本發(fā)明涉及基于多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)的角度響應(yīng)改正方法，特別涉及復(fù)雜海底底質(zhì)變化環(huán)境下角度響應(yīng)改正方法。

背景技術(shù)：

多波束測(cè)深聲吶(multi-beamechosonar，mbes)為目前使用最為廣泛的海洋測(cè)繪儀器之一。多波束聲吶系統(tǒng)使用條帶測(cè)量技術(shù)對(duì)水底進(jìn)行全覆蓋測(cè)量，這種測(cè)量技術(shù)不僅能獲取高精度的水深數(shù)據(jù)，而且還能獲取高精度的反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)^[1-2]。反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)在海洋底質(zhì)、海洋資源、海洋環(huán)境等多個(gè)學(xué)科有著重要的應(yīng)用，而目前國(guó)內(nèi)對(duì)多波束聲吶的研究主要側(cè)重于水深測(cè)量部分，而對(duì)反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)處理的研究則較少^[3-4]。由于海底環(huán)境以及沉積物類型的復(fù)雜性，多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)在采集過程中受到海底地形起伏、底質(zhì)類型、傳播損失、海洋環(huán)境及儀器噪聲等多種因素影響，多數(shù)可以通過儀器自帶改正或后處理進(jìn)行消除或削弱^[5]。同時(shí)多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)還受到散射模型機(jī)理的影響，表現(xiàn)為在不同的入射角度下表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，稱之為角度響應(yīng)^[6](angularresponse，ar)，由于角度響應(yīng)受散射模型機(jī)理影響，往往無法得到有效的消除，這就導(dǎo)致了多波束聲吶圖像質(zhì)量偏低，無法真實(shí)地反應(yīng)海底底質(zhì)的分布特征。因此，角度響應(yīng)改正成為多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)處理過程中最為關(guān)鍵的步驟。

角度響應(yīng)的影響主要表現(xiàn)為在不同的入射角區(qū)域，反向散射強(qiáng)度有著不同的變化模式，主要分為鏡面反射區(qū)域(一般小于30°)、漫反射區(qū)域(介于30°到60°之間)以及高入射角區(qū)域(一般高于60°)^[6-7]。反向散射強(qiáng)度與入射角之間的關(guān)系可通過圖4來描述。這種隨角度變化的模式導(dǎo)致了多波束聲吶圖像整體灰度過度不均勻(圖1)，相鄰測(cè)區(qū)重疊部分反向散射強(qiáng)度差異性較大，無法滿足底質(zhì)分類等領(lǐng)域的精度要求。

在角度響應(yīng)改正過程中，需要準(zhǔn)確地提取角度響應(yīng)改正參數(shù)以及構(gòu)建準(zhǔn)確的角度響應(yīng)模型。在理想狀態(tài)下，角度響應(yīng)改正參數(shù)可以通過對(duì)角度響應(yīng)曲線二次微分求得，鏡面反射區(qū)與漫反射區(qū)邊界可通過角度響應(yīng)曲線鏡面反射區(qū)二次微分的最大值確定，而漫反射區(qū)域與高入射角區(qū)邊界域可通過角度響應(yīng)曲線漫反射區(qū)二次微分的最大值確定^[6]。然而在實(shí)際的測(cè)量中，由于復(fù)雜海洋環(huán)境以及海底底質(zhì)的影響，采集的數(shù)據(jù)往往存在隨機(jī)誤差，導(dǎo)致了角度響應(yīng)改正參數(shù)的精準(zhǔn)計(jì)算存在一定的困難。而目前普遍使用的角度響應(yīng)改正模型則考慮到了鏡面反射區(qū)域以及漫反射區(qū)域，并將兩者的邊界角設(shè)立為25°固定角，該模型忽略了高入射角區(qū)域以及微小區(qū)域角度響應(yīng)存在著不同的變化模式，將其納入了漫反射區(qū)域一并計(jì)算，最終導(dǎo)致了角度響應(yīng)改正參數(shù)的計(jì)算存在偏差，表現(xiàn)為多波束聲吶圖像中央波束區(qū)域散射強(qiáng)度明顯高于其他區(qū)域(圖2)，存在明顯的誤差。這種情況在復(fù)雜海底底質(zhì)環(huán)境下表現(xiàn)的更為嚴(yán)重，甚至?xí)霈F(xiàn)明顯的邊界線情況，嚴(yán)重制約著底質(zhì)分類等領(lǐng)域的精度要求。

綜上所述，傳統(tǒng)的角度響應(yīng)改正模型存在角度響應(yīng)改正參數(shù)計(jì)算不準(zhǔn)確以及改正模型較片面的缺陷，尤其在海底底質(zhì)較為復(fù)雜的環(huán)境下，傳統(tǒng)方法給多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)的最終成果帶來非常顯著的影響，難以滿足精度需求。本發(fā)明在分析傳統(tǒng)角度響應(yīng)改正模型缺陷的基礎(chǔ)上，提出了一種精確的基于多波束后向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)的角度響應(yīng)改正方法，能夠最大限度地削弱上述因素的影響，研究成果將較大地提高多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)精度，尤其在海底底質(zhì)較為復(fù)雜的環(huán)境下，使之能夠廣泛地適用于各種海底底質(zhì)環(huán)境。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在基于多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)的角度響應(yīng)改正方面研究的極少，多數(shù)的研究不夠科學(xué)而且不完整，以下對(duì)角度響應(yīng)改正方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析。clark等對(duì)多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行二次微分給出了角度響應(yīng)的鏡面反射區(qū)、漫反射區(qū)以及高入射角區(qū)的邊界角確定方法^[6]，但忽略了某些微小區(qū)域的反向散射強(qiáng)度特殊變化規(guī)律。hammerstad等基于聲學(xué)理論建立了通用的lambert改正模型^[8]，較好地對(duì)反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行了改正，但由于模型的單一性，無法對(duì)整個(gè)測(cè)區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行良好的改正；laurent等基于鏡面反射區(qū)域數(shù)據(jù)和漫反射區(qū)域數(shù)據(jù)建立了em角度響應(yīng)模型^[9]，該模型結(jié)合實(shí)際的em數(shù)據(jù)，有效地解決了反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)的不連續(xù)性，但由于該模型僅考慮到鏡面反射區(qū)域和漫反射區(qū)域，忽略了高入射角區(qū)域，會(huì)導(dǎo)致連續(xù)測(cè)區(qū)中的數(shù)據(jù)的不連續(xù)性；金邵華等通過統(tǒng)計(jì)漫反射區(qū)域的反向散射強(qiáng)度均值來改正整個(gè)區(qū)域的反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)^[10]；唐秋華等剔除了中央波束附近幾度的后向散射數(shù)據(jù)，并根據(jù)波束入射角設(shè)定數(shù)據(jù)點(diǎn)的權(quán)值大小來改正中央波束區(qū)域反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)^[11]，上述兩種方法均是采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的方式對(duì)反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行改正，雖然獲取了較為歸一化的結(jié)果，但違背了實(shí)際的多波束反向散射強(qiáng)度的變化規(guī)律；王煜總結(jié)了不同入射角條件下反向散射強(qiáng)度改正的經(jīng)驗(yàn)公式^[12]，該方法往往只能適用于特定的海底底質(zhì)環(huán)境，不具有普遍性。

由此可見，現(xiàn)有技術(shù)仍存在以下缺陷：

(1)目前，基于多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)的角度響應(yīng)改正模型采用了固定的邊界角計(jì)算模型參數(shù)，忽略了邊界角隨著復(fù)雜底質(zhì)環(huán)境的變化而變化，往往不能獲取精準(zhǔn)的模型參數(shù)。

(2)傳統(tǒng)的角度響應(yīng)模型僅考慮到鏡面反射區(qū)域以及漫反射區(qū)域兩個(gè)角度響應(yīng)變化區(qū)域，而忽略了高入射角區(qū)以及微小區(qū)域變化，模型的片面性常會(huì)導(dǎo)致改正結(jié)果達(dá)不到精度要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是在復(fù)雜的海底底質(zhì)環(huán)境基礎(chǔ)下，充分顧及反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)在不同入射角度下的變化規(guī)律，建立一種自適應(yīng)的角度響應(yīng)改正模型，以滿足底質(zhì)分類等領(lǐng)域的高精度要求，提供一種基于多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)的角度響應(yīng)改正方法及其測(cè)量系統(tǒng)。

為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種基于多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)的角度響應(yīng)改正方法，包括以下步驟：

(1)對(duì)原始的多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列預(yù)處理工作，獲取僅受角度響應(yīng)影響下的反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)；

(2)采用高斯擬合方法對(duì)多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線平滑擬合，獲取各項(xiàng)角度響應(yīng)改正參數(shù)；

(3)在全面顧及復(fù)雜海底底質(zhì)變化的情況下，綜合考慮多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，對(duì)傳統(tǒng)角度響應(yīng)模型進(jìn)行改進(jìn)，建立一種自適應(yīng)的角度響應(yīng)模型。

所述的基于多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)的角度響應(yīng)改正方法，其特征在于，所述預(yù)處理操作獲取僅受角度響應(yīng)影響下的反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)，包括以下步驟：

1)通過對(duì)原始二進(jìn)制多波束數(shù)據(jù)解碼等處理后，獲取多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)；

2)對(duì)獲取的散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行傳播損失補(bǔ)償、照射面積改正等預(yù)處理；

所述的基于多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)的角度響應(yīng)改正方法，所述高斯擬合方法，是獲取平滑的角度響應(yīng)變化曲線，包括以下步驟：

1)對(duì)預(yù)處理后連續(xù)的nping多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行等角度重采樣操作；

2)在等角度重采樣的基礎(chǔ)上進(jìn)行平均化處理獲取連續(xù)nping數(shù)據(jù)的平均值；

3)對(duì)平均化處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯擬合運(yùn)算獲取平滑的角度響應(yīng)曲線；

4)最后對(duì)平滑的角度響應(yīng)曲線進(jìn)行二次微分操作獲取角度響應(yīng)模型改正參數(shù)。

所述的基于多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)的角度響應(yīng)改正方法，所述自適應(yīng)角度響應(yīng)改正模型對(duì)預(yù)處理后的反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行改正，包括以下步驟：

1)對(duì)處理后的角度響應(yīng)曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，建立自適應(yīng)角度響應(yīng)模型；

2)將角度響應(yīng)曲線進(jìn)行二次微分后獲得的角度響應(yīng)改正參數(shù)帶入自適應(yīng)角度響應(yīng)模型，對(duì)反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行角度響應(yīng)改正；以及

3)以此類推，將整個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)的多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行改正。

一種基于多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)的角度響應(yīng)改正的測(cè)量系統(tǒng)，包括他側(cè)裝置以及一控制和處理裝置，所述控制和處理裝置包括：

(1)一預(yù)處理裝置，對(duì)原始的多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列預(yù)處理工作，獲取僅受角度響應(yīng)影響下的反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

(2)一高斯擬合裝置，它采用高斯擬合方法對(duì)多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線平滑擬合，獲取各項(xiàng)角度響應(yīng)改正參數(shù)；以及

(3)一角度響應(yīng)模型建立裝置，在全面顧及復(fù)雜海底底質(zhì)變化的情況下，考慮多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，對(duì)傳統(tǒng)角度響應(yīng)模型進(jìn)行改進(jìn)，建立一種自適應(yīng)的角度響應(yīng)模型。

所述一種基于多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)的角度響應(yīng)改正的測(cè)量系統(tǒng)，所述預(yù)處理裝置可獲取僅受角度響應(yīng)影響下的反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)，包括以下裝置：

1)一強(qiáng)度數(shù)據(jù)裝置，它通過對(duì)原始二進(jìn)制多波束數(shù)據(jù)解碼等處理后，獲取多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)；以及

2)補(bǔ)償和改正預(yù)處理裝置，對(duì)獲取的散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行傳播損失補(bǔ)償、照射面積改正等預(yù)處理；

所述的基于多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)的角度響應(yīng)改正的測(cè)量系統(tǒng)，所述高斯擬合裝置包括以下裝置：

1)對(duì)預(yù)處理后連續(xù)的nping多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行等角度重采樣操作的操作裝置；

2)在等角度重采樣的基礎(chǔ)上進(jìn)行平均化處理獲取連續(xù)nping數(shù)據(jù)的平均值的平均裝置；以及

3)對(duì)平均化處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯擬合運(yùn)算獲取平滑的角度響應(yīng)曲線的響應(yīng)裝置；以及

4)最后對(duì)平滑的角度響應(yīng)曲線進(jìn)行二次微分操作獲取角度響應(yīng)模型改正參數(shù)的響應(yīng)模型改正裝置。

所述的基于多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)的角度響應(yīng)改正的測(cè)量系統(tǒng)，所述角度響應(yīng)模型建立裝置包括以下裝置：

1)對(duì)處理后的角度響應(yīng)曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，建立自適應(yīng)角度響應(yīng)模型的響應(yīng)模型裝置；

2)將角度響應(yīng)曲線進(jìn)行二次微分后獲得的角度響應(yīng)改正參數(shù)帶入自適應(yīng)角度響應(yīng)模型，對(duì)反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行角度響應(yīng)改正的改正裝置；以及

3)以此類推，將整個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)的多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行改正整體改正裝置。

通過上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：

(1)使用高斯擬合的方式對(duì)離散反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，符合實(shí)際的散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)變化規(guī)律，能夠精確地獲取不同區(qū)域的角度響應(yīng)改正參數(shù)。

(2)顧及了復(fù)雜海底底質(zhì)環(huán)境下以及不同入射角條件下的反向散射強(qiáng)度變化規(guī)律，給出了分段式的改正模型，能夠較大提高角度響應(yīng)改正模型準(zhǔn)確性。

(3)構(gòu)建了一種自適應(yīng)的角度響應(yīng)改正模型，顯著地提高了反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)精度。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖；

圖1是未進(jìn)行角度響應(yīng)改正下的反向散射強(qiáng)度灰度圖；

圖2是傳統(tǒng)角度響應(yīng)改正下的反向散射強(qiáng)度灰度圖；

圖3是本發(fā)明的總體框圖；

圖4是本發(fā)明的離散反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)圖；

圖5是本發(fā)明的高斯擬合下的反向散射強(qiáng)度角度響應(yīng)曲線圖；

圖6是本發(fā)明的角度響應(yīng)曲線二次微分圖；

圖7是本發(fā)明的角度響應(yīng)邊界參數(shù)提取圖；

圖8是本發(fā)明的角度響應(yīng)改正結(jié)果圖；

圖9是本發(fā)明的整個(gè)測(cè)區(qū)未進(jìn)行角度響應(yīng)改正圖；

圖10是本發(fā)明的整個(gè)測(cè)區(qū)傳統(tǒng)角度響應(yīng)模型改正圖；

圖11是本發(fā)明的整個(gè)測(cè)區(qū)自適應(yīng)角度響應(yīng)模型改正圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

首先，本發(fā)明涉及如下技術(shù)術(shù)語：

多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)

多波束測(cè)深系統(tǒng)以條帶測(cè)量的方式，可以對(duì)海底進(jìn)行100％的全覆蓋測(cè)量，每個(gè)條帶的覆蓋寬度可以達(dá)到水深的數(shù)倍。應(yīng)用這種高新技術(shù)，不僅可以獲得高精度的水深地形數(shù)據(jù)，還可以同時(shí)獲得類似側(cè)掃聲吶測(cè)量的海底聲像圖，為人們提供了直觀的海底形態(tài)。多波束系統(tǒng)的反向散射強(qiáng)度測(cè)量，是通過系統(tǒng)的底部檢測(cè)完成。底部檢測(cè)的目的在于尋找和確定每個(gè)波束的到達(dá)角和往返傳播時(shí)間(或相位的變化)，再根據(jù)相關(guān)的改正技術(shù)，確定波束腳印的水平距離、深度以及每個(gè)到達(dá)波束的反向散射強(qiáng)度。對(duì)反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)采樣時(shí)，測(cè)量對(duì)象仍是海底的波束腳印。對(duì)于聲吶圖像，量測(cè)的是一個(gè)反向散射強(qiáng)度的時(shí)序觀測(cè)量。每個(gè)時(shí)序觀測(cè)量相對(duì)波束腳印要小的多，單位時(shí)間內(nèi)，時(shí)序采樣的個(gè)數(shù)是測(cè)深采樣的幾倍或十幾倍(視多波束測(cè)深系統(tǒng)的圖像分辨率而定)。每個(gè)時(shí)序采樣是球形面的發(fā)射波束模式與環(huán)形面的接收波束模式在[t，t+δt](對(duì)于連續(xù)波cw，δt小于脈沖的長(zhǎng)度)時(shí)間段內(nèi)形成的交界面。深度測(cè)量值實(shí)際上反映的是該波束在穿透區(qū)內(nèi)的平均斜距，而聲吶采樣測(cè)量值是在該穿透區(qū)內(nèi)，由多個(gè)波束模式所包圍的波束腳印回波信號(hào)值多波束每完成一次測(cè)量，便在扇面與海底的交線上形成一組回波強(qiáng)度時(shí)序觀測(cè)量，經(jīng)過多次測(cè)量，可獲得測(cè)區(qū)內(nèi)不同位置的反向散射強(qiáng)度。

角度響應(yīng)曲線

由于波束入射角的不同，導(dǎo)致以不同角度下發(fā)射的波束得到的反向散射強(qiáng)度表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。而在不同的變化區(qū)域里，其變化規(guī)律也不相同，與海底底質(zhì)以及波束入射角相關(guān)。在這種受波束角度作用下的反向散射強(qiáng)度變化規(guī)律獲得的反向散射強(qiáng)度變化圖稱之為角度響應(yīng)曲線。

高斯擬合

高斯擬合函數(shù)即正態(tài)分布函數(shù)。正態(tài)分布有下列特征：1)正態(tài)曲線在橫軸上方均數(shù)處最高。2)正態(tài)分布以均數(shù)為中心，左右對(duì)稱。3)正態(tài)分布有兩個(gè)參數(shù)，即均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差；標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布用n(0，1)表示。3)正態(tài)曲線下的面積分布有一定的規(guī)律。

高斯擬合是一類根據(jù)高斯函數(shù)的形狀來選擇權(quán)值的線性平滑濾波器。高斯平滑濾波器對(duì)于抑制服從正態(tài)分布的噪聲非常有效。故采用高斯擬合的方式對(duì)離散反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合操作能最大程度地進(jìn)行平滑曲線操作以及保留原始的數(shù)據(jù)變化規(guī)律，從而能夠精確地獲取角度響應(yīng)改正參數(shù)。

自適應(yīng)角度響應(yīng)改正模型

由于反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)受到了角度響應(yīng)的影響，且傳統(tǒng)角度響應(yīng)改正模型無法準(zhǔn)確地對(duì)整個(gè)條帶的反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行全面改正，故在角度響應(yīng)曲線的分析基礎(chǔ)上，對(duì)反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行更為精確的分段式處理，并采用高斯擬合的方式獲取更為準(zhǔn)確的角度響應(yīng)改正參數(shù)，提出了改進(jìn)的自適應(yīng)角度響應(yīng)改正模型，從而顯著地提高反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)精度。

本發(fā)明基于多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)的角度響應(yīng)改正方法主要包括以下步驟：

(1)對(duì)原始的多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列預(yù)處理工作，獲取僅受角度響應(yīng)影響下的反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)；該預(yù)處理操作主要包括以下步驟：

1)對(duì)多波束數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼等操作，獲取原始的反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)；以及

2)對(duì)原始反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行傳播損失補(bǔ)償、照射面積改正等操作，

(2)采用高斯擬合的方式對(duì)多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線平滑擬合，獲取各項(xiàng)角度響應(yīng)改正參數(shù)，該高斯擬合運(yùn)算包括以下步驟：

1)獲取連續(xù)nping的反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行等角度重采樣處理；以及

2)對(duì)重采樣后的連續(xù)nping反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行平均化處理；以及

3)對(duì)平均化的反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯擬合運(yùn)算，獲取平滑的角度響應(yīng)曲線；以及

4)對(duì)角度響應(yīng)曲線進(jìn)行二次微分處理，獲取角度響應(yīng)改正參數(shù)，

(3)在全面考慮復(fù)雜海底底質(zhì)變化的環(huán)境下，以及綜合顧及多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，對(duì)傳統(tǒng)角度響應(yīng)模型進(jìn)行改進(jìn)，建立一種自適應(yīng)的角度響應(yīng)模型并對(duì)整個(gè)測(cè)區(qū)的反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行角度響應(yīng)改正，該角度響應(yīng)改正主要包括以下步驟：

1)對(duì)反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)按照其不同入射角度下的變化規(guī)律進(jìn)行分段式處理；

2)對(duì)不同的分段區(qū)域給出角度響應(yīng)改正模型；

3)利用高斯擬合獲取連續(xù)nping的散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)的角度響應(yīng)參數(shù)帶入模型中對(duì)該nping散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行改正；

4)以此類推，完成整個(gè)測(cè)區(qū)的反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)角度響應(yīng)改正。

參見圖1至圖11所示，本發(fā)明的具體實(shí)施方式如下：

(1)總體技術(shù)路線

第一步，獲取預(yù)處理后的反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)；第二步，對(duì)預(yù)處理后的反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行等角度重采樣操作并獲取連續(xù)nping的散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)平均值；第三步，對(duì)平均化的反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯擬合運(yùn)算獲取角度響應(yīng)曲線，并對(duì)角度響應(yīng)曲線進(jìn)行二次微分處理獲取角度響應(yīng)改正參數(shù)；第四步，根據(jù)反向散射強(qiáng)度在不同波束入射角條件下的變化規(guī)律，構(gòu)建分段式自適應(yīng)角度響應(yīng)改正模型；最后，利用高斯擬合計(jì)算的改正參數(shù)帶入模型中獲取角度響應(yīng)改正值，對(duì)整個(gè)測(cè)區(qū)的反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行角度響應(yīng)改正。

(2)反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)預(yù)處理

根據(jù)聲吶方程，接受聲能el可以用下式表達(dá)：

el＝sl-2tl+bts(1)

其中，sl為聲源級(jí)，2tl為雙旅程傳播損失，bts為目標(biāo)底物反射強(qiáng)度。

傳播損失tl為傳播損失以及吸收損失之和：

tl＝ar+20logr(2)

其中，r為傳播距離(m)，α為衰減系數(shù)(db/km)。

目標(biāo)底物反射強(qiáng)度bts同時(shí)受到單位面積海底底物類型bs(db/m²)以及底部照射面積a(m²)影響，故目標(biāo)底物反射強(qiáng)度bts為：

bts＝bs+10loga(3)

對(duì)于底部照射面積a來說，受到波束入射角的影響。當(dāng)為0°時(shí)，a由波束幾何形狀決定，表示為波束發(fā)射寬度θx和波束接收寬度θy的乘積；而當(dāng)不等于0°時(shí)，a受波束入射角脈沖寬度τ(s)、聲速c(m/s)影響，表示為：

由于海底地形高低起伏，存在一定的坡面角β，因此實(shí)際的入射角為

取坡面上三個(gè)點(diǎn)m1(x1,y1,z1)、m2(x2,y2,z2)、m3(x3,y3,z3)，其中z1>z2>z3，則坡面方程為：

a(x-x1)+b(y-y1)+c(z-z1)＝0(6)

式中，系數(shù)a,b,c可通過法向量n獲得：

則坡面角為：

實(shí)際的波束入射角為：

受到坡面角的影響，實(shí)際的波束照射面積a’為：

a'＝a/cosβ(10)將式(9)、式(10)帶入式(4)中即可進(jìn)行精準(zhǔn)的照射面積改正。

多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)同時(shí)還受到角度響應(yīng)影響，而在對(duì)多波束反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行傳播損失改正、照射面積改正等預(yù)處理后，即可獲取僅受到角度響應(yīng)影響下的反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

(3)高斯擬合

在底質(zhì)變化較為復(fù)雜時(shí)，單ping的平均角度響應(yīng)曲線存在較大的波動(dòng)，使得角度響應(yīng)模型參數(shù)無法準(zhǔn)確獲取。而使用多ping后向散射數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理以后，整體特征曲線實(shí)際上趨于高斯分布(圖4)，故采用高斯擬合的方式來對(duì)離散反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合運(yùn)算，能夠最大程度地模擬實(shí)際的反向散射強(qiáng)度變化模式。

高斯擬合是一類根據(jù)高斯函數(shù)的形狀來選擇權(quán)值的線性平滑濾波器。高斯平滑濾波器對(duì)于抑制服從正態(tài)分布的噪聲非常有效。一維高斯函數(shù)為：

其中，g(i)為一維高斯擬合模板，σ為標(biāo)準(zhǔn)差，r為高斯模板大小，i則為序列號(hào)。

標(biāo)準(zhǔn)差值選取的大小影響著高斯擬合平滑程度，參數(shù)值越大，擬合的曲線越平滑，為了不損失角度響應(yīng)曲線原有的細(xì)節(jié)特征，標(biāo)準(zhǔn)差值的大小不宜過大，高斯模板值則設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)差的3倍左右。設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)差值為2，高斯模板值為7，可以看出設(shè)定的參數(shù)值得到的角度響應(yīng)曲線已經(jīng)非常平滑(圖5)，將高斯擬合的反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行二次微分處理(圖6)，已經(jīng)能夠準(zhǔn)確的判讀出不同區(qū)域的邊界值。

其中，二次微分曲線中的5°～30°之間的最大值直接判讀出鏡面反射區(qū)與漫反射區(qū)的邊界位置；理想狀態(tài)下40°～60°之間的微分最大值為漫反射區(qū)與高入射角區(qū)的邊界位置，實(shí)際上由于實(shí)際生產(chǎn)過程中，某些儀器廠商提供的時(shí)變?cè)鲆?timevaryinggain，tvg)存在過量增益現(xiàn)象且難以消除，導(dǎo)致了高入射角區(qū)域的反向散射強(qiáng)度不是下降而是上升的趨勢(shì)(圖4)。針對(duì)這種情況，選取40°～60°之間反向散射強(qiáng)度最小值作為漫反射區(qū)與高入射角區(qū)的邊界位置。

實(shí)際上，為了消除每個(gè)區(qū)域之間角度響應(yīng)改正產(chǎn)生的突變問題，還應(yīng)在每?jī)蓚€(gè)區(qū)域之間設(shè)立一個(gè)過渡區(qū)域。如圖7(左)所示(為了方便顯示，僅取了右弦部分)，其中漫反射區(qū)域與高入射角區(qū)域之間的過渡區(qū)域非常小，可以忽略，而鏡面反射區(qū)與漫反射區(qū)之間的過渡區(qū)域則需要納入計(jì)算，過渡區(qū)域的邊界角可以通過鏡面反射區(qū)結(jié)束以后第一個(gè)二次微分為0的位置點(diǎn)來確定。

如圖7(右)所示，沿著波束入射角增大的方向依次增加三條豎線，分別劃分了鏡面反射區(qū)、過渡區(qū)、漫反射區(qū)以及高入射角區(qū)的邊界。在獲取每個(gè)區(qū)域的邊界角之后，每個(gè)區(qū)域的回波強(qiáng)度變化斜率可以通過線形回歸法計(jì)算得到，并分別計(jì)算各個(gè)區(qū)域的平均回波強(qiáng)度，獲得每個(gè)區(qū)域的角度響應(yīng)模型參數(shù)，用于角度響應(yīng)模型改正。

(4)自適應(yīng)角度響應(yīng)改正模型構(gòu)建及反向散射強(qiáng)度改正

由于反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)在不同的入射角區(qū)域下有著不同的變化方式，因此為了準(zhǔn)確地對(duì)反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行改正，必須要對(duì)入射角分段進(jìn)行處理。傳統(tǒng)的官方多波束角度響應(yīng)模型^[11]如式(12)所示：

式中，bs0、bsn分別為25°和0°的反向散射強(qiáng)度，θ為波束入射角，bs為改正值。

由于傳統(tǒng)模型存在考慮不充分的缺陷，為此，本文對(duì)傳統(tǒng)的默認(rèn)改正模型進(jìn)行改進(jìn)，充分考慮到角度響應(yīng)變化的三個(gè)主要區(qū)域以及一個(gè)過渡區(qū)域，改進(jìn)的自適應(yīng)角度響應(yīng)模型^[12-13]如式(13)所示：

k＝k3-10lg(cos²θ)/(θ3-θ2)(14)

式中，θ1，θ2，θ3，θ4分別為鏡面反射區(qū)結(jié)束角、過渡區(qū)結(jié)束角、漫反射區(qū)結(jié)束角以及高入射角區(qū)結(jié)束角；bs1，bs2，bs3，bs4分別為對(duì)應(yīng)的各個(gè)區(qū)域開始的回波強(qiáng)度；k1，k2，k3，k4為各個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的回波強(qiáng)度變化斜率，k為漫反射區(qū)域的補(bǔ)償斜率，即自適應(yīng)模型與lambert法則之間的差值；θ為波束入射角；bsm為自適應(yīng)模型改正值。

不同區(qū)域的反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)，減去自適應(yīng)模型計(jì)算出的改正值，再加上漫反射區(qū)域的平均回波強(qiáng)度，即可實(shí)現(xiàn)反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)的改正以及歸一化，如式(15)所示。

bsn＝bs-bsm+mbs(15)

其中，bsn為最終自適應(yīng)模型改正后的反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)，bs為原始記錄的反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)，bsm為自適應(yīng)模型改正值，mbs為漫反射區(qū)域的反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)平均值。

(5)自適應(yīng)角度響應(yīng)改正模型精度評(píng)估建立一種分段式的自適應(yīng)角度響應(yīng)改正模型后，需要對(duì)該模型的精度進(jìn)行評(píng)估，而對(duì)自適應(yīng)模型精度的評(píng)估實(shí)際上就是對(duì)反向散射強(qiáng)度自適應(yīng)角度響應(yīng)改正結(jié)果的評(píng)估，為此，可以通過以下方法對(duì)散射強(qiáng)度改正結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)估。

①單條帶精度計(jì)算

對(duì)于反向散射強(qiáng)度的單條帶的精度計(jì)算可以通過計(jì)算該條帶中每ping數(shù)據(jù)中的散射強(qiáng)度的均方差來評(píng)定改正精度。由于在沿著航跡線前進(jìn)方向的小范圍內(nèi)，多波束聲吶接收到的每ping反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)反映的海底底質(zhì)變化比較平緩，極少存在突變情況，故計(jì)算單條帶的每ping反向散射強(qiáng)度的均方差，能夠一定程度上反映出模型的改正精度。

②多條帶精度計(jì)算

對(duì)于反向散射強(qiáng)度的多條帶精度計(jì)算可以選擇兩個(gè)有重疊部分的相鄰條帶，由于海底底質(zhì)不受測(cè)量方式的影響，故理論上該區(qū)域的任意測(cè)量條帶反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)應(yīng)是非常接近，因此選擇兩個(gè)具有重疊部分的條帶，提取重疊部分的反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行均方差計(jì)算，由此檢驗(yàn)自適應(yīng)模型改正的精度。

由此可見，本發(fā)明中解決了下列技術(shù)問題：

(1)采用高斯擬合方法對(duì)反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，解決了不能準(zhǔn)確提取角度響應(yīng)改正參數(shù)的問題。

(2)采用了分段式的角度響應(yīng)改正模型，糾正了傳統(tǒng)角度響應(yīng)改正模型的缺陷，提高了反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)角度響應(yīng)改正的精度。

另外，本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)如下：

(1)顧及反向散射強(qiáng)度變化模式采用高斯擬合獲取改正參數(shù)。

(2)構(gòu)建了分段式的自適應(yīng)角度響應(yīng)改正模型。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。

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