多波束反向散射数据处理的若干关键问题研究

摘要

多波束声呐系统是探测海底地形地貌的主要设备之一，不仅能够获得水下地形图，还可同时获取高分辨率声呐图像，为大范围海底底质分类提供一种可行的手段。然而，由于海洋环境及声呐系统本身的复杂性，多波束反向散射数据存在大量误差，势必影响其在海底底质分类中的应用。其中，海底地形起伏及镜面回波带来的误差最为显著，前者会造成波束海底入射角及声照区面积计算不准确；而后者会造成船底正下方出现条带状异常假象，是声呐图像中难以处理的系统误差之一。为此，本文严密推导了海底三维入射角及有效声照射面积的计算公式，然后重点研究了船底正下方条带状异常假象的改正方法，对有效利用多波束反向散射数据进行海底底质分类具有重要意义。主要工作如下：
　　（1）在前人研究的基础上，构建了海底三维入射角的计算模型。基于多波束点云归位模型及海底地形模型，本文顾及了换能器三轴安装偏差角、船体姿态、声线弯曲及海底地形等因素，详细推导了海底真实入射角的实用公式，提高了入射角计算的准确度，易于编程实现。
　　（2）构建了顾及海底局部倾斜的有效声照射面积计算模型。本文首先分析了影响有效声照射面积的不确定性因素，然后通过分析海底倾角分别对波束脚印面积及声脉冲照射面积的影响，精确推导了顾及海底局部倾斜的有效声照射面积的计算公式，与平坦海底假设结果相比，本文公式计算结果更符合海底实际起伏情况。
　　（3）针对声呐图像中船底正下方区域条带状异常假象，提出了一种等均值方差拟合模型的改正方法。本文系统分析了该类假象的影响因素及表现，考虑到海底底质具有区域性平稳变化特征，船底正下方区域的数据变化程度及趋势应与两侧相同，故本文模型利用异常区域两侧一定范围内回波强度的均值和方差，压缩和移动船底正下方区域数据，算法物理意义明确。既有效利用了异常区域的原始采集信息，保留了船底正下方区域相对反向散射强度关系，又能有效去除条带状异常假象。文中用实测数据验证了算法的可行性。

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摘 要

ABSTRACT

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Contents

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容及组织结构

2 背景知识

2.1 多波束声呐系统工作原理

2.1.1 多波束声呐系统组成

2.1.2 多波束声呐成像方式

2.2 多波束反向散射强度影响因素分析

2.3 多波束反向散射强度的一般处理方法

2.3.1 采集时TVG去除

2.3.2 声波传播损失改正

2.3.3 声照区面积改正

2.3.4 入射角效应改正

2.4 本章小结

3 海底三维入射角的精确计算

3.1 波束三维入射向量计算模型

3.2 海底法线向量计算模型

3.3 实验与分析

3.3.1 测区概况及数据准备

3.3.2 海底入射角计算及分析

3.4 本章小结

4 顾及海底局部倾斜的有效声照射面积精确计算

4.1 有效声照射面积不确定性因素分析

4.2 顾及海底局部倾斜的有效声照射面积精确计算模型

4.3 实验与分析

4.4 本章小结

5 船底正下方回波强度异常的影响因素及改正

5.1 船底正下方回波强度异常的影响因素

5.2 基于等均值方差拟合模型的改正方法

5.2.1 拟合回波强度趋势线

5.2.2 压缩异常区域强度变化的程度

5.2.3 移动异常区域趋势线至整体拟合的趋势线

5.3 实验与分析

5.3.1 多波束原始实测数据实例分析

5.3.2 声呐图像实例分析

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致 谢

攻读硕士期间主要成果