声呐图像的形成原理

5.3　声呐图像的形成原理

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的变化情况。对于回波强度测量的是一个回向散射强度序列。单位时间内，时序采样的个数是测深采样的几倍或十几倍。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。不同于深度测量，回波强度采样测量的是该穿透区内由多个波束模式所包围的波束投射点圆区域。其工作原理如图5-5所示。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，即可获得测区内不同位置的回波强度。通过声线改正和图像镶嵌(mosaic)可获得测区声呐图像(见图5-6)。

图5-5　单个波束投射区内的声呐图像时序采样原理

声波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，它既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，首先必须对影响声强的诸因素进行深入研究，进而对其影响进行补偿。所以，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

经过上述预处理后的回波强度数据，还包含着其他因素的影响。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，常采用简单的滑动平均滤波，其模型为:

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为窗口内声强采样。

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。底质类型简单时，应适当增大窗口;否则，应减小窗口。

多波束声呐图像的成像原理如图5-6所示。

图5-6　多波束声呐图像的成像原理

2.回波强度采样位置的确定

扫测系统每测量一次形成一个断面，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。波束振幅投影法是Neil C.Mitchell在1996年提出的一种确定振幅位置比较有效的方法，如图5-7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:

　　　　　　　　　d= d₀+(i-i₀)Δr cosα/sin(φ-α)　　　　　　　　(5-33)

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。

如果海底地形起伏变化不大，式(5-33)可以获得准确的回波强度采样位置;反之，粗糙的海底地形将会导致坡度α异常大，这时投影到图5-7中fg线上的振幅对应位置与投影到f'g'(实际投影面)线上的位置就会出现偏差。实际上，该偏差非常小，对于投影距离的计算精度影响甚微。

图5-7　回声强度位置的确定

3.回波强度数据的内插

在完成回波强度数据的滤波和位置的确定之后，下一步需要考虑的是断面上回波强度数据的分布问题。由于测量模式所致，实际上投影点之间的距离并不是一个常数，而是随深度的变化而变化;底部检测的失败将导致回波强度信息无效;粗差的剔除也会引起回波强度数据的空缺。

为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差。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，需根据周围回波强度数据进行内插。