Journal of Engineering Geology工程地质学报1004－9665/2012/20（5）-0827-05
侧扫声纳系统在管道穿越段海底地貌特征探测中的应用*
荆少东①金永德②
（①胜利油田胜利勘察设计研究院有限公司东营257026）
（②国家海洋局第一海洋研究所青岛266061）
摘要针对瓯江口区域潮汐强烈及浅水作用明显的特点，海底管道的敷设及安全运营危险性大、且无法用常规方法进行检测的问题，采用了侧扫声纳系统的海底声学技术对海底管道穿越段地貌特征进行了有效探测。本次探测工作对发现的平坦海底、大型沙波、潮沟、小型洼坑、蚀余凸起等自然微地貌和抛锚等形成的锚沟及其后期自然发育而成的次生微地貌进行了特征分析，分析结果对不同类型海底地貌提出解决对策以及有效地减轻不良地貌形态对海底管道稳定性影响具有重要意义［1］。关键词海底地貌侧扫声纳微地貌海底管道
中图分类号：P641文献标识码：A
APPLICATION OF SIDE SCAN SONAR TO EXPLORATION OF SUBMARINE PIPELINE LANDFORM CHARACTERISTICS
JING Shaodong①JIN Yongde②
（①Shengli Engineering＆Consulting Co Ltd．，Shengli Oilfield，Dongying257026）
（②The First Institute of Oceanography，SOA，Qingdao266061）
Abstract In the Oujiang river estuary area，there is a big risk in the laying and being operated safely of submarine pipeline．The conventional method to test can't be used because of the strong tide and obvious shoal water．This pa-per uses sub-sea acoustic technology of side scan sonar to explore seafloor landform of the area where submarine pipelines go through effectively．Natural microrelief includes flat seafloor，large sand ridge，tidal creek，small pit，and alteration bulge．Anchor ditches are formed by dropping anchor and secondary microrelief developed naturaly later．They all are found and analysed．The result has an important significance to propose the corresponding solu-tion countermeasures to different kinds of seafloor landforms and to reduce the topographic form influence on the sta-bility of submarine pipeline．
Key words Seafloor landform，Side scan sonar，Microrelief，Submarine pipeline
*收稿日期：2012－05－20；收到修改稿日期：2012－06－27．
第一作者简介：荆少东，从事岩土工程勘察、施工、监测工作．Email：sjyjsd@163．com
1引言
随着国民经济的迅速发展，海底油气输送管道越来越多，海底管道的安全问题始终为人们所关注［1］。由于受技术手段的限制，过去的海底管道敷设时，工程技术人员无法准确了解管道路由附近的海底地貌特征，这对管道的建设和安全运营造成了重大的安全隐患，如造成海底管道的悬空甚至损毁，造成重大的经济损失［2，3］。这就要求海底管道建设前，地质工程技术人员进行探测海底地貌以及障碍物，为分析和评价地貌形态对海底管道稳定性可能的影响及原因提供准确的依据，使设计人员针对不同情况提出相应的解决对策。
2侧扫声纳系统工作原理
侧扫声纳是一种半定量以图像形态测绘水下地貌特征的仪器［4 5］。侧扫声纳测量是现阶段扫海测量、应急测量、扫测障碍物的重要手段。侧扫声纳是水下搜索、水下考察等一项重要的有力的工具，它能不受水体可见度的影响而快速覆盖大面积水域“看”到水下情况。每边旁扫通过向水底发射声纳，反射后被拖鱼接收形成声纳影象来发现水下物体。接收到的信号通过拖缆传到甲板上的显示单元。它具有分辨率高反映海底地形彻底等单波束、多波束设备所不具备的优点，是目前寻找水下障碍物最有效的方法之一。声呐图像的物理特性主要取决于回波的强弱，回波信号愈强，影像色调愈浅，回波信号愈弱，影像色调愈深。
此次侧扫声纳探测采用EdgeTech Discover采集（图1）和Triton后处理系统软件相结合进行数据处理，采用人机交互的方式进行屏幕数字化，并结合水深地形测量结果分析，圈定各种地貌物的位置及范围，依托成图软件将以上分析结果生成成果图件。
3探测区地貌概况
探测区为甬台温输气管道工程（龙湾电厂支线）瓯江穿越段，位于温州市龙湾区扶贫开发区北侧瓯江出海海域。地处瓯江口南水道南岸龙湾区与灵昆岛之间。瓯江河口系在弱谷型海湾的基础上填充而成，在地貌上属于滨海地貌类型之潮间浅滩（图2），坡度小，地形平坦，
第四纪沉积物地层沉积
图1EdgeTech Discover软件回放界面
Fig．1The playback interface of EdgeTech Discover
software
图2路由区地貌特点
Fig．2Landform characteristics of routing area
物发育，组成物质为淤泥、淤泥夹粉砂等。所在海区属于强潮流海区，潮汐属于正规半日潮类型，潮流类型属于非正规半日浅海潮流，潮流运动形式属于典型的往复流，涨潮流西南向，落潮流东北向。该水域径流和潮流作用均较强，涨、落潮流速均较大。本海区受周围岛礁及水下地形影响，浅水效应较为明显。
4探测系统及测线布置
探测仪器选用EdgeTech4200FS全数字双频声纳系统，该仪器具有斜距校正、目标图像缩放和目标测定等功能。EdgeTech4200FS侧扫声纳系统由美国EdgeTech公司生产制造，为120KHz/401KHz双频侧扫声纳系统，提高了对某些特殊地貌地物的分辨能力，为资料分析解译提供了更可靠保证。侧扫声纳系统由声纳处理器、拖鱼和剖面记录仪组成，可外接导航定位系统，以进行位置确认。
侧扫声纳探测测线数比浅地层测线减半，取奇
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数线，即1、3、5、7、……、25和27号线，共13条测
线，测线间隔40m ，单侧侧扫宽度保持在25m 以上（图3）
。
图3
管线路由地貌调查设计测线Fig．3
The designed survey line depend on geomorphic
survey along the pipeline
5海底地貌特征分析
根据本次地貌调查资料，路由区水深变化较小，
地形相对平缓。微地貌类型主要包括自然微地貌类型、人工地物类型以及人为形成的次生微地貌类型3大类。5.1自然微地貌5．1．1
平坦海底
该海区内沉积物主要为淤泥及淤泥质物质，在强潮流作用下，致使该海区地形相对平坦，起伏较小，在声纳记录图像上未表现出明显的声波反射阴影。海底地貌类型主要表现为平坦海底（图4）
。
图4平坦海底浅地层探测剖面记录图像Fig．4
The record image of exploring section
of shallow strata under flat seafloor
5．1．2
沙波
沙波，又称“波痕”，广泛分布于河滩、海滩等地
表的波状微地貌。该海区由于沉积物颗粒较细，潮
流强度较大，
水深较浅，泥沙颗粒在流水、波浪等作用下沿地表移动形成。在海底呈现垂直于水流的条带状分布，波高在十几厘米至数十厘米不等（图5）
。
图5
沙波区浅地层探测剖面记录图像Fig．5
The record image of exploring section
of shallow strata in sand ridge area
5．1．3潮沟
潮沟系海底细粒物质（如粉细砂、淤泥质）在涨落潮流的作用下在潮滩和浅海海底冲刷而成的沟槽。该类微地貌类型，在路由区海底分布较为广泛，宽度自几米至几十米均有发育（图6、图7）
。
图6
典型潮沟声纳记录图像
Fig．6
The typical sonar record image of tidal
creek
图7典型潮沟浅地层探测剖面记录图像Fig．7
The typical record image of exploring section
of shallow strata of tidal creek
5．1．4侵蚀洼坑
海底沉积物由于不均匀侵蚀，在强海流的作用
9
2820（5）荆少东等：侧扫声纳系统在管道穿越段海底地貌特征探测中的应用
下发生冲刷，或由于波浪和人工扰动等作用下，海底松软沉积物发生液化，在潮流作用下形成负地形，其形状多为圆形或不规则型。侵蚀洼坑广泛发育的区域，会形成大面积的侵蚀区（图8）
。
图8典型侵蚀区侧扫声纳典型记录图像Fig．8
The typical side scan sonar record image of erosion
area
图9
桥桩周围侵蚀洼坑侧扫声纳典型记录图像Fig．9
The typical side scan sonar record image of erosion pit around bridge pier
除此之外，在桥体桩柱周围发育小型的不规则
的、自然形成的洼坑，它的范围主要是依据侧扫声纳资料的测量结果来圈定的。桥桩的存在改变了其周围的水动力环境，在潮流和波浪的共同作用下，平台基座周围往往冲刷成为凹坑，凹坑内海底沉积物粒度较粗，海底较为粗糙（图9）。5．1．5
蚀余凸起
由于海底动力作用形成的水深较浅的蚀余凸起，物质成分一般较粗，侧扫声纳记录为强反射斑状结构的海底，它也是海底遭受不均匀冲刷造成的（图10）。
该调查区蚀余凸起分布较少，仅零星分布在调查区内，且多呈长条形（长度自30余米至50余米不等，宽度较窄，仅几米），多顺岸线方向延伸，这与瓯江南水道潮流方向相符合
。
图10蚀余凸起侧扫声纳典型记录图像Fig．10
The typical side scan sonar record image
of alteration bulge
5.2次生地貌
次生地貌系指由于受到人为影响致使原始自然
地貌发生改变，
在人为影响因素暂时消失后，自然环境又重新发生演变而成地貌单元。其形成初期受人
类活动和自然因素双重作用，而后期自然因素又起主要作用。在本次地貌探测中，该类地貌类型主要指锚沟。由于该区域海底沉积物主要为淤泥或淤泥质，因此大部分锚沟在后期潮流作用下又重新回淤，甚至被填平而消失，也存在部分锚沟演变为小型的冲刷沟（图11）
。
图11锚沟侧扫声纳典型图像
Fig．11
The typical side scan sonar record image of anchor ditches
6结论
根据本次地貌调查资料，甬台温输气管道工程龙湾电厂支线路由区微地貌类型主要包括：
（1）自然微地貌类型主要包括平坦海底、大型沙波、
潮沟、小型洼坑和蚀余凸起等微地貌类型；（2）次生微地貌类型主要为抛锚等形成的锚沟及其后期自然发育而成的地貌。
038Journal of Engineering Geology 工程地质学报2012
通过对穿越段海底地貌的探测分析，可以为管道的合理布设提供可靠的设计依据，解决了常规勘察无法获得连续的海底地貌特征的问题。比如入海点及登陆点附近的穿越段有大量锚痕发育的次生微地貌，则需考虑管道埋深问题等等。
参考文献
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20（5）荆少东等：侧扫声纳系统在管道穿越段海底地貌特征探测中的应用
无人水下航行器声呐装备现状与发展趋势 无人水下潜航器（UUV）最早出现于20世纪60年代。在发展初期，UUV主要用于深水勘探、沉船打捞、水下电缆铺设及维修等民用领域，后逐步扩展应用于水下声源探测、协助潜艇深水避雷、港口战术侦察等军事领域。近十几年来，随着平台、推进器、导航、控制系统以及传感器技术的发展，加上现代战争追求人员零伤亡的理念，UUV的军事应用得到高度重视，其在水下侦察、水下通信和反潜、反水雷作战、信息作战等领域的应用得到了空前发展。 美国国防部于2007～2013年间前后发布了4版《无人系统（一体化）路线图》，其中针对UUV的4个级别将任务按优先级扩充为17项，如表1所示：
美海军于2000年和2004年分别发布两版《海军无人水下潜航器总体主规划》，将UUV（不分级别）的任务按优先顺序归纳为9类：①情报/监视/侦察（ISR）；②水雷对抗（MCM）；③反潜战（ASW）；④检查/识别；⑤海洋调查； ⑥通信/导航网络节点（CN3）；⑦载荷投送；⑧信息作战； ⑨时敏打击。 不论是《海军无人水下潜航器总体主规划》，还是《无人系统（一体化）路线图》，这几版文件中对于所有级别的
UUV，情报/监视/侦察（ISR）、检查/识别和水雷对抗（MCM）这3项任务的排序都十分靠前，这也印证了在当今复杂国际环境下美国海军对于这3项UUV任务执行的迫切需求。 UUV执行各项任务无一不需要声呐的配合，尤其是对于ISR、检查/识别和MCM，声呐性能的优劣，往往是任务完成度的决定性因素。根据功能的不同，UUV声呐装备主要分为三大类：通信声呐、导航声呐和探测声呐，如图1所示。 通信声呐主要用于UUV与协同行动的其他UUV、母船（艇）或通信浮标之间的信息链接；导航声呐为UUV的安全航行和执行作业任务提供其位置、航向、深度、速度和姿态等信息；探测声呐主要用于警戒、探测、识别水中或沉底目标信息，对水下地形、地貌、地质进行勘察和测绘。承担不
声呐蛙人声呐探测系统研究进展 2008年11月在孟买发生了令人震惊的恐怖袭击事件，死亡195人，295人受伤，被喻为印度的“9.11”，经核查，恐怖分子是由近海乘坐橡皮艇从港口登陆的，这起事件清楚地表明近海/近岸水面或水下探测技术水平的缺失已经成为军用及民用港口安全体系的阿基利斯之踵，将可能遭受到来自恐怖分子或敌对敌方特种作战蛙人的袭击。 从二战以来，采用水下隐蔽袭击港口设施和停泊军舰的战例十分多。2003年，停泊在也门的亚丁港的美国战舰“科尔”号突遭一艘不明身份，满载炸药的橡皮艇的自杀式袭击，携带的炸药将军舰左舷撕开12米长4米宽的大洞，17名美军殉职，37名美国水兵受伤。2008年，泰米尔的猛虎组织的海虎突击队员突破斯里兰卡的亭可马里港的严密防护使用一枚威力巨大的水下炸弹炸伤了一艘斯里兰卡海军的军舰。 近年来越来越多使用蛙人进行攻击的现象说明人们认为从水下对停泊在码头的船只进行攻击是一种相对容易的方法。因此使用声纳或其他技术设备对港口的出入航线等地进行水下监视是应对毒品走私、水下攻击的必要的措施。 敌方蛙人隐蔽进入港口或海岸水域对海军舰艇或民用船只进行攻击方式将不仅对军事安全，同时对民用全球贸易和海运的安全产生威胁。另外，使用水下潜入的方式在毒品走私和恐怖袭击中应用也越来越多。 一、蛙人探测声呐的作用 过去且在现在的许多地方，对水下安全的排查采用的是派遣一个战斗蛙人小组进入相应的水域搜索，这是一个花费大且耗时的工作。采用声呐方式不仅节约经费并且重要的是提高了实时性。 在声呐探测中，时间的花费是必不可少的，然而在水下运载具的帮助下，敌对蛙人的运动速度是很快的。为了挫败敌方破坏意图，声呐系统不仅要把敌方蛙人的信号从复杂的混响背景中分辨出来，并且对其进行的分析越快越好，因为时间就意味着生存或死亡。 由于日益增强的威胁，水域安全问题得到越来越多的重视。主动式、高频率、多波束声呐技术是当前应对水下威胁最好的技术手段。探测距离有限的3D声呐技术对这种安全防护的努力是有补充作用的。但是，由于价值昂贵，
河道测量控制方法 工程测量一般分为两个阶段，在规划设计阶段由堪察设计部门对建筑区进行勘察测量，部设控制网，为工程设计者提供地形条件。另一个阶段是对建筑物进行施工测量，即把图纸上设计的建筑物按设计要求测设在地面上，并为施工提供各种标志作为按图施工的依据。施工测量的目的是为各工种按图施工提供标志，把设计图纸上的建筑物，通过施工变为现实。 下面就水利部门河道测量的控制方法与步骤简单介绍一下： 第一：测设或校核设计给出的导线控制桩，并做好保护和栓桩工作。 第二：根据设计给定的高程控制点，在施工区域每100米布设临时水准点。并进行校核水准点，校核并计算闭合差，符合精度公式+20L1/2（L为公里数）。如测一遍不符合要求，需要对塔尺及进行检查、校验，准备第二次引测直到合格为止。 第三：根据导线控制桩测设出各主要设计构筑物的中心桩位置及方向控制桩。 第四：根据工程的规模和进度要求、施工方法，以及现场条件作为施工提供各种控制平面位置的标志，并做好施工记录。 第五：对施工段进行纵断面的测量，它的主要任务是根据水准点高程测定河道中线上各里程桩和加桩处的地面高程，然后根据测得的高程和相应的里程桩号绘制成纵断面图。纵断面图表示中线上地面的高低起伏和坡度陡缓情况，是设计路线高程、坡度和计算填挖土、石方量的重要依据。里程桩号表示某里程桩或加桩沿中线至起点桩号为0+000，"+"号前表示公里，"+"号后表示百米以下的数字。桩号排序一般自起点，顺序排向终点。 第六：对施工段要进行横断面的测量。横断面测量的主要任务是测定各里程桩加桩处中线两侧地面特征点至中心线的距离和高差，然后绘成横断面图。横断面图表示了垂直中线方向上的地面起伏情况，是计算土石方和施工时确定填挖边界的依据。在横断面测量中，一般要求距离精确至0.1米，高程精确至0.05米。横断面测量多采用简易方法以提高工效。横断面测量的宽度，是根据工程类型、用地宽度及地形情况确定。一般要求在中路两侧各测出用地宽度以外至少5米。直线段上的横段方向是与路线垂直的方向，曲线段上的横段方向是垂直于该点圆弧切线的方向。 第七：根据纵断面测量结果进行土方计算。根据纵断面设计中的中填、挖高度，将设计河道图纸宽度及坡度尺寸展汇在横断面上，即把现状的图套在设计图上，然后计算每个断面的填、挖断面的面积。方法通常采用积距法和混合法。（1）积距法常以1厘米为等间距，将填挖断面横向切割成许多三角形和梯形，用两脚规或带有毫米格纸条，量取被切割图形的平均高度，并求和，即可求得填、挖断面面积。（2）混合法将填、挖断面分成几个几何图形，量取每个图形的关键尺寸，以公式计算几何图形的面积，并对少量边角部分再配合积距法测量，然后按填、挖断面分别求和即得到断面面积。（3）计算土、石方体积，最常见的方法是平均断面法。此法假定两相邻断面间土体为一个棱柱体高度即为两断面间距，计算公式：V= （A1+A2）D/2，V代表体积，A1、A2代表两相邻断面面积，D代表两断面间距。路线总土方量，即为各相邻断面填、挖方的总和。 河道测量的主要任务，就是进行河道纵、横断面测量和水下地形测量。为工程施工提供必要的河道纵、横断面和水下地形图。在河道测量中，除了以上部分陆上测量工作外，主要是水下部分的测量工作，在进行河道横断面或是水下地形测量时，如果作业时间短，河流水位比较稳定，可以直接测定水边线的高
无人水下潜航器（UUV）最早出现于20世纪60年代。在发展初期，UUV主要用于深水勘探、沉船打捞、水下电缆铺设及维修等民用领域，后逐步扩展应用于水下声源探测、协助潜艇深水避雷、港口战术侦察等军事领域。近十几年来，随着平台、推进器、导航、控制系统以及传感器技术的发展，加上现代战争追求人员零伤亡的理念，UUV的军事应用得到高度重视，其在水下侦察、水下通信和反潜、反水雷作战、信息作战等领域的应用得到了空前发展。 美国国防部于2007～2013年间前后发布了4版《无人系统（一体化）路线图》，其中针对UUV的4个级别将任务按优先级扩充为17项，如表1所示。 表1 不同级别UUV任务需求优先级
美海军于2000年和2004年分别发布两版《海军无人水下潜航器总体主规划》，将UUV（不分级别）的任务按优先顺序归纳为9类：①情报/监视/侦察（ISR）；②水雷对抗（MCM）；③反潜战（ASW）；④检查/识别；⑤海洋调查；⑥通信/导航网络节点（CN3）；⑦载荷投送；⑧信息作战；⑨时敏打击。
不论是《海军无人水下潜航器总体主规划》，还是《无人系统（一体化）路线图》，这几版文件中对于所有级别的UUV，情报/监视/侦察（ISR）、检查/识别和水雷对抗（MCM）这3项任务的排序都十分靠前，这也印证了在当今复杂国际环境下美国海军对于这3项UUV任务执行的迫切需求。 UUV执行各项任务无一不需要声呐的配合，尤其是对于ISR、检查/识别和MCM，声呐性能的优劣，往往是任务完成度的决定性因素。根据功能的不同，UUV声呐装备主要分为三大类：通信声呐、导航声呐和探测声呐，如图1所示。 图1 UUV主要声呐装备
水下目标主动声呐回波信号特征研究 目前在水下安静型小目标主动声纳回波信号特征提取中存在几个关键性问 题亟待研究,包括了目标回波信号特征在复杂环境下的稳定性,目标几何声散射 与各阶次弹性声散射时序结构的分析,目标固有物理属性与回波信号特征的关系,以及海底混响的抑制等。针对上述问题,本文研究了典型目标模型在混响背景下稳定的目标回波信号特征提取方法,独立的目标声散射成分信号提取方法,以及 基于盲分离与时频分布图像处理的海底混响抑制方法,为实现水下安静型小目标主动声呐探测与识别奠定基础。 首先,针对混响背景下目标回波信号特征稳定性问题,提出了目标回波信号 的瞬时频率特征提取方法,并研究了目标回波与混响的在信号特征空间中的分布特性。将混响视为一类具有独立信号性质和特征的信号,推导了目标几何声散射成分与混响的时频分布特性,根据信号瞬时频率序列的随机性,提取了瞬时频率 方差、瞬时频率熵、瞬时频率峰度与WVD-Radon变换半功率宽度四种特征。 研究中采用特征选择方法建立了二维信号特征空间,对湖上沉底目标探测实验数据处理结果表明,目标回波与混响在该信号特征空间中具有稳定的分布特性。其次,针对目标回波中几何声散射与弹性声散射混叠的问题,提出了一种目标声 散射成分信号分离方法。 在声呐发射信号为线性调频脉冲的条件下,将目标声散射成分映射为单频信号成分,推导了目标声散射时序结构与映射结果之间的线性对应关系,从而可以 通过窄带滤波分离出特定的单频信号成分。仿真及水池实验数据处理结果表明该方法对提取独立的目标弹性声散射特征的有效性。 另外,提出了一种目标声散射成分时延估计处理流程,通过带阻滤波抑制强
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/b4511996.html, 应用侧扫声呐的海底目标探测技术研究 作者：温志坚何志敏 来源：《科技创新导报》2017年第22期 摘要：本文基于笔者从事侧扫声呐应用的工作经验，以海底目标探测为研究对象，探讨 了侧扫声呐与多波束测深系统配合进行海底目标探测的相关思路何方法，并结合具体案例给出了探测流程和结果评价，相信对从事相关工作的同行能有所裨益。 关键词：侧扫声呐海底目标探测多波束测深 中图分类号：P228 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）08（a）-0028-02 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纳测量的海底声像图，为人们提供了直观的海底形态；侧扫声纳的出现为海底探测提供了完整的海底声学图像，用于获得海底形态，并对海底物质的纹理特征进行定性的描述。利用侧扫声纳和多波束测深系统能够探测海底地形、地貌、障碍物的特点，侧扫声纳和多波束测深系统在大陆架测量、港口疏浚、渔业捕捞、水利和生态监测、海底电缆探测、油气管道布设路径地形测绘以及轮船锚泊海区检测等方面均得到了广泛的应用，且取得了明显的效果，两者都是开发和利用海洋资源必需的仪器设备。在水深测量精度、定位精度、声像图分辨率等方面两者又各有独特的优点，如果将两者综合起来加以应用，可有效增强不同观测数据的互补性，提高工程质量。本文以EdgeTech 4200FS型侧扫声纳和SimradEM 1002型多波束测深系统为例来说明其在海洋目标探测中的综合应用。 1 侧扫声纳和多波束测深系统的特点 多波束测深系统与侧扫声纳都是实现海底全覆盖扫测的水声设备，都能够获得几倍于水深的覆盖范围。它们具有相似的工作原理，以一定的角度倾斜向海底发射声波脉冲，接收海底反向散射回波，从海底反向散射回波中提取所需要的海底几何信息。 由于接收波束形式的不同以及对所接收回波信号处理方式的不同，多波束测深仪通过接收波束形成技术能够实现空间精确定向，利用回波信号的某些特征参量进行回波时延检测以确定回波往返时间，从而确定斜距以获取精确的水深数据，绘制出海底地形图。侧扫声纳只是实现了波束空间的粗略定向，依照回波信号在海底反向散射时间的自然顺序检测并记录回波信号的幅度能量，仅仅显示海底目标的相对回波强度信息，获得海底地貌声像图。 1.1 高精度的水深和定位数据 多波束测深系统在处理接收的海底反向散射回波时，有着精密的空间定向，从回波信号时延处理上，有着准确的回波信号时延检测，因此多波束测深系统测量的水深数据精度高；从回
声纳图像水下管线检测与跟踪技术研究 几十年以来,为更充分的利用海洋资源,人类在海底铺设了大量的能源输送管道和信息通信线缆。海底管线的正常工作,是海上油气与跨国通信的重要保障。 由于海底施工、自然腐蚀和其他种种原因,海底管线易破损甚至断裂,造成经济和环境上的重大损失。因此,需要水下机器人对海底管线进行定期跟踪检查。 利用侧扫声纳采集海底信息,通过图像处理算法检测出管线的位置和走向,并引导水下机器人对管线跟踪是本文的主要研究内容,具体如下:(1)研究侧扫声纳图像管线检测系统与图像预处理。首先,介绍管线检测与跟踪系统结构;其次,分析侧扫声纳成像原理与影响声纳图像质量的因素;然后,介绍水下管线系统模型;最后,研究均值滤波、中值滤波、高斯滤波去除声纳图像噪声的方法。 实验结果表明,高斯滤波对声纳图像滤波的效果最佳。(2)研究二维平均恒虚警率的管线检测方法。 首先,介绍在高斯噪声条件下的二维平均恒虚警率算法,在计算参考单元平均值时,需要反复提取像素灰度值,从而耗费大量的计算时间,本文研究采用积分矩阵加速计算;其次,采取形态学方法平滑管线边缘,并根据二值图连通区域离心率指标去除虚警;最后,通过Hough变换检测管线边缘,拟合得出管线的位置与走向。实验结果表明,该方法能有效检测出声纳图像中的管线目标。 (3)提出矩形和十字形检测结构的二维平均恒虚警率算法。首先,根据管线的形状特征,研究矩形检测结构。 相对于正方形检测结构,矩形检测结构在检测管线目标时具有较低的阈值,从而有效提取图像中的管线。十字形检测结构在矩形检测结构基础上,利用左右方向与上下方向参考单元灰度平均值之比,改善声纳图像野值点造成的管线像素
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910277579.9 (22)申请日 2019.04.08 (71)申请人 武汉理工大学 地址 430070 湖北省武汉市洪山区珞狮路 122号 (72)发明人 刘文 卢煜旭 张瑞 孙睿涵 吴芷璇 何俊 马全党 (74)专利代理机构 湖北武汉永嘉专利代理有限 公司 42102 代理人 李丹 (51)Int.Cl. G06T 5/00(2006.01) G06T 7/45(2017.01) (54)发明名称 一种水下声纳图像噪声消除方法 (57)摘要 本发明公开了一种水下声纳图像噪声消除 方法，包括以下步骤：1)采取不同环境下的色彩 清晰的彩色图像，然后将其转变成灰度图；2)将 步骤1)中采集的图象进行图像处理操作转换成 为设定数量数据集，作为训练数据；3)将得到的 数据集进行对数化处理；4)将处理完毕的数据集 运用基于残差卷积神经网络框架训练学习；5)得 到训练参数，根据得到的残差卷积神经网络对测 试图像进行去噪处理，得到噪声图像，然后根据 噪声图像和原始测试图像得到去噪后的图像。本 发明采用CNN对对数域的散斑噪声进行估计，采 用结构相似性度量作为损失函数，在散斑噪声抑 制过程中保持更多的几何结构，保证高质量的去 噪检测性能。权利要求书1页 说明书5页 附图1页CN 110335202 A 2019.10.15 C N 110335202 A
权 利 要 求 书1/1页CN 110335202 A 1.一种水下声纳图像噪声消除方法，其特征在于，包括以下步骤： 1)采取不同环境下的色彩清晰的彩色图像，然后将其转变成灰度图； 2)将步骤1)中采集的图象进行图像处理操作转换成为设定数量数据集，作为训练数据；所述图像处理操作包括上下翻转、左右翻转、向左或向右旋转、放大、缩小、切割中的一种或几种的组合； 3)将得到的数据集进行对数化处理； 4)将处理完毕的数据集运用基于残差卷积神经网络框架训练学习； 5)得到训练参数，根据得到的残差卷积神经网络对测试图像进行去噪处理，得到噪声图像，然后根据噪声图像和原始测试图像得到去噪后的图像。 2.根据权利要求1所述的水下声纳图像噪声消除方法，其特征在于，所述步骤4)中基于残差卷积神经网络框架训练学习过程如下： 1)设置训练学习参数，为残差卷积神经网络进行权值的初始化；所述参数包括批训练量、学习率、训练次数； 2)输入数据经过卷积层、下采样层、全连接层的向前传播得到输出值；根据损失函数求出残差卷积神经网络的输出值与目标值之间的误差； 3)当误差大于期望值时，将误差传回网络中，依次求得全连接层，下采样层，卷积层的误差；各层的误差可以理解为对于网络的总误差，网络应承担多少； 4)误差大于期望值时，根据求得误差进行权值更新； 5)当误差等于或小于期望值时，结束训练。 3.根据权利要求2所述的水下声纳图像噪声消除方法，其特征在于，所述步骤2)中采用的损失函数为SSIM损失函数。 4.根据权利要求1所述的水下声纳图像噪声消除方法，其特征在于，所述步骤4)中残差卷积神经网络的结构如下，包括： 1)输入层：输入层为第一层，输入为35x35xc的图像，经过64个3x3x3的卷积核卷积，输出为64张35x35的特征图，即35x35x64的图像； 2)卷积层：卷积层共16层，每层有64个3x3x64的卷积核，每层的输入输出都为35x35x64的图像； 3)输出层：输出层通过1个3x3x64的卷积核，重建1维图像，作为输出。 2
一种侧扫声纳图像的无缝拼接方法 发表时间：2019-07-30T16:14:56.560Z 来源：《防护工程》2019年8期作者：胡鑫玉程彬彬徐从营[导读] 本文以某湖泊实测的侧扫声纳数据为例，研究侧扫声纳图像的无缝拼接方法，对其中的关键步骤进行详细的阐述。 中国船舶重工集团有限公司第七一〇研究所湖北宜昌 443003 摘要：本文以某湖泊实测的侧扫声纳数据为例，研究侧扫声纳图像的无缝拼接方法，对其中的关键步骤进行详细的阐述。本文先对图像进行校正，通过研究地理编码的拼接方法，提出基于共视地形的图像拼接处理，生成了大区域、无缝拼接的侧扫声纳图像。实验验证了该方法的有效性和可行性，实验结果较理想。 关键词：侧扫声纳系统；无缝拼接；图像校正；地理编码；共视地形 1 引言 高分辨率声纳图像对水底地形构建、水下小目标探测及底质判别都有着重要作用，受尺寸影响，多波束图像分辨率有限，而侧扫声纳就以其高精度、高效率、高分辨率的特点成为获取水下图像的主要设备。为获得水下大范围地形地貌，需要对侧扫声纳图像进行拼接和镶嵌。 原始侧扫声纳瀑布图按时间序列堆叠，没有结合地理信息；由于航行器姿态、风浪、海流等因素影响，侧扫声纳记录位置信息时存在一定误差；声波强度随距离加大产生的扩展损失和吸收损失使图像存在灰度畸变；而受航速和航向变化的影响，图像也存在几何畸变，给图像的无缝拼接带来困难。 2 声纳图像拼接流程 侧扫声纳图像的无缝拼接主要分为以下步骤：①原始数据的读取：提取出原始数据和辅助信息；②斜距改正：利用高度信息消除由于声波波束倾斜造成的数据横移，削弱图像横向畸变；③图像增强：调整机器自动增益后的灰度不均衡；④航速校正：消除由于航行体速度变化引起的图像纵向畸变；⑤地理编码与重采样：将瀑布图映射到具有地理信息的图像中；⑥图像拼接：将多条侧扫条带图像拼接成大比例高精度的图像。 3 研究方法 3.1 侧扫声纳数据读取 本文利用Edgetech公司的侧扫声纳扫测某湖泊，对原始数据进行处理。通过检测文本文件头，得到数据类型和有效数据长度，对文件头后的数据及侧扫声纳回波强度信息进行提取，得到原始数据和辅助信息（包含航行体的位置、姿态、速度和时间等）。 3.2 斜距改正 其中，代表采样点到声呐的平面距离，为可调参数。
多波束和声纳在大面积水域中探测水下目标物的组合方法 摘要：侧扫声纳是目前水下探测的一种重要探测工具，有很高的探测效率和分辨率，但是定位精度差；而多波束则以高效率、高精度、高分辨率证明了它的优越性。通过工程实例说明了侧扫声纳和多波束在大面积水域中探测水下目标物的方法，并对两者的扫测结果进行了对比分析。充分利用多波束和声纳的扫测数据结果，可有效增强观测数据的互补性，如此既可以提高工程质量，又可以使扫测结果达到最优。 关键词：侧扫声纳；多波束；水下目标物；精度；分辨率 1 引言 多波束测深系统主要用于水下地形测量，应用这种高新技术，不仅可以获得高精度的水下地形数据，还可以为人们提供直观的水下三维图和类似侧扫声纳的声像图。 侧扫声纳的出现为水下目标物探测提供了完整的水下声学图像，用于获得水下地形形态[1]。侧扫声纳和多波束测深系统都是能够实现全覆盖扫测得探测设备，能够获得几倍于水深的探测范围。在水深测量精度、定位精度、声像图分辨率等方面两者又各有优点。所以在多次的工程实践中，我们发现利用声纳和多波束同时来完成探测工作，可有效增强不同观测数据的互补性，将扫测结果达到最优化，提高工程质量。本文就声纳和多波束探测时的实际效果进行对比分析。 在工作实践中，侧扫声纳采用由美国EdgeTech公司生产的EdgeTech 4200MP 型双频侧扫声纳，该系统将EdgeTech的全频谱和多脉冲技术集成与一体，是高科技数字双模式高分辨率侧扫声纳系统；多波束采用Sionc 2024型测深仪，工作频率为300kHZ，最大量程为500米。波束个数为256个，垂直航迹方向的波束大小为0.5°，沿着航迹方向的波束大小为1.0°。 2 侧扫声纳和多波束的工作原理 这两种设备均是采用向水底发射声波脉冲，并接收声波传至水底目标物后反射和散射的回波，从反射和散射的回波信息中提取我们所需要的几何信息。 （a）多波束设备连接图（b）侧扫声纳设备连接图 图1 多波束和侧扫声纳设备连接示意图 由于它们接收波束的形式不同以及对回波的处理方式的不同，多波束测深仪通过接收回波信号能够实现空间精确定向，利用声波在传播途中所消耗的时间来确定斜距，而每一束波束都有一个固有的波束角，从而确定斜距可以得到精确地
声纳技术及其应用与发展 王云罡（04011115） （东南大学信息科学与工程学院南京 211189） 摘要：声纳技术是声学检测新技术在水下介质中的具体应用。文章简要阐述了声纳技术的原理及其发展历史，介绍了声纳技术的主要应用及其最新进展。 关键词：声纳技术原理应用发展 APPLICATION AND DEVELOPMENT OF SONAR TECHNOLOGY Wang Yungang (04011115) (Department of Information Science and Engineering, Southeast University, Nanjing，211189) Abstract : Sonar technology is the specific application of acoustic detection techniques in underwater media. Its principle and development as well as its main applications and progress are reviewed. Key words:sonar technique principle applications development
声波是人类迄今为止已知可以在海水中远程传播的能量形式.，声纳( sonar)一词是第一次世纪大战期间产生的, 它是由声音( sound)、导航( navigation)和测距( ranging ) 3个英文单词的字头构成的.。声纳设备利用水下声波判断海洋中物体的存在、位置及类型，同时也用于水下信息的传输。 [1] 近年来，随着科学技术的高速发展，人类对覆盖地球总面积70 %的海洋的认识逐渐深化，海洋因其经济上的巨大潜力和战略上的重要地位越来越被人们所重视.。美国加州海洋研究中心的罗伯逊博士说：“海洋的开发对人类带来的利益要比那些耗资庞大的太空计划实惠得多。”1998 年曾被定为“国际海洋年”，有人说，21 世纪是海洋的世纪。 众所周知，电磁波是空气中传播信息最重要的载体，例如，通信、广播、电视、雷达等都是利用电磁波.。但是在水下，它几乎没有用武之地。这是因为海水是一种导电介质，向海洋空间辐射的电磁波会被海水介质本身所屏蔽，它的绝大部分能量很快地以涡流形式损耗掉了，因而电磁波在海水中的传播受到严重限制。至于光波，本质上属于更高频率的电磁波，被海水吸收损失的能量更为严重，因此，它们在海水中都不能有效地传递信息。实验证实，在人们所熟知的各种辐射信号中，以声波在海水中的传播性能为最佳。正因为如此，人们利用声波在水下可以相对容易地传播及其在不同介质中传播的性质不同，研制出了多种水下测量仪器、侦察工具和武器装备，即各种“声纳”设备.。声纳技术不仅在水下军事通信、导航和反潜作战中享有非常重要的地位，而且在和平时期已经成为人类认识、开发和利用海洋的重要手段。本文将简单介绍声纳技术的原理、应用及其发展。 一、定义及其发展史 声纳就是利用水中声波对水下目标进行探测、定位和通信的电子设备，是水声学中应用最广泛、最重要的一种装置。它是SONAR一词的“义音两顾”的译称，SONAR是Sound Navigationand Ranging（声音导航测距）的缩写。 声呐技术至今已有100年历史，它是1906年由英国海军的刘易斯?尼克森所发明。他发明的第一部声呐仪是一种被动式的聆听装置，主要用来侦测冰山。这种技术，到第一次世界大战时被应用到战场上，用来侦测潜藏在水底的潜水艇[2]。 二、工作原理 声波在水中传播的优点： 1.在水中进行观察和测量，具有得天独厚条件的只有声波。 2.光在水中的穿透能力很有限，然而，声波在水中传播的衰减就小得多，低频的声波还可以穿透海底几千米的地层，并且得到地层中的信息。在水中进行测量和观察，至今还没有发现比声波更有效的手段。 三、结构与分类 1.结构 （1）基阵：水声换能器以一定几何图形排列组合而成，其外形通常为球形、柱形、平板形或线列行，有接收基阵、发射机阵或收发合一基阵之分。（2）电子机柜：发射、接收、显示和控制等分系统。 （3）辅助设备：包括电源设备、连接电缆、水下接线箱和增音机、与声纳基阵的传动控制相配套的升降、回转、俯仰、收放、拖曳等装置，以及声纳导流罩等。 2.分类 可按其工作方式，装备对象，战术用途、基阵
水下地形测量方法及其选用分析 摘要：本文简要介绍了水下地形测量大致的内容，接着就平面定位和立面深度位置测定的方法进行全面阐述，对比对了两个方面的多种方法之间的优劣势，选用的具体情况，最后介绍了当前常用的先进技术结合应用现状。 关键词：水下地形测量；GPS-RTK技术；方法选用；技术分析 Abstract: this paper briefly introduces the measuring the content of the underwater topography roughly, then plane positioning and facade methods of determining the depth location for full explanation, compared to the two aspects of between the advantages and disadvantages of various methods, the selection of specific circumstances, at last, the paper introduces the current situation of the application of advanced technology. Keywords: underwater topography measurement; GPS-RTK technology; Chosen methods; Technical analysis 引言 随着我国经济的迅猛发展，水利水电事业的高速前进，水下地形的测量和绘图工作挑战越来越多，必须全面了解水下测量比较使用的方法，继而根据具体工程情况科学合理运用，这样才能在实际工作中创造最大化的经济效益和社会效益。目前我国水下地形测量存在着部门难题亟待解决，包括水下地形的测量数据处理方法及绘图过程现代化程度较低、地形测量缺乏工作效率且方法较多较杂没有形成体系，本文总结了相关内容以寻找解决方法。 水下地形测量概述 常规情况下的水下地形测量主要包括三方面工作内容，即：平面定位、深度位置测定和水位的观测。第一步工作内容是沿着河道两岸按照一定密度的设计要求建立控制点体系，根据测深的精度要求、瞬时的可能水位差和水位变化模型对测定的影响，确定数量来布设水位站，保证水位站密度满足所需要控制的范围内部内插之后水位的精度要求。第二步运用现代导航软件和GPS等硬件设施进行测深船定位，指挥测深船航行于指定的测量断面中，定时采集导航软件和测深系统所采集的观测数据。最后对所采集的数据进行处理，将实测坐标转换至工程实用坐标、修正测定的声速和水位变化值、改正时间同步情况，然后形成实用的地形图。 平面定位方法 按照规范的相关规定要求，水下地形的平面定位误差必须控制在1.5mm 范围，对于平坦的底质可以适当放宽到2.0mm范围内。为了满足定位的精度要求，需要全面的了解常用的几种平面定位方法，按照不同测区范围、深度和流速
海洋侧扫声呐探测技术的现状及发展 摘要：侧扫声纳是海洋地形地貌测量的必备仪器之一。侧扫声呐是利用回声测 深原理探测海底地貌和水下物体的设备，目前广泛应用于海洋地形调查以及探测 海底礁石、沉船、管道、电缆以及各种水下目标等。本文从侧扫声呐技术的现状 进行分析，对未来侧扫声呐探测技术的发展趋势进行总结，为后续进行海洋侧扫 声呐探测技术的研究打下基础。 关键词：侧扫声呐；海洋探测；海洋资源 海底地形地貌作为了解和认识海洋的基本信息，在海洋资源开发、海洋工程 建设和海洋权益维护等方面具有重要意义。海底信息的探测是进行海底科学研究 的基础，是了解海洋空间形态特征的基础资料。由于声波在水中传播的独特优势，目前海底信息的快速获取主要依赖于声学探测设备，主要包括单波束、多波束和 侧扫声纳系统。前两种设备是通过测量海底深度反演海底地形，称之为等深线成像：侧扫声纳系统根据回波强度反映海底地形变化；相比而言，侧扫声纳探测效 率和分辨率较高，可获得更清晰的目标信息，在国内外应用广泛。 一、侧扫声呐检测原理 侧扫声呐技术运用海底地物对入射声波反向散射的原理来探测海底形态，它 能直观地提供海底形态的声成像。通过声呐线阵向左右两侧发射扇型波束，海底 反向散射信号依时间的先后被声呐线阵接收，有一定高度的海底障碍物在侧扫声 呐资料上能产生“阴影”。通过对不同的成像条件下得到的声呐图谱中“阴影”的研究，可以判断海底管线的状态为透空还是非透空，从而评价悬空管线治理效果。 当海底管线状态为悬空时，侧向发射的声呐波束首先遇到管线形成强反射，其反 射时程最短，最先成像在声呐图谱上；管线下方与海床面之间的空隙（空隙高度 即为悬空高度）可允许声呐波束穿过，形成“声学透空区”，其反射时程次之，在 声呐图谱上位于管线强反射外侧；管线本身会遮挡一定宽度范围的声呐波束穿过，形成“声学阴影区”，其理论反射时程最长，在声呐图谱上位于“声学透空区”外侧。如此，悬空管线形成的声呐图谱由近及远依次为管线强反射、“声学透空区”海底 面反射、“声学阴影区”空白反射（图１ａ）。当悬空管线经过非透空式治理之后，侧向发射的声呐波束首先遇到管线及其下方支撑的砂袋，形成较强反射，其反射 时程最短，最先在声呐图谱上成像；同时，管线及其下方支撑的砂袋本身会遮挡 一定宽度范围的声呐波束穿过，形成“声学阴影区”，其反射时程较长，反映到声 呐图谱上，就是在管线与砂袋强反射外侧成像。如此，悬空治理之后管线形成的 声呐图谱由近及远依次为：管线和砂袋的强反射、“声学阴影区”空白反射（图１ｂ）。当采用水下短桩支撑等透空式方法治理时，在水下短桩处会产生图１ｂ所 示的波束路径和声呐图谱，而两管线桩之间区域的反射特征相当于管线悬空时的 探测结果（图１ａ）。 二、国内外现状 1.国外侧扫声呐技术现状。近年来，随着计算机处理技术的快速发展和应用，有效的推进了侧扫声呐探测技术的发展，出现了一系列以数字化处理技术为基础 设计的数字化侧扫声呐设备，进而使得侧扫声呐技术发展达到了一个全新的台阶，图3是常见的侧扫声呐换能器拖体。符合特定探测深度和精度的侧扫系统正在不 断的被研发出来。美国Klein公司近年研发的Klein5000系列深海多波束侧扫声呐 系统，采用波束控制和与数字动态聚焦技术，在拖鱼每一则同时生成数个相邻的
RTK 技术在水下地形测量中的应用 □广东正方圆咨询公司 张子林 摘要：简要介绍了利用GPS RTK 技术测定水下地形的基本原理和工作流程以及影响测量精度的关键因素。 关键词：GPS RTK 航道测量 水下地形测量 1 引言 GPS 技术的出现，带来了测量方法的革新,在大地控制测量、精密工程测量及变形监测等应用中形成了具有很大优势的实用化方案。尤其是GPS RTK 技术能够在野外实时得到厘米级定位精度，为工程放样、地形测图、地籍及房地产测量、水下地形测量等带来了新的作业方法，极大地提高了野外作业效率，是GPS 应用的里程碑。特别是利用RTK 技术进行水下地形测量，效率提高更明显。 2 RTK 技术的基本原理 RTK 技术始于20世纪90年代初,是基于载波相位观测值基础上的实时动态定位技术。如图1所示，RTK 技术的工作模式是在已知点上架设基准站，接受机借助电台将其观测值及坐标信息，发送给流动站接收机，流动站接收机通过电台（数据链）接受来自基准站的数据，同时还要采集GPS 观测数据，在系统内形成载波相位差分观测方程,采用卡尔曼滤波技术,在运动中初始化求出整周模糊度。并进行实时处理，求得其三维坐标（X ，Y ，Z ），精度可达厘米级。 3 水下地形测量原理 水下地形测量包括两部分:定位和水深测量。就目前的水下地形测量的主流技术而言,定位采用的是GPS 差分定位模式，而水深测量采用的是回声测深仪的方法。这样就可以确定水底点的高程： ） （D D H G i ?+-= （1） 式中，i G 为水底点高程，H 为水面高程，D 为测量水深，D ?为换能器的静吃水。 在观测条件比较好的情况下，考虑RTK 具备比较高的高程确定精度，同时严格考虑船姿的影响，无验潮模式下的水底点高程可通过下式确定： a h D H G i ?---= （2）
第38卷 第2期2009年4月 船海工程SH IP &OCEA N ENG IN EERI NG V ol.38 N o.2 A pr.2009 Feature Ex traction of Ship Weld Flaw Image Based on H u p s M oment Invariant GAO Lan,ZHAO Yong -zhu,FAN Sh-i dong,LUO Wen -feng (Schoo l o f Ener gy and Po wer Eng ineer ing,Wuhan U niv ersity of T echnolog y,W uhan 430063,China) Abstract:A metho d o f flaw feature ex tractio n of ship w eld imag e based o n Hu p s mo ment invar iant w as intro duced.Ex periment show ed that H u p s mo ment invar iants picked up sat isfy geomet ric invar iance after zo om,mot ion and eddy o f image,with st rong ant-i no ise perfo rmance.T o the complex ship weld imag e flaw ,mo ment inva riants can sho w the featur e informat ion of image effectively,on a cer tain ext ent,it can be an impor tant g ist o f flaw identificatio n. Key words:moment invariants;featur e extr action;weld imag e;sample bases 收稿日期:2008-09-02修回日期:2008-11-17 作者简介:高延增(1982-),男,博士生。 研究方向:水下机器人的三维声视觉系统人工智能 技术。 E -mail:gao yangzeng @fox https://www.doczj.com/doc/b4511996.html, DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2009.02.028 用于水下机器人的主动侧扫声呐图像预处理技术 高延增,叶家玮,陈爱国 (华南理工大学土木与交通学院,广州510641) 摘 要:分析了侧扫声呐接收机的噪声来源:自噪声和水体噪声,概括了它们影响声呐接收机的辐射路径;求出回波噪声的数字特征,在此基础上给出单扫描角度上声呐图像数据的递归最小二乘滤波算法,可提高水下机器人路径规划算法的实时性。使用超小型远程操纵机器人(RO V )搭载SeaSpr ite 声呐在船池中实验,对比给出预处理前后的声呐回波数据的还原图像,显示效果明显改善。 关键词:侧扫声呐;噪声模型;递归最小二乘滤波;图像声呐 中图分类号:U 666.7 文献标志码:A 文章编号:1671-7953(2009)02-0097-04 光学成像系统易受光线、水质混浊度、流水中气泡等因素影响,而声呐设备能克服这些限制,在海底矿物质勘探、目标探测、海洋工程等方面的应用越来越广泛,为水下机器人作业、海洋工程、海洋测绘等提供第一手数据。在自主水下机器人(AUV )导航的应用中,可将声呐图像中出现的障碍物分成独立的、星群状的和过大的三类,然后利用特征匹配归类声呐图像中的障碍物[1] ,文献[2]提出一种声呐图像中密集障碍物的避让方法。 但声呐图像存在图像背景复杂、噪声污染严重等缺点,而大多图像处理算法又对图像噪声敏感,所以有必要对声呐图像进行预处理。声呐图 像预处理算法应能够:改善声呐图像显示效果;纠正声呐图像中的波束模式异常;平抑表面反射的 影响;自动调节声呐数据获取过程中由软、硬件增益改变引起的像素点亮度变化。文献[3]介绍了使用扫描声呐进行目标跟踪、识别时的图像预处理方法,其中用到小波技术,文献[4]中还将其与Fourier 变换进行比较,它的作用对象是冰下侧扫声呐图像。 但前面提到的预处理方法都是针对整幅声呐图像的,限制了侧扫声呐图像的处理时间,影响水下机器人的决策速度。本文将影响声呐接收机的噪声分为自噪声和水体噪声,分析了噪声对声呐接收机的辐射路径,根据瑞利法则给出噪声的条件密度模型;在此基础上对单扫描角度的声呐数据进行递归最小二乘滤波后还原为声呐图像,最后将各扫描角度上的图像镶嵌组成整幅图像,而在镶嵌的同时将单扫描角度图像实时传给水下机器人路径规划的决策模块,保证了路径选择算法的实时性。 97
GPS在水下地形测量应用综述 侯淑芬 （华南农业大学信息学院，广州，510642） 摘要： GPS定位具有速度快、精度高、实时性等特点，使水位观测和水下地形点高程的测量变得可靠、简便易行。许多水下地形测量已采用GPS RTK 的模式。本文综合介绍利用GPS进行水下地形测量的原理，误差来源与改正，以及其在水库测量、水下淤积测量、航道测量、海洋工程中的具体应用。 关键词： GPS,RTK,水下地形 1、引言 在水利工程中，水下地形测绘具有重要的意义。近几年来, 随着GPS载波相位差分技术( RTK)的发展, GPS 技术越来越成熟, 已被广泛应用到数字化测图中。有时候水利工程建设初期, 由于所处测区多为山地, 通视困难, 地形复杂给传统野外测绘工作带来了一定的困难。利用动态GPS定位技术的优越性, 测图速度快和精度高, 能消除累积误差, 操作简便, 用人少等优势取代了原有的平板仪测图及全站仪测图。工作效率和经济效益明显得到大幅度提高。 2 、概述 2.1水下地形测量现状 水下地形测量, 就是利用测量仪器确定水底点的三维坐标的过程, 主要工作包括平面定位和水深测。 目前水下测量技术有如下几种: 1) 光学定位法, 即光学经纬仪配合测深仪法。这种方法由于地球曲率、通视及测站条件的限制难以满足需要, 且精度低, 并同时要进行水位测量。 2) 地面无线电定位技术配合测深仪法。这种方法设备简单, 定位迅速,精度可靠, 但仍需进行水位测量。 3) 采用测量机器人+双频数字测深仪, 极坐标法自动化测量模式。 4) GPS技术在水下地形测量中的应用.这种方法不提高了精度,加快了作业速度, 可保证全天候作业。 随着全球定位系统GPS技术的飞跃发展, 水下地形测量技术已基本定型于采用GPS获取平面坐标, 测深仪获取深度数据的基本模式【1】。
谈谈水下地形测量 一、GIS的应用GIS是一种为了获取、存储、模拟、检索、分析和显示空间数据而建立的计算机化的数据管理系统。这里的空间数据是指采用不同方式的遥感与非遥感手段获得的数据,它有多种数据类型,包括地图、遥感、统计数据等,它们的共同特点是都有确定的空间位置。GIS的处理对象是空间实体,其处理过程正是依据空间实体的空间位置与空间关系进行的。它的主要功能遍历数据采集-分析-决策-应用的全部过程;它的应用领域是地理、规划与管理等许多行业。随着信息技术的飞速发展,传统的水下地形测量数据管理、分析方式越来越无法满足现代海洋测绘的发展需要,引入GIS技术推进水下地形测量数据现代化管理势在必行。利用GIS实现对水下地形测量数据的管理,可以加速水深测绘的信息化进程。利用GIS空间分析手段从数据库中提取地形、地貌、水文特征、航运状况等数据进行处理变换和综合分析,获取相关的知识,并以图形形式直观地加以表达为确定规划建设方案提供科学的决策辅助信息。GIS在水下地形测量数据管理及分析中的应用,主要目的有两个,一是实现大量测量数据及辅助数据的存储管理有序性,二是利用GIS强大的空间分析功能实现测量数据的分析。图1总结了GIS在水下地形测量数据管理及分析中的应用的框架,空间数据存储在GIS自有的空间数据库中,相关的辅助数据、属性数据可以存储在关系型数据库中。下面详细阐述具体实现过程。 图1GIS在水下地形测量数据管理、分析的应用框架1．水下地形测量数据管理水深、水下地形测量涉及的数据可以归纳为两个部分,一是原始数据,二是处理数据,处理数据是在原始数据的基础上产生的。原始数据主要包括:利用RS,GPS常规测量等测量手段获取野外数据;利用数字测深仪测量的水深数据等。处理数据主要包括:水深点位的三维坐标,数字高程数据(DEM),水深值等。上文已经讨论目前采用文件形式来管理水下地形测量数据存在着诸多不便,及GIS在数据存储管理中存在优势,现有的GIS平台数据库有关系型数据库(MapInfo)、面向对象的地理数据库(ArcGIS-Geodatabase)等,将水下地形测量数据、属性数据录入GIS数据库,可以实现水下地形测量数据及属性数据高效存储与管理。2．基于GIS的水下地形数据分析水下地形分析是工作中重要的一个环节。在获取了大量数据之后,要针对这些数据进行加工处理,生成有用的信息,即是水下地形分析。水下地形测量常做的数据分析有:等值线生成,数字高程模型建立,工程计算,利用DEM进行冲淤分析,叠置分析,缓冲区分析,任意剖面线生成、模拟水下飞行等等。体积和表面积的计算在工程量计算、水库淹没分析等应用中非常重要。通常采用近似的方法计算体积,利用GIS平台软件,结合已有的数据可以实现指定区域土体体积和表面积的计算。利用DEM进行冲淤分析。在分析水下地形中经常关心的是同一地方不同时间的冲淤量问题,为生产和研究提供依据。可以充分利用上述建立的DEM模型(直接建立或者直接从数据库打开的模型数据),确定需要作比较的两期数据,利用它们的DEM模型,将两个DEM模型叠加相减,得出差数值即是比较的结果。在利用模型叠加分析时,重点注意以下两个方面的问题:①模型相叠加的条件并不是任意两个DEM模型都可以叠加,两个模型需要具有可以相比的条件,即二者必须有相同的格网参数。这样两个模型的格网便可以完全对应起来,同时具有内插值的格网点便可以直接相减,得到对应格网所需的差值,否则对应格网点就得不到差值。 ②冲淤量的计算通常采用断面法,即通过断面的面积与间距相乘累加得到。