底地形深度的關(guān)系為 其中，Δr是單位射程；n為聲速剖面的層數(shù)；cn和cn-1分別為相鄰剖面層對(duì)應(yīng)的聲速。則波束垂直入射對(duì)應(yīng)水平地表時(shí)獲取的回波強(qiáng)度為 步驟(7)中回波圖像的地形校正方法如下 由(5)式和(10)式聯(lián)立，將任意波束入射到傾斜地表的回波強(qiáng)度，校正到垂直波束入射到水平地表的回波強(qiáng)度，即 由于聲納系統(tǒng)總是以10lg的形式表達(dá)聲強(qiáng)，根據(jù)聲強(qiáng)的定義，(11)式可等價(jià)為 上式中，BSH、BST分別為傾斜地表和水平地表下回波強(qiáng)度的對(duì)數(shù)表達(dá)形式。(12)式即為多波束聲納系統(tǒng)接收的后向散射回波影像的地形校正模型。
實(shí)例與討論 聲納回波圖像中某像元，其坡度角為17.69°，波束入射角余弦值為0.49。該像元背離波束發(fā)射方向，其對(duì)應(yīng)回波強(qiáng)度值BST＝3.56dB。進(jìn)行地形校正后，其坡度角為0；波束入射角為90；此時(shí)，對(duì)應(yīng)回波強(qiáng)度值BSH＝5.62dB。對(duì)應(yīng)地，另一同類像元，其坡度角為4.69°；波束入射角余弦值為0.98。該像元朝向波束發(fā)射方向，對(duì)應(yīng)回波強(qiáng)度值BST＝15bB，經(jīng)過(guò)地形校正后，對(duì)應(yīng)的回波強(qiáng)度值BSH＝5.49dB。
從上面可以看出，分別位于波束入射陰面和陽(yáng)面的同類像元回波強(qiáng)度值經(jīng)過(guò)地形校正后接近一致。這種同類地物回波強(qiáng)度的一致性為海底地質(zhì)精確探勘提供了可靠的依據(jù)。
權(quán)利要求
1、一種多波束聲納回波圖像地形較正方法，其特征在于通過(guò)多波束同時(shí)獲得回波圖像和水下測(cè)深數(shù)據(jù)，根據(jù)水下測(cè)深數(shù)據(jù)構(gòu)建水下數(shù)據(jù)高程模型，然后計(jì)算回波圖像中每個(gè)像元對(duì)應(yīng)的波束入射角，建立回波圖像與波束入射角之間定量關(guān)系的數(shù)理模型，對(duì)回波圖像進(jìn)行地形較正，消除地形對(duì)其的影響；具體操作步驟如下
(1)在通過(guò)多波束獲得回波圖像時(shí)，同時(shí)測(cè)取測(cè)深數(shù)據(jù)；
(2)根據(jù)水下測(cè)深數(shù)據(jù)建立數(shù)字高程模型DEM；
(3)對(duì)回波圖像和數(shù)字高程模型DEM進(jìn)行匹配；
(4)逐點(diǎn)計(jì)算回波圖像上各點(diǎn)的波束入射角；
(5)計(jì)算任意波束入射傾斜地表時(shí)獲取的回波強(qiáng)度；
(6)模擬波束垂直入射對(duì)應(yīng)水平地表時(shí)獲取的回波強(qiáng)度；
(7)根據(jù)步驟(5)和(6)，對(duì)回波圖像進(jìn)行地形較正；
(8)輸出地形較正后的回波圖像。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的多波束聲納回波圖像地形較正方法，其特征在于所述步驟(4)中逐點(diǎn)計(jì)算回波圖像上各點(diǎn)的波束入射角的具體計(jì)算方法如下
設(shè)回波圖像中某一像元Pi，j，i，j為像元在圖像中的行列號(hào)，波束入射角為
cosi＝cosαcosθ+sinαsinθcos(β-ω)
式中，α為坡度角，β為坡向角，它們可以利用多波束系統(tǒng)同步獲取的水下測(cè)深數(shù)據(jù)計(jì)算得到；該像元Pi，j對(duì)應(yīng)的聲納波束入射高度角為θ；波束方位角為ω；對(duì)于垂直發(fā)射的中心波束，波束方位角為0°；其它傾斜發(fā)射的波束，其方位角分別船舷為90°或左船舷為180°。
所述聲納入射高度角θ由多波束系統(tǒng)的發(fā)射開(kāi)角
和水下的聲速共同確定
式中，c0和cn分別為波束發(fā)射時(shí)和到達(dá)河床時(shí)對(duì)應(yīng)的聲速。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的多波束聲納圖像地形較正方法，其特征在于所述步驟(5)中計(jì)算任意波束入射傾斜地表時(shí)獲取的回波強(qiáng)度的方法如下
任意聲納波束到達(dá)傾斜地表的入射強(qiáng)度Iin為
Iin＝I0dAcosi/r2
式中，I0為波束的發(fā)射聲強(qiáng)，r為射程；dA表示波束照射的海底面積；
當(dāng)聲強(qiáng)入射到水下表面時(shí)，聲強(qiáng)被粗糙的海底表面散射到各個(gè)方向，此時(shí)的后向散射聲強(qiáng)Iout為
Iout＝usinλcosiI0dA/r2
其中，Iout為后向散射強(qiáng)度，u為比例常數(shù)，λ是后向散射方向的方位角；假設(shè)聲納系統(tǒng)收發(fā)同置，則λ＝i，散射聲強(qiáng)按原方向返回后，聲納獲取的回波強(qiáng)度Irecived-T為
Irecived-T＝uI0dAcos2i/r4
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的多波束聲納回波圖像地形較正方法，其特征在于所述步驟(6)中模擬波束垂直入射對(duì)應(yīng)水平地表時(shí)獲取的回波強(qiáng)度的方法如下
當(dāng)波束垂直入射水平地表時(shí)，其波束發(fā)射開(kāi)角、入射角和后向散射方位角均為90°；坡度角為0°，發(fā)射波束方位角與坡度方位角之差為0°。此時(shí)，波束接收的回波強(qiáng)度為Irecived-H
Irecived-H＝uI0A0/H4
式中，A0為波束垂直入射時(shí)波束照射的海底面積，它與任意波束照射的海底面積存在以下關(guān)系
dA＝A0/cosα
由于波束垂直入射，射程由r變?yōu)閾Q能器到海底地形的垂直深度H，H與射程之間的關(guān)系為
H＝Rcosθ
聲波在水下傳播中速度發(fā)生改變，實(shí)際射程與海底地形深度的關(guān)系為
其中，Δr是單位射程；n為聲速剖面的層數(shù)；cn和cn-1分別為相鄰剖面層對(duì)應(yīng)的聲速。則波束垂直入射對(duì)應(yīng)水平地表時(shí)獲取的回波強(qiáng)度為
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的多波束聲納回波圖像地形校正方法，其特征在于所述步驟(7)中回波圖像的地形校正方法如下
由Iout＝usinλcosiI0dA/rA2和聯(lián)立，將任意波束入射到傾斜地表的回波強(qiáng)度，校正到垂直波束入射到水平地表的回波強(qiáng)度，即
由于聲納系統(tǒng)總是以10lg的形式表達(dá)聲強(qiáng)，根據(jù)聲強(qiáng)的定義，上式可等價(jià)為
上式中，BSH、BST分別為傾斜地表和水平地表下回波強(qiáng)度的對(duì)數(shù)表達(dá)形式。該式即為多波束聲納系統(tǒng)接收的后向散射回波影像的地形校正模型。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多波束聲納回波圖像地形校正方法。它在通過(guò)多波束獲得回波圖像時(shí)，同時(shí)測(cè)取水下測(cè)深數(shù)據(jù)，根據(jù)水下測(cè)深數(shù)據(jù)構(gòu)建水下數(shù)字高程模型(DEM)，然后計(jì)算回波圖像中每個(gè)像元對(duì)應(yīng)的波束入射角，建立回波圖像與波束入射角之間定量關(guān)系的數(shù)據(jù)模型，對(duì)回波圖像進(jìn)行地形校正，消除地形對(duì)其影響。本發(fā)明在水下地質(zhì)勘探、提高水下目標(biāo)檢測(cè)和地質(zhì)分類精度等方面具有重要意義。
文檔編號(hào)G01S15/00GK101526616SQ20091004833
公開(kāi)日2009年9月9日 申請(qǐng)日期2009年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月26日
發(fā)明者李先華, 微 黃 申請(qǐng)人:上海大學(xué)