声呐图像的形成

6.1.1　声呐图像的形成

回波强度反映的是波束与其海底投射点的相互作用产生的声能变化。对于深度测量，探测的是代表波束投射点中心处的平均往返时间或相位变化;对于回波强度测量，探测的是一个回向散射强度的时序观测量，每一个时序观测量相对波束投射点区要小得多，单位时间内，时序采样的个数是测深采样的几倍到十几倍。每个时序采样仍然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+ d t］内对于连续波CW在d t小于脉冲长度时间段内形成的交界面。与深度测量不同的是，深度测量实际上反映的是该波束穿透区内的平均斜距，而回波强度采样测量则反映的是该穿透区内、由多个波束模式所包围的波束投射点区。其工作原理如图6-1所示。

图6-1　单个波束投射区内的声呐图像时序采样原理

扫测系统每完成一次测量，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回波强度。

测区声呐图像需要通过完成声线改正和图像镶嵌(mosaic)两项工作后才能获得。

底部检测在测定回波强度的同时，也获得了波束的往返程时间和到达角，利用声线弯曲改正，很容易获得波束的横向水平距离和深度。扇面内波束在海底的投射点，定义了一条经过每一波束穿透区中心的断面线。对穿透区声强的详尽描述包括波束模式的前后宽度、相邻波束投射点区以及连续ping间的关系，同时还要监控每ping发射时的船体运动状态，从而保证波束投射点区之间的重合度以及ping间的无间隙。将每ping所形成的断面线按照船速和ping发射的时间序列紧密地排列起来，就形成了扫测系统原始声呐图像(图6-2)。

穿透区声强可通过一定的灰度级来描述，呈现一定的明暗变化，反映了回波强度水平，也反映了海底沉积物的属性;为了得到真实的回波强度，就必须对影响声强的诸多因素进行深入研究，并对其影响进行补偿。

在形成声呐图像之前，还需对回波强度进行如下处理。

1.回波强度数据滤波

尽管回波强度数据经过了预处理，但还包含着其他因素的影响，需对其进行滤波处理，消除异常值。理论上，回波强度数据滤波也可采用深度数据滤波中的算法，但由于数据量庞大，宜采用滑动平均滤波。

图6-2　多波束声呐图像的成像原理

式中，N为选定窗口内声强的采样个数，BS_i为第i个被平滑对象，BS_j为窗口内声强样本。

滑动平均滤波能够降低回波强度中的噪声，但窗口的大小取决于波束投射点的密度和底质的变化特征。底质类型较单一时，可适当增大滤波窗口;否则，应减小窗口，确保所得BS_i具有较强的代表性。

2.回波强度采样位置的确定

扫测系统每进行一次测量，就形成一个断面，断面内的回波强度采样具有时序性，为了绘制声呐图像，声强必须从时间序列转化为横向距离序列。一种确定振幅位置比较有效的方法是波束振幅投影法，该法由Neil C.Mitchell于1996年提出，利用这种方法形成海底声呐图像。如图6-3所示，振幅轨迹为图中“W形”的声波信号，确定的投影面为相邻测深点k和k+1确定的直线，其坡度α根据相邻测深点的深度和距离差确定。设波束的入射角为φ，在角(φ－α)不是很小的情况下，则波束的横向距离为:

式中，d₀为波束中心的横向距离，i为声强采样序号，i₀为对应的波束中心声强采样序

号，Δr为斜距方向距离采样的间隔，α为坡度。

海底地形起伏变化不大时，借助式(6-2)可获得准确的回波强度采样位置;但粗糙的海底地形将会导致坡度α异常大，投影到图6-3中f－g线上的振幅对应位置与投影到f'－g'(实际投影面)线上的位置将出现偏差，但该偏差非常小，对于投影距离的计算精度影响甚微。

图6-3　回声强度位置的确定

3.回波强度的内插

完成回波强度数据的滤波和位置确定以后，需要考虑断面上回波强度数据的分布。因测量模式所致，投影点间的距离不是一个常数，而是随深度变化而变化的。底部检测的失败将导致回波强度信息无效。此外，粗差的剔除也会引起回波强度数据空缺。

为了得到等间距的声强分布，就需要根据波束投射点的位置对声强进行内插。考虑回波强度数据在断面上的分布特点，采用简单的线性内插便可获得高精度的内插回波强度值。

回波强度数据的内插还表现在图像形成以后。因船速、船姿和航向的变化，ping扇面间的间距大小不一，采样点间距较小时问题比较容易解决，空隙较大时，则需根据周围回波强度数据实施内插处理。内插可采用移动加权平均方法。