单波束水深约束的侧扫声呐图像三维微地形反演

高分辨率海底微地形可呈现更丰富的海床细节特征,对水下目标正确判读具有重要意义。除去底质因素影响,侧扫声呐图像明暗变化与海底地形起伏变化有关,挖掘侧扫声呐图像中的微地形信息,可以弥补现有测深手段分辨率上的不足。针对SFS方法从侧扫声呐图像反演出的相对地形缺少起伏尺度约束和起算基准等问题,本文通过小波分析方法从单波束数据中分别提取与侧扫声呐图像反演地形相关的高频地形及表征地形趋势变化的低频地形,以此构建侧扫声呐反演地形的尺度约束及基准改正模型。试验获得的反演地形从整体趋势到细节特征均与真实地形具有较好的一致性,统计结果表明,反演地形内、外符合均方根误差均小于15 cm,反演地形整体精度与单波束地形相当。     

侧扫声呐图像反演海底地形的一种线性算法

为弥补现有测深方法在获取海底微地形方面的不足,基于侧扫声呐高分辨率成像特点,提出一种侧扫声呐图像反演三维海底绝对地形的线性化算法.首先,根据侧扫声呐成像原理给出声波入射方向的估算模型,基于海底表面漫反射模型推导出一种线性化反演模型,并以同区域初始地形作为约束建立反演地形的约束模型,实现了反演地形向绝对地形的转变;在此基础上,给出完整的侧扫声呐图像反演三维海底绝对地形的流程以及精度评定方法;最后,借助实验对该方法进行了检验和验证.实验结果表明,该方法可以获得均方根误差优于15 cm、分辨率为初始地形170倍的海底地形.     

一种顾及辐射畸变的多波束与侧扫声呐通用海底底质分类方法

声学海底底质分类对于海底环境和生态系统的研究具有重要意义,而多波束与侧扫声呐是目前最常用于探测海底底质的声呐设备.然而,多波束与侧扫声呐都严重地受到辐射畸变的影响,导致声呐图像噪声较大且难以消除,进而造成对海底底质的误判,并且多波束与侧扫声呐通用底质分类方法目前仍然较为缺乏.为此,本文提出了一种顾及辐射畸变的多波束和侧扫声呐的通用海底底质分类方法.该方法包括了对声呐图像中辐射畸变的改正、针对两种声呐数据特点的不同角度数据归一化、分类数自适应的非监督底质分类以及形态学去除底质图像噪声的步骤,并给出了完整的多波束与侧扫声呐通用海底底质分类流程.将本文方法应用于福建沿海同水域下实测的多波束与侧扫声呐数据得到了该水域的底质分类图像.实验结果表明了同区域下的多波束与侧扫声呐数据通过本文方法得到的底质分类结果具有较高的一致性,证明了通用底质分类方法的有效性,同时通过相互验证也提高了底质分类结果的可靠性.     

深水多波束测深侧扫声纳显控系统研究

针对深水多波束测深侧扫声呐多源探测数据的实时可视化表达处理效率较低的问题,提出实时测深数据快速条带式动态网格化方法和动态不规则金字塔构建方法、实时侧扫数据条带式增量更新方法和基于极坐标的实时水体数据重采样方法,实现了全球框架下动态海底探测地形的实时三维渲染和快速侧扫图像及水体图像绘制.同时采用基于状态保护与转移机制的声纳设备控制方法,通过异步通信方式实现了安全友好的交互式操作过程. 实验结果表明：该系统满足深水多波束测深侧扫声纳设备的显控需求,能够保障声纳设备作业安全、增强现场作业能力及数据发掘能力.     

利用RLS-Laguerre格型算法消除多波束测深声呐的隧道效应

为了避免多波束测深声呐输出数据中产生测深假象,分析了海底多波束测深声呐中存在的隧道效应及其产生机理,指出旁瓣干扰是引起隧道效应的重要因素,隧道效应的出现导致多波束测深声呐把相对平坦的海底绘制成凹面向上的水平半圆柱面海底地形.采用系统辨识模型仿真了基于先验误差的误差反馈递归最小二乘(RLS)Laguerre格型算法的极点位置对算法性能的影响,并利用该算法对湖试数据中存在的隧道效应进行分析处理.结果表明通过对Laguerre极点的选择,该算法能够有效消除多波束测深数据边缘波束中存在的旁瓣干扰并快速跟踪真实的海底回波,同时又能保留中央波束信号能量,减少对真实信号的影响.     

探测海底输油气管线状态的方法

为了海底输油气管线运行安全,避免潜在的灾害性因素的发生,对广东沿海一段海底输油气管线状态进行检测,采用浅层剖面测量、侧扫声呐测量和多波束测量手段对海底油气管线路由区域进行了勘测,勘测结果表明检测区域海底油气管线没有裸露和悬空,埋藏状态良好,管线周边地层较稳定,根据侧扫声呐图像和多波束测深图像,发现在管线路由区海底存在影响海底油气管道安全的因素,管线路由区海底拖锚等痕迹较多,并且在距离管线大约1 000m处有一个较大人工采砂坑存在。     

侧扫声呐在海底管道路由调查中的应用

在复杂的海洋环境中,海底管道局部悬空和周围土层的冲刷是影响管道安全的重要因素。本文针对某海域海底输油管道的安全状态问题,利用侧扫声呐对管道在役状态及管道区海底地形、地貌特征开展了探测工作;结合管道区水动力条件和海底沉积物工程性质,分析了未冲刷海底、局部冲刷海底、塌陷凹坑和管道局部裸露悬空时的侧扫声呐图像特征。结果表明,声强度对各种异常海底都有明显的反映,当海底未冲刷时,声波强度很弱,图像中呈现出亮色区域;当声波强度增强时,为局部冲刷海底,图像表现为深暗色调;当出现塌陷凹坑时,声波强度会突然很弱,甚至没有,图像中上部为深色调,下部为浅色调;而当管道局部裸露悬空时,声波强度很强,在图像中呈现黑色的深色调。同时也证实了侧扫声呐探测法在海底管道安全状态调查中是可行的、有效的。     

多波束相干海底成像技术

为使多波束测深系统获得高质量的海底地貌图像,研究一种基于多波束相干原理的成像方法.在分析多波束相干算法估计海底回波到达时间(time of arrival,TOA)与到达方向(direction of arrival,DOA)原理的基础上,结合水声环境与声呐系统参数对各检测点对应的反向散射强度和地理位置信息进行估计,并从相干信号的幅度、相关性以及频谱三方面对受噪声影响的相位差数据进行质量控制,实现了反向散射强度和空间位置信息的准确融合.试验数据的处理结果验证了该方法能有效抑制噪声对相位差序列的干扰并且所获声呐图像具有较好的空间分辨率.     

多波束测深声呐自主数据质量监测及门限控制

为满足水面无人艇等海洋无人平台的需求,确保多波束测深声呐系统在无人监控和参数调节下具备可靠自主工作能力,本文提出一种数据质量在线监测及门限参数控制方法。通过建立基于质量和异常因子的监测模型,结合粒子滤波技术,提高海底地形跟踪门限控制抗差性。仿真和湖上试验显示该方法能判定数据有效性、适应地形变化,并提供合理深度门限,适用于多波束测深声呐系统的在线数据质量监测和无人自主控制。     

基于邻域灰阶共生矩阵的海底沉积物分类

提出了一种邻域灰阶共生矩阵,用于对侧扫声纳海底图像进行纹理分析及沉积物分类.与用于图像纹理分析的常规灰阶共生矩阵相比,邻域灰阶共生矩阵描述了图像中某一像素与其邻域中所有像素的灰阶联合分布,从而能够更全面地描述图像区域的纹理特性.分别从常规灰阶共生矩阵和邻域灰阶共生矩阵计算相同的6种纹理特征,借此对泥、沙、石3种类型海底的侧扫声呐图像进行分类,分别获得了83.3%和86.4%的正确识别率.     

多波束声呐水柱图像中气泡羽状流目标探测研究进展

多波束声呐水柱图像数据可以获得从换能器到海底的完整声学信息,通过其对气泡羽状流目标探测是发现海底可燃冰渗漏的一种重要途径,是目前海洋调查与监测中的重要观测内容.本文首先介绍多波束水柱数据的数据结构与成像原理,然后针对目前研究存在的图像噪声大且成因复杂、目标识别方法效率较低、气泡羽状流目标难以准确分割等问题,依次概述当前的研究进展,为海底可燃冰的勘探与监测相关研究提供理论基础.     

三维水声海底地形地貌实时拼接与可视化

提出了一种水声海底地形地貌实时拼接与可视化方法,系统利用差分GPS定位仪和姿态仪获得声呐换能器载体的平移与旋转矩阵信息作为迭代初始参数,消除三维水声相邻帧图像配准过程中的迭代耗时和失配现象.通过配准矩阵将相邻两帧声学图像转换到同一坐标系后,在拼接之前将声呐数据网格化,获得插值点声学图像数据.为了生成声学图像可视化兼容数...     

基于单波束声呐的沉积层参数序贯估计

针对浅海环境下沉积层声学参数估计问题,本文提出一种基于单波束声呐的海底沉积层参数序贯估计方法。将浅海地声参数的声学反演问题建模为序贯估计问题,利用一种时域高频海底反向散射模型对海底散射回波包络进行预测,结合无迹卡尔曼滤波器,根据误差反馈动态校正模型参数,实现沉积层参数自适应估计。将该模型应用于海试数据,获得测线上海底底质类型平均粒径分布,并与全局优化模拟退火算法的预测精度和预测效率进行对比。结果表明:序贯估计预测的海底散射回波包络与实测结果符合较好,海底底质平均粒径的预测值与海底底质分类分布相比具有较高的可信度;序贯估计法在保证和全局优化法精度相似的情况下大幅提升算法效率,参数估计消耗的平均时间显著缩短。     

基于地声模型的浅海混响地声反演研究

利用浅海混响数据反演海底参数和海底散射常数.混响形成过程中声波多次与海底发生相互作用,因此海底参数之间以及它们与海底散射常数之间的耦合非常严重,未知参数之间的耦合使得常规地声反演方法很难获得海底参数.文中首先利用相对混响强度消除了混响数据中的海底散射常数项,然后利用Hamilton地声模型,分别将海底声速、密度和衰减系数表示成孔隙率的函数,采用自适应下山模拟退火混合反演算法,对单个未知数(孔隙率)进行反演,最后再分别获得海底参数和海底反向散射常数.理论分析和数值模拟表明,该方法可以快速准确获得海底参数,同时具有很好的抗噪声干扰能力.     

声相关测速技术仿真与试验研究

相关测速声呐与多普勒测速声呐相比有很多优点。相关声呐与常规测深仪相似，用单波束垂直向海底发射，回波比多普勒声呐的回波强，而且波束可以很宽，相同大小的发射换能器，可以使用低频发射。本文介绍了相关测速的原理，并给出了相关测速的海底回波模型。利用该模型得到的回波数据与试验得到的回波数据具有较好的可比拟性。相关测速的本质是利用了回波数据的多普勒信息，因而提出了利用回波数据的包络进行相关处理的方法。对接收信号的包络和载频相关进行了仿真，包络相关显著地提高了测速的性能。通过水池试验验证了该结论的正确性，在3m水深的条件下，采用脉冲串发射，包络相关的方法最低测得0．2m／s的速度值。     

疏港公路海底抛石施工工艺及三维可视化系统研究

疏港公路在海底抛石施工中,由于海面风力强、潮汐的影响大,施工和测控难度相对较高.为了适应海上疏港公路抛石施工的需要,基于DTM建模技术自主研发了海底抛石施工计算机辅助系统,用Visual Studio 2005编程实现了海底地形云图显示、抛石工程量计算和动态水深预警等相关关键技术.在此基础上,系统研究了疏港公路海底抛石施工的工艺原理、流程和具体操作要点.研究结果表明:海底地形云图和动态水深预警可以直观反映海底地形情况,为施工组织和进度安排提供指导;根据潮水特点和不同船只安全航行水深,利用开体驳、平板驳等多种船只协同施工配合抛石,可以有效避免船只搁浅;采用陆抛进占法和大侧小中抛石法进行抛石施工,可确保抛石的准确性和密实性.     

青岛崂山头海域海底滑坡的声波探测

利用多波束测深、浅地层剖面和侧扫声纳探测资料对青岛崂山头海域侵蚀沟及海底滑坡的形态、成因进行分析讨论。全覆盖的多波束测深反映了侵蚀沟的形态特征,为分析侵蚀沟及滑坡的成因提供了依据。崂山头海底滑坡是由潮流冲蚀等外动力引起的平移滑坡。侧扫声纳清晰地反映了滑坡边界和滑塌挤压波纹,表明滑坡刚发生不久,还未被冲蚀。浅地层剖面呈现较完整的滑坡形态和结构特征,可识别出滑动体、滑动剪切面和拖曳层理等滑坡要素。结果表明高分辨率的多波束测深仪、浅地层剖面仪和侧扫声纳仪等声学设备对探测海底滑坡、分析其成因具有较好的效果,可为海洋防灾减灾,海洋工程建设提供参考依据。     

基于MEMS传感阵列的海底地形形变原位监测装置

为了满足南海天然气水合物资源试采环境评价的迫切需要,提出基于微机电系统（MEMS）传感阵列的海底地形形变监测技术及装置.开发基于MEMS传感阵列的多点同步采集系统,在实验室理想环境测试中,实现30 m×30 m区域的地形原位监测,地形形变监测分辨率优于5 cm且监测误差小于13 mm.构建三维海底地形变形矢量模型,利用MEMS传感器的扭转角和各节的长度确定传感阵列变形后的空间位置,采用细分算法拟合获得地形的表面形态.所提海底地形形变监测装置在水深为1 203 m的天然气水合物试采区完成连续6个月的原位监测.海试结果表明,MEMS传感阵列观测到的地形最大沉降量为2 cm,最大抬升量为10 cm.     

声纳技术在海底地形辅助导航中的应用

精确导航是潜艇和其它水下航行器长距离水下安全航行的基本保障。目前，潜艇常用的船位推测法、惯性导航系统都存在定位误差随时间积累的特性。因此，必须定期地用外部信息对其进行校准。提出采用多波束声纳实时获取海底地形再与海底地形数据库的地形数据进行相关匹配，并通过小波快速迭代求精匹配算法，得到当前潜艇位置信息，将其作为参考点对惯性导航系统误差进行修正。实验结果显示，海底地形辅助导航匹配速度快，使导航精度明显提高。     

由矢量电子海图构建海底TIN DEM方法研究

为了获得海底数字高程模型,提出了由矢量海图中的水深要素及海岸线岛屿要素构建海底CD-TIN DEM (constrained delaunay triangulated irregular network digital elevation modal)的方法,对其中的边界线化简、特征线嵌入和边界表达3个阶段提出3种算法:基于特征点分段的Douglas-Peuker算法,保证了化简后面状要素的二维测度大于零,化简后网格数量减少、形态有改善、构建速度提高;改进的特征线段细分嵌入算法,使三角网格在保持特征约束的同时仍满足Delaunay特性,相对已有算法保证了剖分结果的正确性和稳定性;表达数据域合理边界的算法,解决了标准三角剖分算法不能体现区域边界的问题.使用3张不同类型的海图对该方法进行测试,得到的海底CD-TIN DEM与海图吻合较好,网格形态好,运算时间短,2.5维显示具有较高真实感,表明该方法可以适用于不同类型的海底地形环境.