多波束聲納水柱影像分析范文
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《海洋測繪雜志》2016年第6期
摘要:
多波束水柱數(shù)據(jù)攜帶了波束從換能器到海底的完整聲學(xué)信息，可用于探測海面至海底的聲照射目標(biāo)。通過對多波束原始水柱數(shù)據(jù)文件(*.all，*.wcd)解析，分析提取水柱數(shù)據(jù)繪制其航向剖面圖、垂直剖面圖和波束陣列圖。利用水柱影像分析工具可清晰判斷水體中目標(biāo)物的形狀、大小和位置，獲得傳統(tǒng)多波束深度測量無法探測到的細小特征。實例分析表明，研發(fā)的水柱影像分析工具在水柱成像及水體目標(biāo)探測識別中有著重要應(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞:
海洋測量;多波束測深;水柱影像;水柱數(shù)據(jù);目標(biāo)探測
1引言
多波束聲納水柱影像在水下目標(biāo)探測中應(yīng)用廣泛［1］，可反映聲波穿透區(qū)整個水體中目標(biāo)物反射信息［2］。在探測航道礙航物［3］、沉船［4－5］、水雷和潛艇等民用和軍事目標(biāo)，監(jiān)測海底熱液噴口、氣層泄露［6］、海洋內(nèi)波［7］等海洋環(huán)境活動中有著重要作用和應(yīng)用前景。隨著多波束技術(shù)研究和硬件設(shè)備的發(fā)展，大部分多波束測量系統(tǒng)擁有測量水深數(shù)據(jù)同時記錄水柱數(shù)據(jù)的能力。國外研究者開始發(fā)掘其中的重要價值，Marques［8］研究表明多波束水柱影像可用于識別和精確定位海水中懸浮目標(biāo)，用于海洋學(xué)研究、海事搜救和打撈、軍事應(yīng)用以及地質(zhì)活動跟蹤。Auke［3］使用水柱數(shù)據(jù)分析了沉船桅桿等物體的成像和跟蹤能力。HugeClarke［4－5］等提出使用多波束水柱數(shù)據(jù)成像并改進精化沉船的最淺深度。多波束水柱信息尚是一個新生事物，在目前國際上還未推廣應(yīng)用，國內(nèi)學(xué)者對其研究甚少。同時，許多廠商采集的水柱信息采用自定義的格式存儲，成像、處理與分析軟件極其缺乏。本文對KongsbergSimrad公司生產(chǎn)的EM系列多波束聲納系統(tǒng)采集的原始水柱數(shù)據(jù)文件(*.all和*.wcd)進行結(jié)構(gòu)分析、數(shù)據(jù)提取和水柱成像分析工具的設(shè)計與開發(fā)。將水體目標(biāo)以不同視野清晰顯示，輔助測量人員對目標(biāo)物的形狀、大小以及位置等信息進行判斷，獲取傳統(tǒng)多波束深度測量無法探測的詳盡水體中目標(biāo)信息。
2水柱影像分析工具設(shè)計實現(xiàn)
分析工具基于MicrosoftVisualStudio2010MFC平臺進行界面設(shè)計和程序?qū)崿F(xiàn)，分為顯示和分析兩個模塊。顯示模塊主要對航向、垂向以及波束陣列方式進行影像顯示;分析模塊則提供在時間序列和角度序列上的數(shù)據(jù)變化信息，主要用于后續(xù)研究。為了使圖像能更清晰完整地反映水體中目標(biāo)特征，引入了圖像插值和灰度變換技術(shù)，進一步提高了目標(biāo)識別率和成像效果。
2.1水柱成像原理
多波束聲納工作時，換能器發(fā)射基元陣列持續(xù)發(fā)射聲波，聲波從水體至海底經(jīng)過反向散射后，再由接收換能器對回波信號進行接收。對于傳統(tǒng)的深度測量，僅探測代表波束腳印中心處的平均往返時間或相位變化［9］;而水柱數(shù)據(jù)則是采集沿探測波束方向上反向散射強度的時序觀測量，其采樣個數(shù)是同時水深測量的成百上千倍。在不考慮聲速、水深環(huán)境、海底起伏等因素下，隨著測量船的行進，每條測線可獲得一個三角柱體，見圖1。水柱數(shù)據(jù)采集為等時間采樣模式，根據(jù)儀器設(shè)定的脈沖寬度和采樣頻率決定當(dāng)前水深環(huán)境下波束序列的采樣點個數(shù)，結(jié)合聲波在水中傳播速度以及波束入射角可計算當(dāng)前采樣點在換能器坐標(biāo)系下的位置，見公式(1)。R=n×ssf(1)式中，R為當(dāng)前采樣點到換能器的距離;n為波束采樣點點號;ss為聲波在海水中傳播速度;f為采樣點的采樣頻率。
2.2顯示模塊設(shè)計
根據(jù)不同視角將水柱影像成像設(shè)計為航向、垂向和波束陣列3個顯示模塊，分別與其水柱影像圖對應(yīng)顯示。測量船沿測線方向連續(xù)采樣時，將當(dāng)前測線下采集到的所有水柱采樣點按照其反向散射強度大小堆疊投影至YOZ平面(圖1)，即生成水柱影像航向圖(圖2(a));每一瞬時發(fā)射接收周期(Ping)下所有反向散射強度采樣點進行歸位計算后全部繪制到XOZ平面(圖1)，即為水柱影像垂向圖(圖2(b));將當(dāng)前Ping下所有采樣點按照其所在波束角和采樣點號依次平行排列則生成波束陣列圖(圖2(c))。航向顯示模塊中可查看在當(dāng)前測線較長時間間隔下水柱中央內(nèi)部的變化，對水體中存在的連續(xù)目標(biāo)物及其走勢進行整體觀察和判斷;垂向顯示模塊對采集的每Ping數(shù)據(jù)進行檢查，可查看每一瞬時切面下水體內(nèi)部及海底信息;波束陣列圖則是將每Ping采集到的全部采樣點數(shù)據(jù)盡數(shù)展繪，可避免數(shù)據(jù)的遺漏。3個顯示模塊相互輔助可提高水柱影像目標(biāo)查找準(zhǔn)確性。
2.3分析模塊
為準(zhǔn)確判斷水體目標(biāo)物的位置和反向散射強度等信息，需要對其所在角度波束的時間序列以及其相同旅行時處的角度序列進行分析。時間序列以波束傳播時間為橫坐標(biāo)，角度序列以波束角為橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)均為反向散射強度(圖3)。通過垂向顯示模塊初步判斷目標(biāo)物存在，選擇目標(biāo)物所在同范圍曲線，根據(jù)角度序列圖中峰值位置判斷目標(biāo)物所在波束角，選擇目標(biāo)所在角度的時間序列圖，精確判斷目標(biāo)物位置。
3關(guān)鍵技術(shù)及主要功能
3.1八鄰域插值
采集的原始水柱文件中，反向散射強度數(shù)據(jù)是按照波束角和采樣點號依次排列的，當(dāng)歸算到直角坐標(biāo)系時，波束邊緣出現(xiàn)空值，導(dǎo)致影像顯示不完整，極大影響影像識別。因此，須對在波束角范圍內(nèi)的采樣空值點進行插值。數(shù)據(jù)解析中已知強度值區(qū)間為－64～0dB，空值區(qū)為0。定義一個3×3插值算子，算子中心O處灰度值為f(O)，如果出現(xiàn)空值點，f(O)=0，此時取與空值點鄰近的8個采樣點中非空值的平均值作為f(O)的值(圖4)。此方法可將待插值點和其周邊采樣點值相關(guān)聯(lián)，符合坐標(biāo)轉(zhuǎn)化后的角度空值區(qū)的填補規(guī)律，十分便捷有效。插值前后細節(jié)區(qū)域?qū)Ρ刃Ч妶D5。
3.2影像增強
3.2.1灰度變換
水柱數(shù)據(jù)成像時，將反向散射強度數(shù)據(jù)與灰度數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，即可生成原始水柱影像(圖6(a))。此時影像直方圖中目標(biāo)灰度較為集中，且其灰度值總體較小，所成影像目標(biāo)與背景較為相近，難以區(qū)分，目標(biāo)成像不清晰。為使提升影像識別和細節(jié)表征能力，對原始影像進行如下灰度變換:灰度取反(圖6(b))、灰度增加(圖6(c))、灰度減小(圖6(d))、線性增強(圖6(e))、直方圖均衡化(圖6(f))。取反變換是對原影像中的灰度進行取反操作，實現(xiàn)底片效果;灰度增加和減小兩種變換是對影像加上或減去一定灰度值對其進行再現(xiàn);線性變化是對所有灰度值乘上固定的系數(shù)，使灰度覆蓋范圍擴大或縮小;直方圖均衡變換是通過使用累積分布函數(shù)見公式(2)對灰度值進行“調(diào)整”，把原始圖像的灰度直方圖從比較集中的某個灰度區(qū)間變成在全部灰度范圍內(nèi)的均勻分布。Sk=255×∑kj=0njn(2)式中，k=0，1，2，...，L－1;Sk為均衡化后的灰度值;n為影像像素總數(shù);nj為影像中某個灰度色階j的像素數(shù)量;j的范圍為0～k;L為影像可能的灰度級數(shù)。
3.2.2變換效果分析
通過圖6中各種灰度變換后的水柱影像圖及其灰度直方圖，可以直觀看到灰度變換的效果。雖然灰度取反、增加和減小對影像可見度有部分改善，但線性增強和直方圖均衡化對影像優(yōu)化更加明顯。線性增強可根據(jù)用戶設(shè)定的縮放參數(shù)對圖像進行灰度縮放，調(diào)整至最優(yōu)視圖。直方圖均衡化則表現(xiàn)了更優(yōu)秀的成像能力，增強對比度，大大減少對弱回聲目標(biāo)的遺漏現(xiàn)象。綜合比較后，直方圖均衡變換方法是適合水柱二維影像灰度變換較為理想的方法。分析工具提供了以上各種變換，用戶可根據(jù)需要選擇適宜的灰度變換方法。
4實例分析
本次實驗對象為1991年被作為休閑潛水設(shè)施沉沒的貨船MVG.B.Church，它沉沒區(qū)域的水深約為24～27m，船身長54m，甲板上繩索齊全，桅桿和吊艇架均完整存在。實驗對象在沉沒前被測量并拍照記錄，其突起物大小、特征和位置均有據(jù)可查。實驗多波束設(shè)備為EM3002型號，同時采集測深數(shù)據(jù)和水柱數(shù)據(jù)，原始水柱文件記錄數(shù)據(jù)類型為*.all格式。讀入文件后可在水柱影像分析工具的主界面看到航向和垂向兩個顯示模塊。航向顯示模塊中可觀察到沿航跡線方向上有疑似沉船目標(biāo)物的存在，并能看到其桅桿、繩索等細部特征物。在航向顯示窗口中選擇目標(biāo)Ping后即在下方窗口中顯示其垂向圖。本例為桅桿所在Ping，此時可在右側(cè)波束信息顯示區(qū)域得知桅桿所在Ping號為58131，其波束開角為129.66°，波束數(shù)為160個，當(dāng)前聲速值為1477.2m/s，采樣頻率為7146.5Hz，海底深度為26.7m。根據(jù)設(shè)計的深度拾取功能還可查看桅桿最淺點的深度值約為4.1m。若使用波束陣列顯示模塊，則可得到目標(biāo)Ping的波束陣列圖(圖2(c))。使用分析模塊對水柱影像進一步分析時，可選擇指定波束角和相同范圍曲線，即得到相應(yīng)的時間序列圖和角度序列圖(圖3)。通過分析，可進一步確定沉船細節(jié)部分所在波束角、相對于換能器的位置以及目標(biāo)物反向散射強度等重要信息。由于桅桿目標(biāo)較為細長，傳統(tǒng)的多波束測深時未能將其作為底部采樣值記錄或者將其作為噪聲點過濾，此時不能得到此區(qū)域正確的最淺深度，危及航行安全。而在水柱影像中能夠清晰觀察到桅桿的存在，并可通過分析工具判斷桅桿所在位置的最淺點。水柱影像圖中還可觀察到將環(huán)境噪聲和旁瓣噪聲的存在，如徑向噪聲、鏡面回波和第一回波。由于海底反射較為強烈，導(dǎo)致海底所在相同范圍曲線上所有采樣點反向散射強度值增加，繼而會掩蓋部分區(qū)域真實目標(biāo)。因此在水柱數(shù)據(jù)采集時，為保證水體目標(biāo)物擁有較好的可視度，應(yīng)使其分布在最小斜距范圍以內(nèi)。
5結(jié)束語
水柱影像提供了水體中目標(biāo)物更豐富的細節(jié)信息，可用來輔助多波束測深數(shù)據(jù)處理。但由于其數(shù)據(jù)量較大以及其格式的不統(tǒng)一，給研究者帶來了困難。本文介紹了一種多波束聲納水柱影像分析工具，可對*.all和*.wcd格式的原始水柱數(shù)據(jù)解析成圖。并使用八鄰域插值法以及直方圖均衡等灰度變換法對水柱影像可視度和目標(biāo)可見度進行較大改善。同時，可對影像圖、時間序列和角度序列等原始數(shù)據(jù)進行提取保存，為進一步的分析研究奠定基礎(chǔ)。通過實例驗證了分析工具的功能性以及水柱影像的更為詳盡的細節(jié)記錄和重現(xiàn)能力，可作為輔助多波束測深以及水體目標(biāo)探測分析的有效工具。
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作者:鄭雙強 劉洪霞 陽凡林 張凱 單位:山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院 海島(礁)測繪技術(shù)國家測繪地理信息局重點實驗室 山東省高校海洋測繪重點實驗室