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多波束声呐水体影像在中底层水域目标探测中的应用

刘洪霞  
【摘要】:多波束回声测深(Multibeam Echo Sounder,MBES)系统作为当前水下地形测量的主流设备,具有测量范围广、速度快、精度高等优点,能高效获取大面积水深数据和海底反向散射强度信息。新一代多波束系统除了具有记录海底深度、强度等信息外,还可以检测到水体中物体的散射,记录为多波束声呐水体数据(Water Column Data,WCD)。水体数据的处理、识别和应用是国际上多波束应用研究热点之一,本文深入分析了多波束声呐水体影像(Water Column Image,WCI),围绕中底层水域目标的探测及应用,以海底沉船和海洋内波两种典型目标为研究对象,研究其探测、识别和应用,拓展多波束应用领域,提高复杂环境下海底地形测量的精度,主要工作如下:1.系统阐述了多波束声呐水体成像机理、影响因素及成图方式。对水体数据生成的多种视角影像图的特征及优缺点进行详细分析,归纳总结了多波束水体成像影响因素,并提出溯源角度定权插值方法对水体数据成像效果进行了改善。2.针对水体影像噪声强烈、数据量大、目标识别困难等问题,提出了一种基于视图转换的水体二维影像目标提取方法。分别从垂向和航向对水体数据特性进行统计分析,以此为基础设计算法的思路框架:利用Otsu算法分割波束阵列投影图,获得图像前景区域,剔除水体背景数据;根据不同视角影像图的映射关系,定位目标和海底在垂向图中的采样区间,并设置局部阈值进行逐一滤波,达到抑制旁瓣的目的;通过航向图的凸闭包计算,识别水体目标区域。实验分析表明,本文算法准确定位了目标区域,从数据整体出发保证了水体影像的处理效率,并且具有较强的适应性和可控性。3.针对水体目标三维建模时表面采样点空间分布不均现象,提出了一种基于序列轮廓线的水下目标三维重建算法。根据多波束水体数据采集原理,将数据转换至地理框架下并逐ping提取轮廓点云;通过轮廓线中心平移、划分空间格网等方法,避免出现面片错位、自相交等问题,并使用最短对角线法构建三角格网;对于重建过程中的相邻ping间的“分支”问题,基于点位间的欧式距离自动插入断点,使不同轮廓线一一对应。结果分析表明,本文算法能够有效降低面片冗余度,同时避免带来孔洞现象,准确还原水下目标物特征,较现有的α-shape算法、抛雪球算法更具优势。4.基于海洋内波特征及动力学模型,分析了海洋内波对多波束测深精度的影响及海底地形畸变特征。分别从声速跃层垂直位移、声速跃层倾斜角度、航向方位角以及海底深度四个维度分析多波束测深中海洋内波的影响;针对不同因素影响机理,分析内波影响下的海底地形变化特点及测深误差分布,用以准确判断实测海底地形是否受内波影响。5.针对受海洋内波影响的海底地形出现的类似“麻花”状褶皱异常,提出了基于多波束水体影像的海洋内波探测及同步水深改正方法。基于海洋内波的水体影像特征及受内波影响的海底地形畸变特征提取内波振幅、波长、传播方向等参数,构建内波瞬态方程;根据空间几何关系及Snell法则,确定声线折射路径,进行三维声线跟踪,计算波束脚印坐标;经过多次迭代,逐渐提高改正精度。通过数值模拟表明,本文算法能有效改善多波束测深精度,实现海洋内波的探测及同步水深改正,提高多波束测量效率。


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