馬金鳳，羅偉東，劉勝旋，郭 軍

(1.國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510075;2.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州510075)

0 引言

多波束回波強(qiáng)度(Multibeam Backscatter Strength)通常也稱多波束反向散射強(qiáng)度或背向散射強(qiáng)度。多波束測深系統(tǒng)在進(jìn)行多波束測深時，一般均同時記錄接收信號的回波強(qiáng)度(金紹華等，2011)。

多波束脈沖信號在發(fā)射與接收過程中，由于多種因素(如海水介質(zhì)的吸收與散射、聲波的散射和混響、聲能的球面擴(kuò)散損失、海底沉積層對聲波的吸收和海底地形起伏等)的影響，聲波的強(qiáng)度逐漸減弱，并且換能器接收到的回波強(qiáng)度測量值一般不能直接反映真實(shí)的海底底質(zhì)特征，因此必須對其進(jìn)行處理(趙建虎等，2008)。

國內(nèi)外學(xué)者雖然對回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)的處理已進(jìn)行過廣泛研究，但多數(shù)是用自研數(shù)學(xué)模型進(jìn)行1種或者2種類型的校正，并無用規(guī)范軟件多種校正同時處理的先例。不同類型的聲納系統(tǒng)各有其特性，EM 122多波束系統(tǒng)具有較高的定位和測深精度，可獲得高精度地理參考系下的局部曲面，從而利用測深時采集到的所有信息進(jìn)行真實(shí)掠射角的計(jì)算。在地形變化復(fù)雜水域，底質(zhì)分類多采用多波束聲吶圖像。

處理后的數(shù)據(jù)不但可用于分析和解釋海底地貌，也可用于反演海底底質(zhì)類型及其分布狀況或者水下目標(biāo)識別方面的研究。為此，以EM122多波束聲納系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)為例，詳細(xì)探討應(yīng)用CARIS多波束處理軟件對某水深在5 000 m范圍多波束作業(yè)區(qū)的背向散射數(shù)據(jù)的處理方法。

1 EM 122回波強(qiáng)度記錄方式及特點(diǎn)

EM 122多波束測深系統(tǒng)在資料采集階段對回波強(qiáng)度信號的處理與對測深信號的處理一樣，均經(jīng)過了一些必要的參數(shù)改正，例如每一個測深波束點(diǎn)均經(jīng)過探頭偏移距改正、姿態(tài)改正、聲速剖面改正，最后給每一個波束點(diǎn)均賦予經(jīng)緯度坐標(biāo)及水深值。同樣，EM系統(tǒng)對每一個波束點(diǎn)的回波強(qiáng)度也進(jìn)行了一些必要改正，例如聲學(xué)信號的傳播損失改正(TVG)、聲線彎曲改正、入射角改正等，每個波束均獲得了1個與水深值對應(yīng)的回波強(qiáng)度值(孫文川等，2011)?，F(xiàn)場采集資料未進(jìn)行海底地形起伏、中央波束鏡面反射區(qū)、波束照射區(qū)面積對回波強(qiáng)度的影響等改正。

樣例數(shù)據(jù)位于太平洋某深海區(qū)，屬大型斷塊狀隆起，主要由相對獨(dú)立的平頂海山構(gòu)成，海山頂面最淺水深為800～1 500 m，鄰近深海盆地水深為5 000～6 500 m?；鹕交字系某练e物主要有早白堊世—古新世的生物礁灰?guī)r、泥巖等，始新世—早中新世的有孔蟲灰?guī)r及古近紀(jì)—全新世的有孔蟲砂、軟泥等硅質(zhì)、泥質(zhì)沉積物，沉積物厚度不等。據(jù)淺層剖面測量資料顯示，海山頂面松散沉積物厚度可達(dá)80～100 m。測線的布設(shè)為東西平行走向。

2 CARIS處理回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)

2.1 處理流程

CARIS是一個綜合水深、海底影像、水體數(shù)據(jù)的處理軟件，可以同時處理多波束、背向散射、側(cè)掃聲納、雷達(dá)和單波束，支持超過40種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的聲納數(shù)據(jù)格式。CARIS對于多波束回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)的處理使用Geocoder模塊，主要在現(xiàn)場改正的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化去噪處理(Beaudoin et al，2002;Dufek，2012)。

圖1 CARIS處理背向散射數(shù)據(jù)模塊Fig.1 Module of processing backscattered data using CARIS software

在處理前，必須對測線數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理，將離散的回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)網(wǎng)格化成規(guī)則的數(shù)據(jù)，以便于計(jì)算機(jī)顯示與處理。網(wǎng)格化間距由程序根據(jù)波束腳印的大小、數(shù)據(jù)密度自動設(shè)置。圖2為1條測線的局部數(shù)據(jù)，水深約5 200 m，回波強(qiáng)度的網(wǎng)格化間距約50 m(圖3a)。

圖2 水深地形圖(網(wǎng)格間距：50 m)Fig.2 Topographic map of water depth(grid spacing 50 m)

2.2 時變增益改正

聲波在傳播過程中的損失包括波的球面擴(kuò)展損失與傳播介質(zhì)的吸收損失。為了消除傳播損失對海底介質(zhì)散射的影響，需要對衰減引起的信號進(jìn)行補(bǔ)償。結(jié)合缺省的水體聲衰減參數(shù)以及聲線傳播路徑，多波束系統(tǒng)在資料采集時應(yīng)用變增益TVG函數(shù)補(bǔ)償，消除傳播損失對回波強(qiáng)度的影響，保證回波的原有水平。數(shù)據(jù)后處理時，應(yīng)用實(shí)際測得的聲波衰減系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)改正，如無實(shí)測聲波衰減系數(shù)，則利用原有聲波衰減系數(shù)重新進(jìn)行處理(唐秋華等，2006;金紹華等，2010)。改正效果如圖3b所示。

圖3 多波束回波強(qiáng)度各種改正后的效果圖(a—d網(wǎng)格化間距約50 m)Fig.3 Results of corrected multibeam backscatter strength(a－d grid spacing about 50 m)

2.3 角變增益改正

角變增益改正即入射角改正?；夭◤?qiáng)度與入射角的關(guān)系如圖4(金紹華等，2014)。對于底質(zhì)均勻單一的平坦海底區(qū)域，在入射角為0°的中央波束附近，由于波束近似垂直發(fā)射、垂直接收，系統(tǒng)接收到的主要是反射信號，而非反映海底沉積特征的散射信號，因此在中央波束附近區(qū)域經(jīng)常存在1條與航跡線一致的高回波強(qiáng)度條帶(Hammerstad，2000;Kongsberg Maritime AS，2004)。隨著入射角的增大，回波強(qiáng)度逐漸變?nèi)?。在?shù)據(jù)后處理時，角變增益改正有3種改正模式：平坦、趨勢與自適應(yīng)，主要是對現(xiàn)場入射角改正殘余量進(jìn)行優(yōu)化去除。示例采用平坦模式，改正效果如圖3c。

圖4 回波強(qiáng)度與波束入射角的關(guān)系Fig.4 Relationship between backscatter strength and incident angle of beam

2.4 去噪

濾波器的濾波強(qiáng)度有4個等級：弱、中等、強(qiáng)與超強(qiáng)。濾波器在濾除白噪聲方面有很好的特性，它能有效地降低回波強(qiáng)度值中出現(xiàn)的與周圍像素點(diǎn)在強(qiáng)度上有明顯差的孤立像素噪聲，同時可以很好地保護(hù)散射強(qiáng)度值的細(xì)節(jié)信息，獲得高質(zhì)量的回波強(qiáng)度信息(Lurton et al，1994;Hellequin et al，2003)。改正效果如圖3d。

3 灰度量化與拼接鑲嵌

由于多波束系統(tǒng)獲得的回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)單位為分貝(dB)，多波束回波強(qiáng)度的變化范圍取決于海底的地貌特征、地質(zhì)類型和多波束系統(tǒng)，為了將回波強(qiáng)度值以影像的方式表現(xiàn)，必須將海底回波強(qiáng)度值向灰度級別進(jìn)行量化處理，形成海底回波強(qiáng)度影像。

灰度量化的方法選擇決定了鑲嵌圖的好壞。量化方法包括分層量化、均勻量化和非均勻量化：分層量化是把每一個離散樣本的連續(xù)灰度值只分成有限多的層次，均勻量化是把原圖像灰度層次從最暗至最亮均勻分為有限個層次，如果采用不均勻分層為非均勻量化。當(dāng)圖像的采樣點(diǎn)數(shù)一定時，采用不同量化級數(shù)的圖像質(zhì)量不一樣：量化級數(shù)越多，圖像質(zhì)量越好;量化級數(shù)越少，圖像質(zhì)量越差;量化級數(shù)小的極端情況就是二值圖像。

灰度量化的選擇決定聲納鑲嵌圖的好壞。由于示例區(qū)域回波強(qiáng)度值范圍較小，灰度圖像明暗對比度不理想，為了能更好地進(jìn)行底質(zhì)分類工作，采用均勻量化的方法。灰度量化的計(jì)算方法：分別從每條測線網(wǎng)格數(shù)據(jù)中讀取回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)的最大值Valmax與最小值Valmin，采用0～255范圍灰度級，將回波強(qiáng)度值轉(zhuǎn)化為灰度值(張會娟，2012)。計(jì)算公式如下：

式(1)中，Val是某一文件的回波強(qiáng)度值，Scale為該文件的灰度因子，G為回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)的灰度值。在程序中一般取整函數(shù)將非整數(shù)的計(jì)算灰度值轉(zhuǎn)換成整數(shù)灰度值，以適應(yīng)繪圖程序的讀寫要求。

由于分別對每一條測線進(jìn)行灰度量化處理，量化后的灰度值能夠最佳匹配該文件的回波強(qiáng)度范圍，因此灰度影像亮度適中、對比度清晰明顯，非常有利于對影像的判讀研究。但由于每條測線的回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)最大值與最小值均不盡相同，會導(dǎo)致測線與測線之間的灰度因子也不盡相同，從而造成影像的灰度出現(xiàn)差異(圖5)，給解譯帶來不便。為解決這種問題，可以對全區(qū)所有的測線采用1個統(tǒng)一的灰度因子，并將所有的測線影像按照一定的原則鑲嵌成1個整體影像，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一量化處理。但統(tǒng)一量化有2個問題值得注意：一是統(tǒng)一量化后影像的對比度有所下降，發(fā)灰、發(fā)白，不利于解釋;另一點(diǎn)是要避免質(zhì)量差的影像數(shù)據(jù)對質(zhì)量好的影像數(shù)據(jù)的影響。

影像鑲嵌主要用于全覆蓋測線相鄰測線的統(tǒng)一拼接，以獲得統(tǒng)一量化、亮度與對比度均勻的回波強(qiáng)度影像，利于解譯與進(jìn)一步的底質(zhì)識別處理。鑲嵌后的結(jié)果如圖6所示。

4 結(jié)論

應(yīng)用CARIS軟件的Geocoder模塊對多波束回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)的規(guī)范化流程處理方法，探討了沒有進(jìn)行地形改正的回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)使用均值化回波強(qiáng)度的圖像鑲嵌方法的灰度量化方法。通過對實(shí)測數(shù)據(jù)的處理，驗(yàn)證了方法的有效性，大大改善了多波束回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)處理的效果，為多波束水下目標(biāo)識別和海底底質(zhì)分類研究提供準(zhǔn)確、表述清晰的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖5 鑲嵌前影像Fig.5 Image before mosaicing

圖6 鑲嵌后影像Fig.6 Image after mosaicing

如果將海底攝像資料以及取樣資料作為底質(zhì)類型的先驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合測定底質(zhì)樣品的物理及土工參數(shù)，建立回波強(qiáng)度與底質(zhì)類型之間的定量關(guān)系，則可以更加準(zhǔn)確地反演底質(zhì)類型。

金紹華，翟京生，劉雁春，等.2010.Simrad EM多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)精處理研究［J］.測繪科學(xué)，35(2)：106－108.

金紹華，翟京生，劉雁春，等.2011.Simrad EM多波束聲納系統(tǒng)回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用［J］.海洋技術(shù)，30(1)：49－52.

金紹華，肖付民，邊剛，等.2014.利用多波束反向散射強(qiáng)度角度響應(yīng)曲線的底質(zhì)特征參數(shù)提取算法［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，39(12)：1493－1498.

孫文川，肖付民，金紹華，等.2011.多波束回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)記錄方式比較［J］.海洋測繪，31(6)：35－38.

唐秋華，周興華，丁繼勝，等.2006.多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)處理研究［J］.海洋學(xué)報(bào)，(2)：51－55.

趙建虎，劉經(jīng)南.2008.多波束測深及圖像數(shù)據(jù)處理［M］.湖北武漢：武漢大學(xué)出版社.

張會娟.2012.多波束聲納影像處理的幾個問題分析［D］.山東濟(jì)南：山東科技大學(xué).

BEAUDOIN J D，HUGHES CLARKE J E，VAN DEN AMEELE E J，et al.2002.Geometric and radiometric corrections of multibeam backscatter derived from Reson 8101 systems［C］//Proceedings of Canadian Hydrographic Conference.Toronto，Ontario，CAN：CHC，1 －22.

DUFEK T.2012.Backscatter Analysis of Multibeam Sonar Data in the Area of the Valdivia Fracture Zone Using Geocoder in CARIS HIPS＆SIPS and IVS3D Fledermaus［D］.Hamburg，GER：HafenCity Universit?t Hamburg.

HAMMERSTAD E.2000.Backscattering and Seabed Image Reflectivity：EM Technical Note ［R］.Kongsberg，Norway：Kongsberg Simrad.

HELLEQUIN L，BOUCHER J M，LURTON X.2003.Processing of high－frequency multibeam echo sounder data for seafloor characterization［J］.Journal of Oceanic Engineering，28(1)：78－89.

Kongsberg Maritime A S.2004.EM Series Datagram Formats Base［R］.Kongsberg，Norway：Kongsberg Maritime AS.

LURTON X，DUGELAY S，AUGUSTIN J M.1994.Analysis of multibeam echo－sounder signals from the deep seafloor［C］//OCEANS'94，Oceans Engineering for Today's Technology and Tomorrow's Preservation，Proceedings.Brest，F(xiàn)RA：IEEE，3：213－218.