謝政軒 李改肖 代柯

摘要：側(cè)掃聲吶方法在使用中經(jīng)常存在圖像受外界因素的干擾，導(dǎo)致海底線難以被精準(zhǔn)檢測(cè)與提取。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文結(jié)合側(cè)掃聲吶的圖像特點(diǎn)以及成像機(jī)理，對(duì)其圖像海底線的自動(dòng)提取方法進(jìn)行深入研究。實(shí)踐表明，自動(dòng)提取方法可有效解決懸浮物遮擋和海況差等問(wèn)題，能夠在復(fù)雜環(huán)境下對(duì)海底線進(jìn)行自動(dòng)精準(zhǔn)檢測(cè)與提取，具有良好的使用效果。

關(guān)鍵詞：側(cè)掃聲吶；圖像；海底線；自動(dòng)提取

DOI：10.12433/zgkjtz.20233043

在海洋科學(xué)和海洋工程研究中，側(cè)掃聲吶技術(shù)具有十分重要的作用。它可以通過(guò)回聲探測(cè)的管理對(duì)海底的地形地貌以及水下物體情況進(jìn)行彈射，又稱海底地貌儀。側(cè)掃聲吶瀑布圖中的海底線表征拖魚(yú)到海底的具體情況，是進(jìn)行目標(biāo)量測(cè)、圖像灰度均衡化處理以及斜距改正等操作的關(guān)鍵性參數(shù)指標(biāo)之一，其精準(zhǔn)性會(huì)直接影響后續(xù)計(jì)算結(jié)果質(zhì)量。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，海綿回流、脈沖發(fā)射等情況都會(huì)對(duì)側(cè)掃聲吶瀑布圖像水柱區(qū)造成較明顯的干擾，導(dǎo)致后續(xù)研究圖像出現(xiàn)錯(cuò)位或畸變等問(wèn)題，因此，需要對(duì)海底線自動(dòng)提取方法進(jìn)行深入研究。

一、側(cè)掃聲吶圖像成像機(jī)理

側(cè)掃聲吶技術(shù)是利用拖魚(yú)的換能器裝置，再通過(guò)束控技術(shù)形成兩束扇形波束，并基于球面波形式傳播到海底環(huán)境，并依據(jù)距離參數(shù)反向散射回?fù)Q能器，以此得到時(shí)序回波，然后在側(cè)掃聲吶圖像中會(huì)形成掃描線。側(cè)掃聲吶在發(fā)射聲波后及時(shí)接收回波，在海水環(huán)境中的傳播耗時(shí)情況會(huì)在圖像中形成水柱區(qū)圖像。換能器系統(tǒng)接收海底回波時(shí)序信號(hào)，形成圖像區(qū)。兩個(gè)圖像區(qū)的交界位置是垂直波束在海底形成的首個(gè)回波圖像，可以表征海底情況，具體情況如圖1所示。

二、側(cè)掃聲吶圖像海底線自動(dòng)提取方法分析

（一）最后峰值法

根據(jù)側(cè)掃聲吶的成像原理，ping掃描線的灰度曲線在區(qū)域變化時(shí)會(huì)在海底線的位置處出現(xiàn)突變，進(jìn)而在圖像信息中形成尖峰，實(shí)現(xiàn)了對(duì)海底情況的有效跟蹤測(cè)量。而在拖魚(yú)下方位置發(fā)生上述干擾情況時(shí)，會(huì)導(dǎo)致曲線的水柱區(qū)出現(xiàn)多個(gè)尖峰圖像，此時(shí)單峰檢測(cè)方法失效。在存在多個(gè)尖峰情況時(shí)具有以下特點(diǎn)：第一，尖峰兩側(cè)的灰度G0與圖像區(qū)相比較小，其變化規(guī)律為G0-G1-G0-G2…，G0在進(jìn)入圖像區(qū)后消失。第二，尖峰灰度G和相鄰灰度G0間的差值?G變化相對(duì)明顯，而在圖像區(qū)的變化較小。

能夠設(shè)定相鄰區(qū)域的灰度差值變化為?G0，水柱區(qū)的峰值檢測(cè)原則為：?G0＜|?G|。假設(shè)峰值灰度和水柱區(qū)的相鄰灰度都符合上述原則，同時(shí)與圖像區(qū)相鄰灰度不符合上述原則，則可以認(rèn)定為該峰為最后峰，即海底點(diǎn)的實(shí)際位置。上述方法是利用單ping掃描線的最后峰值法。

利用最后峰值法檢測(cè)海底線的關(guān)鍵在于?G0參數(shù)的精準(zhǔn)性。?G0在側(cè)掃聲吶圖像中會(huì)隨著位置不同而發(fā)生變化，在實(shí)際操作中會(huì)存在一定的困難性。因此可通過(guò)以下方法對(duì)?G0進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)以及海底線提?。?/p>

（1）依據(jù)過(guò)往檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定經(jīng)驗(yàn)閾值?G0，然后將回波區(qū)與水柱區(qū)區(qū)分開(kāi)。理論上來(lái)講，水柱區(qū)的圖像灰度為0，然后考慮實(shí)際海洋環(huán)境中的因素干擾，可將其設(shè)定在20以下。

（2）基于?G0對(duì)每個(gè)ping掃描線進(jìn)行海底線的跟蹤檢測(cè)，并將正確跟蹤與錯(cuò)誤跟蹤區(qū)分。

（3）選取正確跟蹤數(shù)據(jù)對(duì)?G0進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)求取各海底點(diǎn)的實(shí)際深度與平均深度；對(duì)錯(cuò)誤跟蹤數(shù)據(jù)進(jìn)行?G0計(jì)算，結(jié)合正確跟蹤數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行參數(shù)校正與重新檢測(cè)。

（4）重復(fù)上述操作直至全部ping掃描線完成正確跟蹤檢測(cè)。

（二）海底線綜合跟蹤

在最后峰值法的基礎(chǔ)上，將卡拉曼濾波、基于海床漸變性的異常跟蹤段修復(fù)方法融入其中，形成綜合跟蹤檢測(cè)方法。具體實(shí)施流程如下：

首先利用最后峰值法進(jìn)行海底點(diǎn)跟蹤檢測(cè)，然后依據(jù)對(duì)稱原則對(duì)正確區(qū)段是否增加進(jìn)行判斷。如果判斷結(jié)果為是，則重復(fù)執(zhí)行最后峰值法；如果判斷結(jié)果為否，則進(jìn)入下一個(gè)操作環(huán)節(jié)。針對(duì)錯(cuò)誤跟蹤段建立的公式：

其中，H代表異常地段的拖魚(yú)或者地形高度；l代表ping位置與參考點(diǎn)之間的距離；a0和aj代表多項(xiàng)式模型系數(shù)，j=1，2，3，...，N；N代表模型階數(shù)。

為保證公式計(jì)算結(jié)果的精準(zhǔn)性，還要基于海底跟蹤精度σ0和模型精度σm對(duì)N進(jìn)行確定。側(cè)掃聲吶首個(gè)回波與測(cè)深具有相同功效，因此可將σ0設(shè)置為3%的水深。對(duì)σ0和σm進(jìn)行對(duì)比分析，如果σm參數(shù)比較大，則對(duì)模型階數(shù)N進(jìn)行調(diào)整變動(dòng)；如果σm參數(shù)比較小，則視為符合檢測(cè)需求?；阱e(cuò)誤跟蹤段的能夠計(jì)算拖魚(yú)高度，進(jìn)而得到海底線信息。

基于對(duì)稱原則會(huì)錯(cuò)誤跟蹤段進(jìn)行判斷分析，會(huì)存在兩側(cè)全部跟蹤錯(cuò)誤或一側(cè)跟蹤正確的情況，因此，可利用地形變化的一致性原則進(jìn)行具體判斷。

將k錯(cuò)誤跟蹤段與ping位置對(duì)應(yīng)，隨后對(duì)模型精度與拖魚(yú)高度進(jìn)行計(jì)算，與初始海底點(diǎn)的拖魚(yú)高度今夕習(xí)慣對(duì)策分析，通過(guò)下述公式對(duì)錯(cuò)誤側(cè)分析：

?mean＜3σ0，正確

其中，?mean=Mean （{?k}）， k = 1，2，...， m，Mean代

表平均函數(shù)；m代表異常段的ping掃描線數(shù)量，?k代表初始海底點(diǎn)拖魚(yú)高度與k錯(cuò)誤跟蹤段拖魚(yú)高度的差值。

在單側(cè)段跟蹤正確的情況下，如果一側(cè)跟蹤正確，則另一側(cè)跟蹤錯(cuò)誤，基于對(duì)稱原則將正確段參數(shù)賦值到另一側(cè)；在兩側(cè)均跟蹤錯(cuò)誤的情況下，利用模型對(duì)拖魚(yú)高度進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)計(jì)算航跡線與海底線之間距離，最后能夠得到最終的海底線位置。

針對(duì)海水中存在懸浮物情況，利用卡拉曼濾波對(duì)懸浮物的影響進(jìn)行修復(fù)?？ɡ鼮V波的狀態(tài)和量測(cè)方程如下：

Xk = AXk – 1+ Wk – 1

Zk = HXk + Vk

其中，Xk代表第k條ping掃描線的狀態(tài)向量；A代表轉(zhuǎn)移矩陣，取值為1；Wk-1代表狀態(tài)噪聲，屬于高斯白噪聲，方差為Q、R，初始值設(shè)置為σ0；Zk代表第k條ping掃描線對(duì)應(yīng)的拖魚(yú)高度；H代表量測(cè)矩陣，取值為1；Vk代表觀測(cè)噪聲，屬于高斯白噪聲，方差為Q、R，初始值設(shè)置為σ0。

經(jīng)過(guò)卡拉曼濾波處理后即可得到最終的海底線跟蹤檢測(cè)結(jié)果，圖2為卡拉曼濾波的實(shí)際應(yīng)用效果。通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，卡拉曼濾波處理可以大幅度提高海底線圖像的精準(zhǔn)性。

三、案例分析

為驗(yàn)證上述方法的實(shí)際應(yīng)用效果，以某水域的實(shí)測(cè)側(cè)掃聲吶圖像作為研究對(duì)象，進(jìn)行海底跟蹤測(cè)量工作。在實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)有3條測(cè)線，其中1測(cè)線與2測(cè)線為單波束覆蓋，側(cè)掃聲吶儀器設(shè)置為150m掃幅、100kHz的頻率。3條測(cè)線的長(zhǎng)度分別為3054m、3100m和3090m，實(shí)驗(yàn)區(qū)的水深變化為8～45m，水體中的懸浮物相對(duì)較多，因此得到的側(cè)掃聲吶圖像信息質(zhì)量比較差。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用傳統(tǒng)閾值法、最后峰值法以及該文提出的綜合檢測(cè)方法進(jìn)行海底線自動(dòng)提取操作。使用綜合檢測(cè)方法時(shí)將海底跟蹤精度設(shè)計(jì)為0.1m，?G0設(shè)置為10，d=10。3條測(cè)線的實(shí)際測(cè)量情況如圖3所示。

通過(guò)圖像信息分析可以發(fā)現(xiàn)，使用傳統(tǒng)閾值法時(shí)具有較大的缺陷型，海底線的圖像缺少精準(zhǔn)性；使用最后峰值法時(shí)雖然可以解決水柱區(qū)存在干擾圖像的問(wèn)題，但是在懸浮物橫跨水柱區(qū)的條件下難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的圖像跟蹤提?。惶岢龅木C合檢測(cè)方法與上述兩種方法相比具有明顯的可靠性，可有效解決上述問(wèn)題，保證海底線跟蹤與提取結(jié)果的精準(zhǔn)性與完整性。

使用本研究的檢測(cè)方法對(duì)其與兩條測(cè)線進(jìn)行檢測(cè)，在復(fù)雜海水區(qū)域的海底線圖像提取結(jié)果如圖4所示。用S1和S2代表1測(cè)線與2測(cè)線，用A和B代表測(cè)線中存在的復(fù)雜環(huán)境。

通過(guò)圖像分析可以發(fā)現(xiàn)，基于本研究提出的綜合檢測(cè)方法提取的側(cè)掃聲吶圖像能夠清晰直觀的反映出真實(shí)的海底線情況。

參數(shù)?G0通過(guò)上述方法確定，利用1測(cè)線對(duì)d和σ0對(duì)海底線的跟蹤檢測(cè)結(jié)果精度影響進(jìn)行分析，以實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)分析能夠發(fā)現(xiàn)，σ0參數(shù)越大，對(duì)應(yīng)的跟蹤精度越低，究其原因，在門(mén)限放寬的情況下小異常段未能及時(shí)檢測(cè)跟蹤，在σ0=1時(shí)具有最高的跟蹤精度，與前文描述的理論基礎(chǔ)相契合。d參數(shù)過(guò)大會(huì)降低海底線跟蹤精度，過(guò)小則會(huì)導(dǎo)致跟蹤檢測(cè)效率明顯下降，而在連續(xù)異常的情況下難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，這與門(mén)限濾波基本原則相符。

對(duì)本研究提出的綜合檢測(cè)方法的提取精度進(jìn)行分析，依據(jù)側(cè)掃聲吶中的1圖像與2圖像中的海底線對(duì)海底地形高度進(jìn)行計(jì)算，隨后進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)區(qū)域的海床DEM圖繪制，同時(shí)利用實(shí)測(cè)單波束的地形數(shù)據(jù)繪制海床DEM進(jìn)行對(duì)比分析，基于分析結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)，兩者得到圖像數(shù)據(jù)具有明顯的一致性，1條帶的偏差均方根為±18cm，2條帶的偏差均方根為±16cm，與實(shí)際檢測(cè)提取得到的深度精度參數(shù)保持一致，由此表明本文提出的方法具有實(shí)際應(yīng)用效果。

四、結(jié)論

綜上所述，傳統(tǒng)側(cè)掃聲吶海底線圖像提取方法中存在懸浮物影響、海洋環(huán)境噪聲影響等問(wèn)題，導(dǎo)致海底線圖像的提取精度與質(zhì)量較差?；诖?，該文在最后峰值法的基礎(chǔ)上將卡拉曼濾波和基于海床漸變性的異常跟蹤段修復(fù)方法等方法融入其中，以此得到新的海底線綜合檢測(cè)與提取方法。最后基于實(shí)際驗(yàn)證可以發(fā)現(xiàn)，該方法在具體應(yīng)用中具有良好的效果，可以基于對(duì)稱原則對(duì)跟蹤檢測(cè)的正確性進(jìn)行精準(zhǔn)判斷，保障側(cè)掃聲吶圖像海底線提取的精準(zhǔn)性與完整性。

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