多波束与侧扫声呐高质量测量信息获取与叠加

严 俊

安徽大学资源与环境工程学院，安徽 合肥 230601

多波束声呐和侧扫声呐分别是目前获取海底地形与地貌图像最为有效的设备。多波束声呐可以同时获得海底测深地形与分辨率较低的海底图像，侧扫声呐可以获取高分辨率但位置精度较低的海底图像。为了准确获取海底精细的地形地貌信息，本文分别从多波束测深数据处理、多波束声呐图像处理、侧扫声呐图像处理、测深地形与侧扫声呐图像的叠加4个方面开展研究，最终得到了高精度高分辨率的海底地形地貌图像。论文的主要工作和创新如下：

(1) 多波束测深数据中残余误差综合影响削弱。多波束声呐在测量和数据处理中，尽管声速、船姿态、换能器安装偏差等因素被严格测定和校正，但它们的残余误差仍会对测深数据产生系统性影响。为此，提出了一种基于海底地形频谱特征的残余误差综合影响削弱方法。

该方法包括4个步骤：基于多项式模型和傅里叶分析的水深数据低频和高频地形信息分离，海底地形变化趋势的重建，实际地形变化趋势和海底微地形的融合，以及改正后数据的精度评估。并且形成了两种具体的处理流程。

将该方法应用于南海某水域多波束测深数据处理中，边缘波束测深数据的平均不符值从3.382 m分别降低为0.624和0.695 m，残余误差的影响得到有效地削弱。

(2) 多波束声呐图像中角度响应的改正。角度响应效应严重降低了多波束声呐海底图像的质量，进而影响了多波束声呐图像的应用。为此，提出了两种自适应角度响应改正方法，分别为建模法和分类改正法。

建模法包括连续脉冲平均角度响应曲线的提取，平均角度响应曲线的平滑，角度响应参数的提取，以及角度响应改正模型的建立4个步骤。分类改正法则包括角度响应参数的优化，非监督海底分类，不同底质角度响应曲线的提取，以及基于底质分类的角度响应改正4个步骤。

两种方法均能较彻底地削弱角度响应对多波束图像的影响。试验中，对于影响最严重的镜面区中回波强度的平均不符值从3.98 dB分别改善为0.38和0.17 dB。

(3) 顾及底质分布的侧扫声呐图像辐射畸变改正方法。受波束模式、传播损失、角度响应、拖鱼高度等影响，侧扫声呐图像中辐射畸变严重，导致图像质量较低甚至无法应用。为此，通过分析各畸变因素的特点，提出了顾及海底底质变化的侧扫声呐图像辐射畸变改正方法。

首先通过数据预处理消除了与角度无关的辐射畸变；然后根据同入射角下强度序列受影响相同的特点，对侧扫声呐图像开展了海底底质非监督分类；接着，提取出不同底质的角度-强度曲线；最后据此曲线实现辐射畸变改正。

利用福建沿海水域的实测侧扫声呐数据对该方法进行验证，重叠区域内回波强度的平均不符值从原始的17.8 dB降低为3.6 dB，从而显著地提高了侧扫声呐图像的质量。

(4) 多波束声呐与侧扫声呐测量信息的叠加。多波束声呐图像与侧扫声呐图像在位置和分辨率上具有较强的互补性，因而融合二者可获取高精度高分辨率的海底地形地貌图像。为此，提出了一种基于海底分类图像分区匹配实现侧扫声呐图像与多波束测深地形叠加方法。

首先，对多波束声呐图像和侧扫声呐图像依次进行海底底质分类；然后，通过对两种底质图像分区匹配实现对侧扫声呐图像位置校正；最后，基于位置信息实现校正后高分辨率侧扫声呐图像和高精度测深地形的叠加。

通过对福建沿海水域的实测多波束声呐与侧扫声呐数据进行试验，校正后的侧扫声呐图像中特征点位置最大差值从原来的19 m降低到3 m，精细地呈现了海底地形地貌。