成 芳，胡迺成

（中國人民解放軍91439部隊，遼寧 大連116041）

側掃聲納圖像地理編碼方法研究

成 芳，胡迺成

（中國人民解放軍91439部隊，遼寧 大連116041）

從側掃聲納各類數據的特點出發(fā)，通過構建聲納圖像的地理編碼模型，提出側掃聲納圖像地理編碼方法，將聲納回波數據與定位數據一一對應。實驗數據結果表明：該方法是合理可行的，不僅較好地處理了定位數據，消除了拖魚軌跡線上的折點和扇形裂縫，而且可實現海底回波點的地理定位。

側掃聲納；數據后處理；地理編碼；高斯坐標；Bezier函數；目標探測

側掃聲納是實現海底全覆蓋掃測的重要水聲設備之一，由甲板單元、數據采集顯示軟件、拖魚和拖曳線纜組成。其通過與定位系統(tǒng)（如GPS）連接，可獲得側掃聲納各采樣點的地理位置，為海底探測提供了完整的海底聲學圖像。近年來，側掃聲納被廣泛應用于海底地貌測繪、海底底質結構探測、航道疏浚、水下目標搜尋等方面。

隨著側掃聲納技術的不斷發(fā)展，國外已出現了自動化程度較高的側掃聲納數據處理軟件［1-6］，然而，即便這些軟件伴隨側掃聲納硬件系統(tǒng)一并提供，其軟件算法仍是保密的，對于用戶來講就是個“黑盒子”。事實上，一套完整的側掃聲納數據處理軟件主要包括數據預處理（格式解析、粗差剔除、數據平滑濾波、輔助參數計算等）、聲圖形成及拼接、回波點地理編碼、失真改正、聲圖去噪、聲圖目標邊緣提取等功能。本文針對回波點地理編碼這一功能，研究側掃聲納與定位系統(tǒng)聯(lián)合使用問題，探討側掃聲納海底目標物的定位機制，通過建立聲納圖像的地理編碼模型，提出側掃聲納圖像地理編碼方法，最終實現聲納圖像的地理坐標定位，為今后研發(fā)國家自主知識產權的側掃聲納數據處理軟件提供理論參考和技術支持。

1　聲納圖像地理編碼方法

1.1定位數據處理方法

1.1.1理論基礎從現有的定位系統(tǒng)來看，其采樣率明顯低于側掃聲納回波采樣率［7-14］。因此，在進行聲納圖像地理編碼前，應先對定位數據進行處理，使定位數據與回波數據一一對應，消除圖像中的空白和重疊區(qū)域，使側掃聲納圖像顯示完整。

提出基于三次樣條函數（Bezier函數）的處理方法，具體方法如下：

設 Ti，Ti+1為定位系統(tǒng)中兩個相鄰點位 Pi（yi，xi），Pi+1（yi+1，xi+1）處的記錄時間，通過將Ti，Ti+1與掃描線更新時間比較，可確定出Ti～Ti+1時間內，拖魚接收到的掃描線數量n，如圖1所示：

圖1　Ti～Ti+1時間內，拖魚接收的Ping線數量

設LBezier為Ti～Ti+1時間內拖魚航行距離，則第k條掃描線對應的航跡點Pk（yk，xk）距Pi（yi，xi）的距離如式（1）所示：

設過Pi（yi，xi），Pi+1（yi+1，xi+1）的航跡函數為x=fBezier（y），則Ti～Ti+1時間內拖魚航行距離可用式（2）表示：

設Fbezier（y）為的原函數，則利用式（1）和式（2）可解算出拖魚接收第k條掃描線時的地理坐標Pk（yk，xk），如式（3）所示：

聲納圖像中消除航跡不穩(wěn)造成的扇形裂縫，其效果見圖2。

圖2　航跡三次樣條函數處理后的效果

1.1.2算例分析選取某海域原始側掃聲納數據作為實驗數據，該數據由EdgeTech 4200-FS型側掃聲納［2］測量獲得。在該測線進行測量時，發(fā)射脈沖中心頻率為403 kHz，發(fā)射脈沖寬度為3 ms，量程為75 m，數據采樣間隔為0.015 6 ms。

圖3　定位數據處理前后效果對比圖

通過對側掃聲納回波數據和定位數據的讀取發(fā)現：

（1）回波數據采樣率為定位數據采樣率的5倍；

（2）未經航跡數據處理的聲納圖像（如圖3（a）），由于聲納系統(tǒng)掃描與定位不同步，使得相鄰掃描線具有相同的導航信息，特征點數量遠少于掃描線數量，因此，在像素重采樣過程中，容易造成相鄰多條掃描線互相重合，在航跡特征點之間形成扇帶裂縫；而通過三次Bezier曲線處理后的聲納圖像（如圖3（b）），成像效果較好，尤其在扇形裂縫比較集中的航跡拐點處，聲納圖像平滑，有效消除了扇形裂縫。

1.2地理編碼方法

定位數據進行處理后，將側掃聲納回波數據納入指定的坐標系的方法即為地理編碼方法。本文通過建立地理編碼模型，嘗試提出地理編碼方法，并通過基于C#語言編制的地理編碼顯示軟件驗證地理編碼的可行性。

1.2.1地理編碼模型如圖4所示，在高斯平面直角坐標系中，A，B為航跡線上相鄰兩條掃描線對應的航跡點，設其坐標分別為（y1，x1）和（y2，x2），α為航跡線與橫軸所夾銳角，直線AB的斜率為（y2-y1）。設掃描線某回波點R1的坐標為（y，x），則每條掃描線上回波點相對于側掃聲納航跡線上定位點的相對位置為：

圖4　Ping線上回波點坐標計算示意圖

按照左右舷的不同，根據側掃聲納航跡線上每一定位點切線的斜率，利用確定的航跡線定位點，由解析數據和內插數據推算出聲回波點的定位點，并代入高斯平面直角坐標系中，由此可得到側掃聲納掃描探測海域的海底地形上所有點的高斯坐標（歸算結果見表1）。至此，完成了地理編碼模型的構建。

表1　掃描線回波點計算公式分析表

1.2.2地理編碼方法通過上一節(jié)地理編碼模型的建立，本文認為側掃聲納圖像地理編碼的具體方法如圖5的流程所示。

將側掃聲納原始數據按相應數據格式進行解析［15］，分離出掃描線的序號、拖魚航跡坐標經緯度、拖魚采樣數、拖魚采樣間隔以及掃描線上每點的聲回波幅值，將分離出的拖魚航跡坐標經緯度轉換為高斯平面地理坐標，并通過平滑處理，消除航跡轉彎處可能出現的掃描線間距裂縫，計算每條掃描線上的聲回波點與側掃聲納航跡線上定位點的相對位置，確定其高斯地理坐標（YE，XN），經過高斯地理坐標的反變換，最終得到各回波點該目標物的經緯度坐標（L，B）。

圖5　側掃聲納圖像地理編碼方法

2　算例分析

通過編制基于C#的側掃聲納地理編碼顯示軟件，驗證側掃聲納圖像地理編碼方法的可行性。

選取某海域原始側掃聲納數據作為實驗數據，該數據由EdgeTech 4200-MP型側掃聲納和HV110 GPS羅經聯(lián)合測量獲得。其中，側掃聲納發(fā)射脈沖中心頻率為403 kHz，發(fā)射脈沖寬度為10 ms，量程為75 m。根據上節(jié)提出的側掃聲納圖像地理編碼方法完成回波點地理定位（如圖6）。

圖6　側掃聲納圖像的地理編碼顯示

圖7　側掃聲納局部放大圖

從圖6～圖7中可以看出：

（1）圖6中，通過鼠標的點擊，可對聲納圖像中的任意點進行定位，實時顯示該點的地理坐標，驗證了本文提出的地理編碼方法的可行性。

（2）通過對定位數據的三次樣條擬合，定位數據得到了較好的處理，將拖魚轉彎處的側掃聲納圖像進行了放大（如圖7），圖像中不存在空白區(qū)域，消除了拖魚軌跡線上的條形和扇形裂縫，再次驗證了基于三次樣條函數處理方法的可行性。

3　結束語

本文根據側掃聲納數據記錄方式和聲納圖像特點，分析并建立了聲納圖像地理編碼模型，提出了聲納圖像地理編碼方法，并采用實測數據對方法的可行性進行了驗證。結果表明：定位數據的平滑處理可有效消除聲納圖像中不連續(xù)的現象，地理編碼方法可為用戶提供聲納圖像任意一點的位置信息，直觀反映海底目標物的地理位置。

［1］Edgetech.Discover 4200-MP Side Scan Processor Software User’s Manual［EB/OL］.2008.http://www.edgetech.com.

［2］Edgetech.4200-FS High Definition，Multi-pulse，Dual Frequency Side Scan System User’s Hardware Manual［EB/OL］.2008.http: //www.edgetech.com.

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［4］Edgetech.2000 Series Combined Side Scan Sonar and Sub-Bottom Profiling System User’s Manual［EB/OL］.2010.http://www.edgetech.com.

［5］Edgetech.3100-P Portable Sub-BottomProcessor Sotfware［EB/OL］.2007.http://www.edgetech.com.

［6］Edgetech.Discover 4125 Side Scan Processor Software User’s Manual［EB/OL］.2010.http://www.edgetech.com.

［7］Flemming.BW.Side Scan Sonar:APractical Guide［J］.The International Hydrographic Review，1976，53（1）:65-92.

［8］Edgetech.4200 Series High Definition Dual FrequencySide Scan Sonar System［EB/OL］.2008.http://www.edgetech.com，edgetech.

［9］Edgetech.4200 Side Scan Sonar SystemUser Hardware Manual［EB/OL］.2010.http://www.edgetech.com.

［10］Edgetech.3100-P Portable Sub-BottomUser Hardware Manual［EB/OL］.2014.http://www.edgetech.com.

［11］Edgetech.3200-XSSub-BottomSystemUser Hardware Manual［EB/OL］.2015.http://www.edgetech.com.

［12］Edgetech.4125 Side Scan Sonar SystemUser Hardware Manual［EB/OL］.2010.http://www.edgetech.com.

［13］Edgetech.4125 Magnetometer Interface User Hardware Manual［EB/OL］.2015.http://www.edgetech.com.

［14］Edgetech.6205 Bathymetry&Side Scan Sonar User Hardware Manual［EB/OL］.2015.http://www.edgetech.com.

［15］Edgetech.Description ofthe Edgetech（.jsf）File Format［EB/OL］.2011.http://www.edgetech.com.

Research on the Geocode Method for Side Scan Sonar Images

CHENG Fang，HU Nai-cheng
Troop 91439，the People's Liberation Army of China，Dalian 116041，Liaoning Province，China

Based on the characteristics of various data acquired from side scan sonar，a geocode method for side scan sonar images is put forward through building the geocode model of sonar images，which achieves one-to-one correspondence between the positioning data and echo data.The experiment results prove the feasibility of this method，which can better process the positioning data，eliminate the line inflection and sector gap on the towfish trajectory，and realize geographic positioning of echo point on the seabed.

side scan sonar；data post processing；geocode；Gaussian coordinate；Bezier function；target detection

P229.1

A

1003-2029（2016）03-0032-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.03.006

2015-11-01

國家自然科學基金資助項目（41474061，41374018）

成芳（1981-），女，博士，工程師，主要從事系統(tǒng)總體與海洋環(huán)境測量研究。E-mail：chengfangtl@163.com