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海底底质的声学特征研究

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海底底质的声学特征研究

1多波束系统声学探测方程

对于确定的多波束系统（频率、波束角等参数固定），波束传播过程中的声能变化可通过图1和声能方程式1来描述。

EL=SL-2TL+BS-NL+DIR（dB）（1）

图1波束在传播过程中的声能变化图

式中，EL为接收换能器的声噪水平；SL为声波的发射强度；TL为传播过程中产生的能量损失；BS为接收来自目标反射（散射）的信号能级；NL为海洋噪声对声能造成的损失；DIR为指向性指数。

从接收声能中除去发射声能、发射和接收指向性指数、传播损失和声照面积影响后，剩余部分反映的是海底物质对声波的声强（BS=BS0+10lgAE），BS取决于海底底质类型、地形条件和波束在海底的投射面积（波束脚印的面积）AE，利用实验数据建立函数关系或数据库，以采样波束对应的惊射角θ和声强为索引，在数据库中查询与之对应的物理属性，从而确定该波束在海底的底质类型，达到海底底质分类的目的。

由于图像一般采用灰度描述，不能直观的标定不同物质的地理区域。因此，需要根据图像形成时建立的关系反演声强，进而划分海底物质类型。也可对灰度图像按照灰度的变化进行边缘划分（或轮廓线划分），再根据划分区域内的灰度以及灰度与声强的转换关系确定划分区域的地质类型。为了在地理框架下实现海底分类，需要利用如下两个关系：（1）图像中的像素位置与地理位置的对应关系；（2）图像中灰度级与声强的转换关系。

2声纳数据处理和图像的形成

测区内声纳强度的变化一般利用声纳图像来反映。声纳图像通过将多个ping、条带的声强数据按照一定的原则拼接起来，并对其进行抽样和量化来形成。

2.1ping与ping之间的拼接

受人为操作、海洋环境等因素的影响，换能器姿态做瞬时变化，从而导致测量断面不完全与设计航线正交，因此，为了形成图像，就必须按照船位，在地理框架下实现测量断面的拼接。采样参数经声线改正后，获得波束中心相对换能器中心的水平位移和深度，进而再根据航向和船位得到波束中心的地理坐标。自此，对于每一个采样，实际上获得三个参量，即平面位置（x，y）和声强。

2.2条带图像间的拼接

条带图像间的拼接要解决两个问题：一是几何位置的统一，二是声强值的统一。

几何位置的统一实际上是为了实现条带重叠区重合采样点位置的对应。对于相邻条带而言，每个声纳采样点均能获得其坐标，且两个条带的坐标系统统一，因此，解决第一个问题比较容易。

图像拼接的关键问题是解决接边线的问题，即选择出一条曲线，按照这条曲线把图像拼接起来。待镶嵌图像按照这条曲线拼接后，曲线两侧的声强变化不显著或变化最小，这条理论上的曲线被称为接边线或镶嵌线。

2.3测区格网化及声强数据的选取（抽样）

为了便于计算机图像处理，就须对测区进行栅格化。每个小的格网需要代表一个回波采样，该格网即为图像的像素。

声强采样的不均匀性可能导致格网内出现没有声强数据、一个声强数据和多个声强数据的情况。为了真实反映海底物质的特征，对于没有声强数据的情况，在灰度量化时，可将之设置为背景灰度级；对于存在单个声强数据的情况，用该声强反映格网所对应实际海床的底质类型；若存在多个声强数据，最终声强可根据如下原则确定；

（1）接近均值原则。所有声强数据与均值较差，绝对差值最小者为可能的备选声强。

（2）声强变化渐进性原则。由于格网代表的实际海底区域较小，地质类型不可能发生大的突变，小区域范围内，地质类型的变化具有渐进性。

格网化和声强抽样工作完成的优劣直接影响着将来图像质量的好坏，也影响着图像对海底地质类型的反映。格网划分过粗（像素少），像素代表区域较大，形成图像的Mosaic现象严重，则难以详细地反映海底类型的变化；像素过多，达到饱和，图像质量将不再提高，相反还会造成计算量的增大。

2.4声强向灰度级的转换（量化）

该转换实际上是将声强同描述图像的灰度级对应起来，实现声强向灰度级的量化。

声强的变化范围主要取决于海床的地貌特征、地质类型以及多波束系统。对于一个测区而言，若海底地貌特征和底质类型变化复杂，声强分布于整个变化范围，则声强GBs可量化为灰度G为：

G=126+GBs（128～126dB）对应灰度范围（255～0）

或G=126-GBs（128～126dB）对应灰度范围（0～255）

式中，G为灰度级；GBs为回波声强。

若声强变化范围为（Gbsmin～Gbsmax），量化后的灰度范围为（Gmin～Gmax），则声强GBs量化后的灰度级G可表达为：

式中，GB为灰度级；（Gbsmax～Gbsmin）对应于（Gbmax～Gbmin）。

为了增强图像的对比度，量化后的灰度范