海底底質(zhì)的聲學(xué)特征研究

肖波

摘 要：海底底質(zhì)聲學(xué)特性一直是海洋地質(zhì)、水下工程地質(zhì)、海底礦產(chǎn)資源等領(lǐng)域重要的研究?jī)?nèi)容，海底的聲學(xué)反射回波的波形特征和海底的底質(zhì)特性有關(guān)，不同的海底底質(zhì)給出的反射波形特征是不同的，通過海底聲反射和聲散射等手段可以進(jìn)行海底底質(zhì)的聲學(xué)特征研究。當(dāng)研究區(qū)的底質(zhì)取樣資料稀少或者需要了解大面積沉積物類型面上分布時(shí)，聲學(xué)方法為研究海底表面特性和海底底質(zhì)特性的分類提供了一種十分快捷、經(jīng)濟(jì)的間接手段。

關(guān)鍵詞：海底底質(zhì)；聲學(xué)特征；研究

1 多波束系統(tǒng)聲學(xué)探測(cè)方程

對(duì)于確定的多波束系統(tǒng)（頻率、波束角等參數(shù)固定），波束傳播過程中的聲能變化可通過圖1和聲能方程式1來描述。

EL=SL-2TL+BS-NL+DIR（dB） （1）

圖1 波束在傳播過程中的聲能變化圖

式中，EL為接收換能器的聲噪水平；SL為聲波的發(fā)射強(qiáng)度；TL為傳播過程中產(chǎn)生的能量損失；BS為接收來自目標(biāo)反射（散射）的信號(hào)能級(jí)；NL為海洋噪聲對(duì)聲能造成的損失；DIR為指向性指數(shù)。

從接收聲能中除去發(fā)射聲能、發(fā)射和接收指向性指數(shù)、傳播損失和聲照面積影響后，剩余部分反映的是海底物質(zhì)對(duì)聲波的聲強(qiáng)（BS=BS0+10lgAE），BS取決于海底底質(zhì)類型、地形條件和波束在海底的投射面積（波束腳印的面積）AE，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立函數(shù)關(guān)系或數(shù)據(jù)庫(kù)，以采樣波束對(duì)應(yīng)的驚射角θ和聲強(qiáng)為索引，在數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢與之對(duì)應(yīng)的物理屬性，從而確定該波束在海底的底質(zhì)類型，達(dá)到海底底質(zhì)分類的目的。

由于圖像一般采用灰度描述，不能直觀的標(biāo)定不同物質(zhì)的地理區(qū)域。因此，需要根據(jù)圖像形成時(shí)建立的關(guān)系反演聲強(qiáng)，進(jìn)而劃分海底物質(zhì)類型。也可對(duì)灰度圖像按照灰度的變化進(jìn)行邊緣劃分（或輪廓線劃分），再根據(jù)劃分區(qū)域內(nèi)的灰度以及灰度與聲強(qiáng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系確定劃分區(qū)域的地質(zhì)類型。為了在地理框架下實(shí)現(xiàn)海底分類，需要利用如下兩個(gè)關(guān)系：（1）圖像中的像素位置與地理位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系；（2）圖像中灰度級(jí)與聲強(qiáng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

2 聲納數(shù)據(jù)處理和圖像的形成

測(cè)區(qū)內(nèi)聲納強(qiáng)度的變化一般利用聲納圖像來反映。聲納圖像通過將多個(gè)ping、條帶的聲強(qiáng)數(shù)據(jù)按照一定的原則拼接起來，并對(duì)其進(jìn)行抽樣和量化來形成。

2.1 ping與ping之間的拼接

受人為操作、海洋環(huán)境等因素的影響，換能器姿態(tài)做瞬時(shí)變化，從而導(dǎo)致測(cè)量斷面不完全與設(shè)計(jì)航線正交，因此，為了形成圖像，就必須按照船位，在地理框架下實(shí)現(xiàn)測(cè)量斷面的拼接。采樣參數(shù)經(jīng)聲線改正后，獲得波束中心相對(duì)換能器中心的水平位移和深度，進(jìn)而再根據(jù)航向和船位得到波束中心的地理坐標(biāo)。自此，對(duì)于每一個(gè)采樣，實(shí)際上獲得三個(gè)參量，即平面位置（x，y）和聲強(qiáng)。

2.2 條帶圖像間的拼接

條帶圖像間的拼接要解決兩個(gè)問題：一是幾何位置的統(tǒng)一，二是聲強(qiáng)值的統(tǒng)一。

幾何位置的統(tǒng)一實(shí)際上是為了實(shí)現(xiàn)條帶重疊區(qū)重合采樣點(diǎn)位置的對(duì)應(yīng)。對(duì)于相鄰條帶而言，每個(gè)聲納采樣點(diǎn)均能獲得其坐標(biāo)，且兩個(gè)條帶的坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一，因此，解決第一個(gè)問題比較容易。

圖像拼接的關(guān)鍵問題是解決接邊線的問題，即選擇出一條曲線，按照這條曲線把圖像拼接起來。待鑲嵌圖像按照這條曲線拼接后，曲線兩側(cè)的聲強(qiáng)變化不顯著或變化最小，這條理論上的曲線被稱為接邊線或鑲嵌線。

2.3 測(cè)區(qū)格網(wǎng)化及聲強(qiáng)數(shù)據(jù)的選取（抽樣）

為了便于計(jì)算機(jī)圖像處理，就須對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行柵格化。每個(gè)小的格網(wǎng)需要代表一個(gè)回波采樣，該格網(wǎng)即為圖像的像素。

聲強(qiáng)采樣的不均勻性可能導(dǎo)致格網(wǎng)內(nèi)出現(xiàn)沒有聲強(qiáng)數(shù)據(jù)、一個(gè)聲強(qiáng)數(shù)據(jù)和多個(gè)聲強(qiáng)數(shù)據(jù)的情況。為了真實(shí)反映海底物質(zhì)的特征，對(duì)于沒有聲強(qiáng)數(shù)據(jù)的情況，在灰度量化時(shí)，可將之設(shè)置為背景灰度級(jí)；對(duì)于存在單個(gè)聲強(qiáng)數(shù)據(jù)的情況，用該聲強(qiáng)反映格網(wǎng)所對(duì)應(yīng)實(shí)際海床的底質(zhì)類型；若存在多個(gè)聲強(qiáng)數(shù)據(jù)，最終聲強(qiáng)可根據(jù)如下原則確定；

（1）接近均值原則。所有聲強(qiáng)數(shù)據(jù)與均值較差，絕對(duì)差值最小者為可能的備選聲強(qiáng)。

（2）聲強(qiáng)變化漸進(jìn)性原則。由于格網(wǎng)代表的實(shí)際海底區(qū)域較小，地質(zhì)類型不可能發(fā)生大的突變，小區(qū)域范圍內(nèi)，地質(zhì)類型的變化具有漸進(jìn)性。

格網(wǎng)化和聲強(qiáng)抽樣工作完成的優(yōu)劣直接影響著將來圖像質(zhì)量的好壞，也影響著圖像對(duì)海底地質(zhì)類型的反映。格網(wǎng)劃分過粗（像素少），像素代表區(qū)域較大，形成圖像的Mosaic現(xiàn)象嚴(yán)重，則難以詳細(xì)地反映海底類型的變化；像素過多，達(dá)到飽和，圖像質(zhì)量將不再提高，相反還會(huì)造成計(jì)算量的增大。

2.4 聲強(qiáng)向灰度級(jí)的轉(zhuǎn)換（量化）

該轉(zhuǎn)換實(shí)際上是將聲強(qiáng)同描述圖像的灰度級(jí)對(duì)應(yīng)起來，實(shí)現(xiàn)聲強(qiáng)向灰度級(jí)的量化。

聲強(qiáng)的變化范圍主要取決于海床的地貌特征、地質(zhì)類型以及多波束系統(tǒng)。對(duì)于一個(gè)測(cè)區(qū)而言，若海底地貌特征和底質(zhì)類型變化復(fù)雜，聲強(qiáng)分布于整個(gè)變化范圍，則聲強(qiáng)GBs可量化為灰度G為：

G=126+GBs（128～126dB）對(duì)應(yīng)灰度范圍（255～0）

或G=126-GBs（128～126dB）對(duì)應(yīng)灰度范圍（0～255）

式中，G為灰度級(jí)；GBs為回波聲強(qiáng)。

若聲強(qiáng)變化范圍為（Gbsmin～Gbsmax），量化后的灰度范圍為（Gmin～Gmax），則聲強(qiáng)GBs量化后的灰度級(jí)G可表達(dá)為：

式中，GB為灰度級(jí)；（Gbsmax ～Gbsmin）對(duì)應(yīng)于（Gbmax～Gbmin）。

為了增強(qiáng)圖像的對(duì)比度，量化后的灰度范圍（Gbmax～Gbmin）同樣可取（0，255）。

在聲強(qiáng)向灰度級(jí)的轉(zhuǎn)換過程中，灰度級(jí)的選擇十分重要?；叶燃?jí)可設(shè)置為256、128、64、32、16、4、2，灰度級(jí)選擇的較大，圖像的明暗變化可反映出細(xì)微海底底質(zhì)的變化；反之，在圖像中，原來濃淡平滑變化的部分，因?yàn)榇至炕節(jié)獾a(chǎn)生較大的差別，從而造成假輪廓。另外，由于失去了濃淡的細(xì)微變化，量化后的圖像質(zhì)量將大大降低。若灰度級(jí)選為2，則圖像將成為黑白圖。與確定像素個(gè)數(shù)的情況一樣，灰度級(jí)大到一定的程度，對(duì)圖像質(zhì)量的提高將不再起作用，相反會(huì)加重計(jì)算量。endprint

抽樣和量化工作完成后，便形成了多波束聲納圖像。

3 聲強(qiáng)數(shù)據(jù)的濾波以及位置的確定和內(nèi)插

對(duì)于聲強(qiáng)測(cè)量，探測(cè)的是一個(gè)回向散射強(qiáng)度的時(shí)序觀測(cè)量，每一個(gè)時(shí)序觀測(cè)量相對(duì)波束投射點(diǎn)園要小的多，單位時(shí)間內(nèi)，時(shí)序采樣的個(gè)數(shù)是測(cè)深采樣的幾倍或十幾倍（視聲納圖像的分辨率而定）。聲強(qiáng)采樣測(cè)量的是該穿透區(qū)內(nèi)，由多個(gè)波束模式所包圍的波束投射點(diǎn)園區(qū)域。測(cè)區(qū)聲納圖像的獲得需要通過完成聲線改正和圖像鑲嵌才能獲得。在形成聲納圖像之前，還需對(duì)聲強(qiáng)進(jìn)行如下處理：

3.1 聲強(qiáng)數(shù)據(jù)濾波

理論上，聲強(qiáng)數(shù)據(jù)濾波也可采用深度數(shù)據(jù)濾波中的算法，由于數(shù)據(jù)量龐大，這里采用簡(jiǎn)單的滑動(dòng)平均濾波，其模型為：

式中N為選定窗口內(nèi)聲強(qiáng)的采樣個(gè)數(shù)；Bsi為第i個(gè)被平滑對(duì)象；BSj為窗口內(nèi)聲強(qiáng)采樣。

滑動(dòng)平均濾波能夠降低聲強(qiáng)中的噪聲，但窗口過大為引起聲強(qiáng)失真，窗口的大小取決于波束腳印的大小和底質(zhì)的變化特征。

3.2 聲強(qiáng)采樣位置的確定

多波束每一次測(cè)量形成一個(gè)斷面，斷面內(nèi)的聲強(qiáng)采樣具有時(shí)序性。為了繪制聲納圖像，聲強(qiáng)必須從時(shí)間序列轉(zhuǎn)化為橫向距離序列。多波束具有相對(duì)較高的測(cè)深精度，可以充分地利用其深度信息獲得振幅所對(duì)應(yīng)的正確位置（mitchell，1991；Reed and Hussong，1989）。如圖2所示，振幅軌跡為圖中w形的聲波信號(hào)，確定的投影面為相鄰測(cè)深點(diǎn)k和k+1確定的直線，其坡度a根據(jù)相鄰測(cè)深點(diǎn)的深度和距離差確定。由波束振幅投影法，設(shè)波束的入射角為φ，在角（φ-a）不是很小的情況下，則波束的橫向距離為：

d=d0+（i-i0）△rcosa/sin（φ-a）

式中，d0為波束中心的橫向距離，i為聲強(qiáng)采樣序號(hào)，i0為對(duì)應(yīng)的波束中心聲強(qiáng)采樣序號(hào)，△r為斜距方向距離采樣的間隔，a為坡度。若海底地形起伏變化不大，由上式可獲得準(zhǔn)確的聲強(qiáng)采樣位置。

3.3 聲強(qiáng)數(shù)據(jù)的內(nèi)插

實(shí)現(xiàn)了聲強(qiáng)數(shù)據(jù)的濾波和位置的確定以后，下一步需要考慮斷面上聲強(qiáng)數(shù)據(jù)的分布問題。由于多波束的測(cè)量模式所致，實(shí)際上投影點(diǎn)之間的距離不是一個(gè)常數(shù)，而是隨深度的變化而變化；底部檢測(cè)的失敗將導(dǎo)致聲強(qiáng)信息無效；粗差的剔除也是引起聲強(qiáng)數(shù)據(jù)空缺的一個(gè)因素。為了得到等間距的聲強(qiáng)分布，就需要根據(jù)波束投射點(diǎn)的位置對(duì)聲強(qiáng)進(jìn)行內(nèi)插?？紤]到聲強(qiáng)數(shù)據(jù)在斷面上的分布特點(diǎn)，采用簡(jiǎn)單的線性內(nèi)插便可獲得高精度的內(nèi)插聲強(qiáng)值。

4 結(jié)束語(yǔ)

多波束系統(tǒng)在進(jìn)行深度測(cè)量的同時(shí)也紀(jì)錄了來自海底的回波強(qiáng)度信息，這使利用聲強(qiáng)信息正演海底地質(zhì)學(xué)特征成為可能。根據(jù)對(duì)回波信號(hào)的處理，只要對(duì)原始接收的多波束回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)的傳播損失改正、聲線彎曲改正、海底地形對(duì)波束入射角的影響改正、聲照區(qū)面積改正和Lambert法則改正后，便可得到單一反映海底底質(zhì)類型的純量聲強(qiáng)，并利用這些純量聲強(qiáng)序列形成新的反映海底地貌的灰度圖像。在一些特征區(qū)域通過采樣確定海底底質(zhì)類型，結(jié)合純量的多波束聲強(qiáng)數(shù)據(jù)，就可以建立起純量聲強(qiáng)（或圖像灰度）與海底底質(zhì)類型的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并建立相應(yīng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)海底底質(zhì)分類。

參考文獻(xiàn)

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