基于多波束反向散射强度数据的角度响应改正方法及其测量系统与流程

本发明涉及基于多波束反向散射强度数据的角度响应改正方法，特别涉及复杂海底底质变化环境下角度响应改正方法。

背景技术：

多波束测深声呐(multi-beamechosonar，mbes)为目前使用最为广泛的海洋测绘仪器之一。多波束声呐系统使用条带测量技术对水底进行全覆盖测量，这种测量技术不仅能获取高精度的水深数据，而且还能获取高精度的反向散射强度数据^[1-2]。反向散射强度数据在海洋底质、海洋资源、海洋环境等多个学科有着重要的应用，而目前国内对多波束声呐的研究主要侧重于水深测量部分，而对反向散射强度数据处理的研究则较少^[3-4]。由于海底环境以及沉积物类型的复杂性，多波束反向散射强度数据在采集过程中受到海底地形起伏、底质类型、传播损失、海洋环境及仪器噪声等多种因素影响，多数可以通过仪器自带改正或后处理进行消除或削弱^[5]。同时多波束反向散射强度数据还受到散射模型机理的影响，表现为在不同的入射角度下表现出不同的变化规律，称之为角度响应^[6](angularresponse，ar)，由于角度响应受散射模型机理影响，往往无法得到有效的消除，这就导致了多波束声呐图像质量偏低，无法真实地反应海底底质的分布特征。因此，角度响应改正成为多波束反向散射强度数据处理过程中最为关键的步骤。

角度响应的影响主要表现为在不同的入射角区域，反向散射强度有着不同的变化模式，主要分为镜面反射区域(一般小于30°)、漫反射区域(介于30°到60°之间)以及高入射角区域(一般高于60°)^[6-7]。反向散射强度与入射角之间的关系可通过图4来描述。这种随角度变化的模式导致了多波束声呐图像整体灰度过度不均匀(图1)，相邻测区重叠部分反向散射强度差异性较大，无法满足底质分类等领域的精度要求。

在角度响应改正过程中，需要准确地提取角度响应改正参数以及构建准确的角度响应模型。在理想状态下，角度响应改正参数可以通过对角度响应曲线二次微分求得，镜面反射区与漫反射区边界可通过角度响应曲线镜面反射区二次微分的最大值确定，而漫反射区域与高入射角区边界域可通过角度响应曲线漫反射区二次微分的最大值确定^[6]。然而在实际的测量中，由于复杂海洋环境以及海底底质的影响，采集的数据往往存在随机误差，导致了角度响应改正参数的精准计算存在一定的困难。而目前普遍使用的角度响应改正模型则考虑到了镜面反射区域以及漫反射区域，并将两者的边界角设立为25°固定角，该模型忽略了高入射角区域以及微小区域角度响应存在着不同的变化模式，将其纳入了漫反射区域一并计算，最终导致了角度响应改正参数的计算存在偏差，表现为多波束声呐图像中央波束区域散射强度明显高于其他区域(图2)，存在明显的误差。这种情况在复杂海底底质环境下表现的更为严重，甚至会出现明显的边界线情况，严重制约着底质分类等领域的精度要求。

综上所述，传统的角度响应改正模型存在角度响应改正参数计算不准确以及改正模型较片面的缺陷，尤其在海底底质较为复杂的环境下，传统方法给多波束反向散射强度数据的最终成果带来非常显著的影响，难以满足精度需求。本发明在分析传统角度响应改正模型缺陷的基础上，提出了一种精确的基于多波束后向散射强度数据的角度响应改正方法，能够最大限度地削弱上述因素的影响，研究成果将较大地提高多波束反向散射强度数据精度，尤其在海底底质较为复杂的环境下，使之能够广泛地适用于各种海底底质环境。

国内外学者在基于多波束反向散射强度数据的角度响应改正方面研究的极少，多数的研究不够科学而且不完整，以下对角度响应改正方面的研究现状进行分析。clark等对多波束反向散射强度数据进行二次微分给出了角度响应的镜面反射区、漫反射区以及高入射角区的边界角确定方法^[6]，但忽略了某些微小区域的反向散射强度特殊变化规律。hammerstad等基于声学理论建立了通用的lambert改正模型^[8]，较好地对反向散射强度数据进行了改正，但由于模型的单一性，无法对整个测区的数据进行良好的改正；laurent等基于镜面反射区域数据和漫反射区域数据建立了em角度响应模型^[9]，该模型结合实际的em数据，有效地解决了反向散射强度数据的不连续性，但由于该模型仅考虑到镜面反射区域和漫反射区域，忽略了高入射角区域，会导致连续测区中的数据的不连续性；金邵华等通过统计漫反射区域的反向散射强度均值来改正整个区域的反向散射强度数据^[10]；唐秋华等剔除了中央波束附近几度的后向散射数据，并根据波束入射角设定数据点的权值大小来改正中央波束区域反向散射强度数据^[11]，上述两种方法均是采用数学统计的方式对反向散射强度数据进行改正，虽然获取了较为归一化的结果，但违背了实际的多波束反向散射强度的变化规律；王煜总结了不同入射角条件下反向散射强度改正的经验公式^[12]，该方法往往只能适用于特定的海底底质环境，不具有普遍性。

由此可见，现有技术仍存在以下缺陷：

(1)目前，基于多波束反向散射强度数据的角度响应改正模型采用了固定的边界角计算模型参数，忽略了边界角随着复杂底质环境的变化而变化，往往不能获取精准的模型参数。

(2)传统的角度响应模型仅考虑到镜面反射区域以及漫反射区域两个角度响应变化区域，而忽略了高入射角区以及微小区域变化，模型的片面性常会导致改正结果达不到精度要求。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是在复杂的海底底质环境基础下，充分顾及反向散射强度数据在不同入射角度下的变化规律，建立一种自适应的角度响应改正模型，以满足底质分类等领域的高精度要求，提供一种基于多波束反向散射强度数据的角度响应改正方法及其测量系统。

为达到上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种基于多波束反向散射强度数据的角度响应改正方法，包括以下步骤：

(1)对原始的多波束反向散射强度数据进行一系列预处理工作，获取仅受角度响应影响下的反向散射强度数据；

(2)采用高斯拟合方法对多波束反向散射强度数据进行曲线平滑拟合，获取各项角度响应改正参数；

(3)在全面顾及复杂海底底质变化的情况下，综合考虑多波束反向散射强度数据的变化规律，对传统角度响应模型进行改进，建立一种自适应的角度响应模型。

所述的基于多波束反向散射强度数据的角度响应改正方法，其特征在于，所述预处理操作获取仅受角度响应影响下的反向散射强度数据，包括以下步骤：

1)通过对原始二进制多波束数据解码等处理后，获取多波束反向散射强度数据；

2)对获取的散射强度数据进行传播损失补偿、照射面积改正等预处理；

所述的基于多波束反向散射强度数据的角度响应改正方法，所述高斯拟合方法，是获取平滑的角度响应变化曲线，包括以下步骤：

1)对预处理后连续的nping多波束反向散射强度数据进行等角度重采样操作；

2)在等角度重采样的基础上进行平均化处理获取连续nping数据的平均值；

3)对平均化处理的数据进行高斯拟合运算获取平滑的角度响应曲线；

4)最后对平滑的角度响应曲线进行二次微分操作获取角度响应模型改正参数。

所述的基于多波束反向散射强度数据的角度响应改正方法，所述自适应角度响应改正模型对预处理后的反向散射强度数据进行改正，包括以下步骤：

1)对处理后的角度响应曲线进行数据分析，建立自适应角度响应模型；

2)将角度响应曲线进行二次微分后获得的角度响应改正参数带入自适应角度响应模型，对反向散射强度数据进行角度响应改正；以及

3)以此类推，将整个测区内的多波束反向散射强度数据进行改正。

一种基于多波束反向散射强度数据的角度响应改正的测量系统，包括他侧装置以及一控制和处理装置，所述控制和处理装置包括：

(1)一预处理装置，对原始的多波束反向散射强度数据进行一系列预处理工作，获取仅受角度响应影响下的反向散射强度数据。

(2)一高斯拟合装置，它采用高斯拟合方法对多波束反向散射强度数据进行曲线平滑拟合，获取各项角度响应改正参数；以及

(3)一角度响应模型建立装置，在全面顾及复杂海底底质变化的情况下，考虑多波束反向散射强度数据的变化规律，对传统角度响应模型进行改进，建立一种自适应的角度响应模型。

所述一种基于多波束反向散射强度数据的角度响应改正的测量系统，所述预处理装置可获取仅受角度响应影响下的反向散射强度数据，包括以下装置：

1)一强度数据装置，它通过对原始二进制多波束数据解码等处理后，获取多波束反向散射强度数据；以及

2)补偿和改正预处理装置，对获取的散射强度数据进行传播损失补偿、照射面积改正等预处理；

所述的基于多波束反向散射强度数据的角度响应改正的测量系统，所述高斯拟合装置包括以下装置：

1)对预处理后连续的nping多波束反向散射强度数据进行等角度重采样操作的操作装置；

2)在等角度重采样的基础上进行平均化处理获取连续nping数据的平均值的平均装置；以及

3)对平均化处理的数据进行高斯拟合运算获取平滑的角度响应曲线的响应装置；以及

4)最后对平滑的角度响应曲线进行二次微分操作获取角度响应模型改正参数的响应模型改正装置。

所述的基于多波束反向散射强度数据的角度响应改正的测量系统，所述角度响应模型建立装置包括以下装置：

1)对处理后的角度响应曲线进行数据分析，建立自适应角度响应模型的响应模型装置；

2)将角度响应曲线进行二次微分后获得的角度响应改正参数带入自适应角度响应模型，对反向散射强度数据进行角度响应改正的改正装置；以及

3)以此类推，将整个测区内的多波束反向散射强度数据进行改正整体改正装置。

通过上述技术方案，本发明的有益效果是：

(1)使用高斯拟合的方式对离散反向散射强度数据进行拟合处理，符合实际的散射强度数据变化规律，能够精确地获取不同区域的角度响应改正参数。

(2)顾及了复杂海底底质环境下以及不同入射角条件下的反向散射强度变化规律，给出了分段式的改正模型，能够较大提高角度响应改正模型准确性。

(3)构建了一种自适应的角度响应改正模型，显著地提高了反向散射强度数据精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；

图1是未进行角度响应改正下的反向散射强度灰度图；

图2是传统角度响应改正下的反向散射强度灰度图；

图3是本发明的总体框图；

图4是本发明的离散反向散射强度数据图；

图5是本发明的高斯拟合下的反向散射强度角度响应曲线图；

图6是本发明的角度响应曲线二次微分图；

图7是本发明的角度响应边界参数提取图；

图8是本发明的角度响应改正结果图；

图9是本发明的整个测区未进行角度响应改正图；

图10是本发明的整个测区传统角度响应模型改正图；

图11是本发明的整个测区自适应角度响应模型改正图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

首先，本发明涉及如下技术术语：

多波束反向散射强度数据

多波束测深系统以条带测量的方式，可以对海底进行100％的全覆盖测量，每个条带的覆盖宽度可以达到水深的数倍。应用这种高新技术，不仅可以获得高精度的水深地形数据，还可以同时获得类似侧扫声呐测量的海底声像图，为人们提供了直观的海底形态。多波束系统的反向散射强度测量，是通过系统的底部检测完成。底部检测的目的在于寻找和确定每个波束的到达角和往返传播时间(或相位的变化)，再根据相关的改正技术，确定波束脚印的水平距离、深度以及每个到达波束的反向散射强度。对反向散射强度数据采样时，测量对象仍是海底的波束脚印。对于声呐图像，量测的是一个反向散射强度的时序观测量。每个时序观测量相对波束脚印要小的多，单位时间内，时序采样的个数是测深采样的几倍或十几倍(视多波束测深系统的图像分辨率而定)。每个时序采样是球形面的发射波束模式与环形面的接收波束模式在[t，t+δt](对于连续波cw，δt小于脉冲的长度)时间段内形成的交界面。深度测量值实际上反映的是该波束在穿透区内的平均斜距，而声呐采样测量值是在该穿透区内，由多个波束模式所包围的波束脚印回波信号值多波束每完成一次测量，便在扇面与海底的交线上形成一组回波强度时序观测量，经过多次测量，可获得测区内不同位置的反向散射强度。

角度响应曲线

由于波束入射角的不同，导致以不同角度下发射的波束得到的反向散射强度表现出不同的变化规律。而在不同的变化区域里，其变化规律也不相同，与海底底质以及波束入射角相关。在这种受波束角度作用下的反向散射强度变化规律获得的反向散射强度变化图称之为角度响应曲线。

高斯拟合

高斯拟合函数即正态分布函数。正态分布有下列特征：1)正态曲线在横轴上方均数处最高。2)正态分布以均数为中心，左右对称。3)正态分布有两个参数，即均数和标准差；标准正态分布用n(0，1)表示。3)正态曲线下的面积分布有一定的规律。

高斯拟合是一类根据高斯函数的形状来选择权值的线性平滑滤波器。高斯平滑滤波器对于抑制服从正态分布的噪声非常有效。故采用高斯拟合的方式对离散反向散射强度数据进行拟合操作能最大程度地进行平滑曲线操作以及保留原始的数据变化规律，从而能够精确地获取角度响应改正参数。

自适应角度响应改正模型

由于反向散射强度数据受到了角度响应的影响，且传统角度响应改正模型无法准确地对整个条带的反向散射强度数据进行全面改正，故在角度响应曲线的分析基础上，对反向散射强度数据进行更为精确的分段式处理，并采用高斯拟合的方式获取更为准确的角度响应改正参数，提出了改进的自适应角度响应改正模型，从而显著地提高反向散射强度数据精度。

本发明基于多波束反向散射强度数据的角度响应改正方法主要包括以下步骤：

(1)对原始的多波束反向散射强度数据进行一系列预处理工作，获取仅受角度响应影响下的反向散射强度数据；该预处理操作主要包括以下步骤：

1)对多波束数据进行解码等操作，获取原始的反向散射强度数据；以及

2)对原始反向散射强度数据进行传播损失补偿、照射面积改正等操作，

(2)采用高斯拟合的方式对多波束反向散射强度数据进行曲线平滑拟合，获取各项角度响应改正参数，该高斯拟合运算包括以下步骤：

1)获取连续nping的反向散射强度数据进行等角度重采样处理；以及

2)对重采样后的连续nping反向散射强度数据进行平均化处理；以及

3)对平均化的反向散射强度数据进行高斯拟合运算，获取平滑的角度响应曲线；以及

4)对角度响应曲线进行二次微分处理，获取角度响应改正参数，

(3)在全面考虑复杂海底底质变化的环境下，以及综合顾及多波束反向散射强度数据的变化规律，对传统角度响应模型进行改进，建立一种自适应的角度响应模型并对整个测区的反向散射强度数据进行角度响应改正，该角度响应改正主要包括以下步骤：

1)对反向散射强度数据按照其不同入射角度下的变化规律进行分段式处理；

2)对不同的分段区域给出角度响应改正模型；

3)利用高斯拟合获取连续nping的散射强度数据的角度响应参数带入模型中对该nping散射强度数据进行改正；

4)以此类推，完成整个测区的反向散射强度数据角度响应改正。

参见图1至图11所示，本发明的具体实施方式如下：

(1)总体技术路线

第一步，获取预处理后的反向散射强度数据；第二步，对预处理后的反向散射强度数据进行等角度重采样操作并获取连续nping的散射强度数据平均值；第三步，对平均化的反向散射强度数据进行高斯拟合运算获取角度响应曲线，并对角度响应曲线进行二次微分处理获取角度响应改正参数；第四步，根据反向散射强度在不同波束入射角条件下的变化规律，构建分段式自适应角度响应改正模型；最后，利用高斯拟合计算的改正参数带入模型中获取角度响应改正值，对整个测区的反向散射强度数据进行角度响应改正。

(2)反向散射强度数据预处理

根据声呐方程，接受声能el可以用下式表达：

el＝sl-2tl+bts(1)

其中，sl为声源级，2tl为双旅程传播损失，bts为目标底物反射强度。

传播损失tl为传播损失以及吸收损失之和：

tl＝ar+20logr(2)

其中，r为传播距离(m)，α为衰减系数(db/km)。

目标底物反射强度bts同时受到单位面积海底底物类型bs(db/m²)以及底部照射面积a(m²)影响，故目标底物反射强度bts为：

bts＝bs+10loga(3)

对于底部照射面积a来说，受到波束入射角的影响。当为0°时，a由波束几何形状决定，表示为波束发射宽度θx和波束接收宽度θy的乘积；而当不等于0°时，a受波束入射角脉冲宽度τ(s)、声速c(m/s)影响，表示为：

由于海底地形高低起伏，存在一定的坡面角β，因此实际的入射角为

取坡面上三个点m1(x1,y1,z1)、m2(x2,y2,z2)、m3(x3,y3,z3)，其中z1>z2>z3，则坡面方程为：

a(x-x1)+b(y-y1)+c(z-z1)＝0(6)

式中，系数a,b,c可通过法向量n获得：

则坡面角为：

实际的波束入射角为：

受到坡面角的影响，实际的波束照射面积a’为：

a'＝a/cosβ(10)将式(9)、式(10)带入式(4)中即可进行精准的照射面积改正。

多波束反向散射强度数据同时还受到角度响应影响，而在对多波束反向散射强度数据进行传播损失改正、照射面积改正等预处理后，即可获取仅受到角度响应影响下的反向散射强度数据。

(3)高斯拟合

在底质变化较为复杂时，单ping的平均角度响应曲线存在较大的波动，使得角度响应模型参数无法准确获取。而使用多ping后向散射数据进行平均处理以后，整体特征曲线实际上趋于高斯分布(图4)，故采用高斯拟合的方式来对离散反向散射强度数据进行拟合运算，能够最大程度地模拟实际的反向散射强度变化模式。

高斯拟合是一类根据高斯函数的形状来选择权值的线性平滑滤波器。高斯平滑滤波器对于抑制服从正态分布的噪声非常有效。一维高斯函数为：

其中，g(i)为一维高斯拟合模板，σ为标准差，r为高斯模板大小，i则为序列号。

标准差值选取的大小影响着高斯拟合平滑程度，参数值越大，拟合的曲线越平滑，为了不损失角度响应曲线原有的细节特征，标准差值的大小不宜过大，高斯模板值则设置为标准差的3倍左右。设定标准差值为2，高斯模板值为7，可以看出设定的参数值得到的角度响应曲线已经非常平滑(图5)，将高斯拟合的反向散射强度数据进行二次微分处理(图6)，已经能够准确的判读出不同区域的边界值。

其中，二次微分曲线中的5°～30°之间的最大值直接判读出镜面反射区与漫反射区的边界位置；理想状态下40°～60°之间的微分最大值为漫反射区与高入射角区的边界位置，实际上由于实际生产过程中，某些仪器厂商提供的时变增益(timevaryinggain，tvg)存在过量增益现象且难以消除，导致了高入射角区域的反向散射强度不是下降而是上升的趋势(图4)。针对这种情况，选取40°～60°之间反向散射强度最小值作为漫反射区与高入射角区的边界位置。

实际上，为了消除每个区域之间角度响应改正产生的突变问题，还应在每两个区域之间设立一个过渡区域。如图7(左)所示(为了方便显示，仅取了右弦部分)，其中漫反射区域与高入射角区域之间的过渡区域非常小，可以忽略，而镜面反射区与漫反射区之间的过渡区域则需要纳入计算，过渡区域的边界角可以通过镜面反射区结束以后第一个二次微分为0的位置点来确定。

如图7(右)所示，沿着波束入射角增大的方向依次增加三条竖线，分别划分了镜面反射区、过渡区、漫反射区以及高入射角区的边界。在获取每个区域的边界角之后，每个区域的回波强度变化斜率可以通过线形回归法计算得到，并分别计算各个区域的平均回波强度，获得每个区域的角度响应模型参数，用于角度响应模型改正。

(4)自适应角度响应改正模型构建及反向散射强度改正

由于反向散射强度数据在不同的入射角区域下有着不同的变化方式，因此为了准确地对反向散射强度数据进行改正，必须要对入射角分段进行处理。传统的官方多波束角度响应模型^[11]如式(12)所示：

式中，bs0、bsn分别为25°和0°的反向散射强度，θ为波束入射角，bs为改正值。

由于传统模型存在考虑不充分的缺陷，为此，本文对传统的默认改正模型进行改进，充分考虑到角度响应变化的三个主要区域以及一个过渡区域，改进的自适应角度响应模型^[12-13]如式(13)所示：

k＝k3-10lg(cos²θ)/(θ3-θ2)(14)

式中，θ1，θ2，θ3，θ4分别为镜面反射区结束角、过渡区结束角、漫反射区结束角以及高入射角区结束角；bs1，bs2，bs3，bs4分别为对应的各个区域开始的回波强度；k1，k2，k3，k4为各个区域对应的回波强度变化斜率，k为漫反射区域的补偿斜率，即自适应模型与lambert法则之间的差值；θ为波束入射角；bsm为自适应模型改正值。

不同区域的反向散射强度数据，减去自适应模型计算出的改正值，再加上漫反射区域的平均回波强度，即可实现反向散射强度数据的改正以及归一化，如式(15)所示。

bsn＝bs-bsm+mbs(15)

其中，bsn为最终自适应模型改正后的反向散射强度数据，bs为原始记录的反向散射强度数据，bsm为自适应模型改正值，mbs为漫反射区域的反向散射强度数据平均值。

(5)自适应角度响应改正模型精度评估建立一种分段式的自适应角度响应改正模型后，需要对该模型的精度进行评估，而对自适应模型精度的评估实际上就是对反向散射强度自适应角度响应改正结果的评估，为此，可以通过以下方法对散射强度改正结果进行精度评估。

①单条带精度计算

对于反向散射强度的单条带的精度计算可以通过计算该条带中每ping数据中的散射强度的均方差来评定改正精度。由于在沿着航迹线前进方向的小范围内，多波束声呐接收到的每ping反向散射强度数据反映的海底底质变化比较平缓，极少存在突变情况，故计算单条带的每ping反向散射强度的均方差，能够一定程度上反映出模型的改正精度。

②多条带精度计算

对于反向散射强度的多条带精度计算可以选择两个有重叠部分的相邻条带，由于海底底质不受测量方式的影响，故理论上该区域的任意测量条带反向散射强度数据应是非常接近，因此选择两个具有重叠部分的条带，提取重叠部分的反向散射强度数据进行均方差计算，由此检验自适应模型改正的精度。

由此可见，本发明中解决了下列技术问题：

(1)采用高斯拟合方法对反向散射强度数据进行拟合处理，解决了不能准确提取角度响应改正参数的问题。

(2)采用了分段式的角度响应改正模型，纠正了传统角度响应改正模型的缺陷，提高了反向散射强度数据角度响应改正的精度。

另外，本发明的技术特点如下：

(1)顾及反向散射强度变化模式采用高斯拟合获取改正参数。

(2)构建了分段式的自适应角度响应改正模型。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

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