第8章 海洋地貌及地質(zhì)探測

1、現(xiàn)代海洋測繪現(xiàn)代海洋測繪趙趙 建建 虎虎|概述|聲波與海底底質(zhì)的相互作用|回波強(qiáng)度及其數(shù)據(jù)處理|聲納圖像的形成原理|多波束聲納圖像|側(cè)掃聲納及其聲納圖像|基于聲納圖像判讀海底地貌|基于聲納圖像劃分海底底質(zhì)類型|海底淺層剖面儀|思考題 海底地貌是指海底表面的形態(tài)、樣式和結(jié)構(gòu)。由于地殼構(gòu)造等內(nèi)營力、海水運(yùn)動等外營力相互作用生成，并由于這種作用的性質(zhì)、強(qiáng)弱和時間等因素，使海底地表起伏形成大、中、小不同規(guī)模的三級地貌單元 。按所處位置和基本特征分為大陸邊緣、大洋盆地和大洋中脊三大基本地貌單元。 海底地貌的探測通過海底地貌探測儀來實(shí)現(xiàn)，通常采用的是側(cè)掃聲納系統(tǒng)。海底底質(zhì)探測主要是針對海底表面及淺層沉積物

2、性質(zhì)進(jìn)行的測量。在所有的海底底質(zhì)探測手段中，基于聲學(xué)設(shè)備通過獲取海底底質(zhì)聲納圖像反映海床底質(zhì)、地貌的方法具有簡單、有效等特點(diǎn)，它們也成為本章介紹的重點(diǎn)。 波束傳播過程中的聲能變化可用下式描述：則距離聲源R處的聲強(qiáng)為：波束在傳播的過程中，隨著球形擴(kuò)展和海水的吸收，能量的減少量TL（傳播損失）為：BS取決于海底底質(zhì)類型、地形條件和波束在海底的投射面積AE，表達(dá)為：81 聲波與海底底質(zhì)的相互作用聲波與海底底質(zhì)的相互作用設(shè)為脈沖寬度，T、R、分別為發(fā)射、接收波束寬度以及波束的入射角，則AE為：BSB是BS0（反映海底底質(zhì)特征和粗糙度）項(xiàng)以及角度相關(guān)項(xiàng)的和，即： 當(dāng)波束入射角位于150650范圍時，BS

3、B與入射角的相關(guān)性用Lambert法則（k=2）可以很好的描述；當(dāng)波束近乎垂直入射時，BSB（BSN）是比較復(fù)雜的，是海底類型和粗糙度的函數(shù)。 00時： 150時： 綜上，由上可知，聲能方程具有計算系統(tǒng)探測距離的能力；聲能方程還能反映海底底質(zhì)類型的變化，因而具有解釋海底底質(zhì)特征的作用。根據(jù)海水中聲波傳播理論，聲波遇到不連續(xù)界面時會產(chǎn)生反射、折射和散射現(xiàn)象 。討論光滑界面上入射、反射和折射聲壓之間的關(guān)系時，需做如下兩個假設(shè)：(1)界面上不存在剩余壓力，即 (2)界面上質(zhì)點(diǎn)的法線方向運(yùn)動速度為零則反射系數(shù)R為：令 則： 由此可知，聲波在介質(zhì)面處的反射特性與物質(zhì)的密度相關(guān)，密度大，則反射系數(shù)大。聲波

4、與介質(zhì)面的作用Pi源脈沖方向入射角i散射反射角i散射PriCiPt折 射 角ttCt海床 上述模型是在假設(shè)海底為鏡面情況下得出的結(jié)論，實(shí)際海床的起伏、底質(zhì)的多變均會給回波強(qiáng)度帶來一定的影響，研究其影響對于波束為非垂直入射的聲納系統(tǒng)具有重要意義。 根據(jù)聲能方程式，發(fā)射波束與海底的直接作用體現(xiàn)在BS項(xiàng)上。海底對聲波的散射強(qiáng)度與聲波在海底的照射面積AE有關(guān)，還與海底物質(zhì)的物理屬性(BSB)有關(guān)。 BSB可表達(dá)為： 根據(jù)BSB與海底物質(zhì)的關(guān)系，則可反演海底不同地質(zhì)類型的區(qū)域分布，即海底底質(zhì)分類。 底部檢測可以獲得每個到達(dá)波束的回波強(qiáng)度，而回波強(qiáng)度正是聲納圖像形成的基本參數(shù)。回波強(qiáng)度反映的是波束與其海底

5、投射點(diǎn)的相互作用產(chǎn)生的聲能的變化。影響B(tài)SB的因素主要有SL、EL、DIR、TL、NL和聲波的散射以及混響。若能準(zhǔn)確得到這些參量，就能獲得反映海底特征的真正散射信號強(qiáng)度。 實(shí)際海洋環(huán)境是復(fù)雜的，影響聲強(qiáng)的因素主要有：海洋環(huán)境噪聲、聲波的散射和混響、聲能的傳播損失、海底沉積層對聲波的吸收、海底地形的影響、聲速剖面的影響。 82 回波強(qiáng)度及其數(shù)據(jù)處理回波強(qiáng)度及其數(shù)據(jù)處理信號的傳播損失信號的傳播損失 擴(kuò)展損失是波陣面隨距離擴(kuò)展產(chǎn)生的聲強(qiáng)衰減。設(shè)距離聲源R1和R2的兩個波陣面面積分別為S1=4R21和S2=4R22，在波陣面上所對應(yīng)的聲強(qiáng)為I1和I2，可表示為： 由于在無耗損介質(zhì)中，聲波穿透波陣面的功

6、率應(yīng)該保持不變，則有關(guān)系式：根據(jù)無耗損介質(zhì)的特點(diǎn)有： R1=1m時， 綜合考慮，則距離聲源R處的聲強(qiáng)I2為： 式中為衰減系數(shù)， n為波束的傳播形式，對于球面?zhèn)鞑等于2。則海水中聲能的傳播損失為： 在海洋水文因素一定的情況下，吸收造成的衰減主要與頻率相關(guān)，頻率愈大，衰減愈大，當(dāng)頻率大于10kHz時，衰減因子對聲強(qiáng)的影響變成一個主要因素。 聲線彎曲改正聲線彎曲改正 根據(jù)聲線跟蹤原理，波束在整個水柱中經(jīng)歷的實(shí)際聲程R為： 或 若聲速在層i中以常梯度gi變化，則 式中，i和i+1為厚度zi水層表面波束的入射角和層底的出射角，對應(yīng)著聲速Ci和Ci+1 。 根據(jù)Snell法則，結(jié)合聲速剖面和波束在水表層

7、發(fā)射時刻的入射角，便可追蹤到波束到達(dá)海底的入射角，進(jìn)而根據(jù)該角度和Lambert 法則進(jìn)行聲能計算。海底地形對波束入射角的影響海底地形對波束入射角的影響 設(shè)波束在平坦海底的入射角為，由于海底地形的影響，實(shí)際入射角為：式中，R、T為因坡面影響產(chǎn)生的二維入射角在橫向和縱向的分量，為海底坡度；上式(a)式反映的是坡面與測量斷面走向相同情況下波束在海底的實(shí)際入射角，為特殊情況；(b)式是坡面產(chǎn)生的二維入射角，為一般情況。根據(jù)Lambert法則有： 坡面方程為：則坡度為： 聲照區(qū)面積改正聲照區(qū)面積改正 Hammerstad 1994給出了實(shí)際投射面積AE的計算公式： 根據(jù)聲能方程，波束在海底投射區(qū)面積對

8、聲能的影響應(yīng)為10logAE。 Lambert 法則改正法則改正 綜上，海底地形對回波強(qiáng)度的總影響為： 對于回波強(qiáng)度測量，探測的是一個回向散射強(qiáng)度的時序觀測量，每一個時序觀測量相對波束投射點(diǎn)園要小的多，單位時間內(nèi)，時序采樣的個數(shù)是測深采樣的幾倍或十幾倍(視聲納圖像的分辨率而定)?；夭◤?qiáng)度采樣測量的是該穿透區(qū)內(nèi)、由多個波束模式所包圍的波束投射點(diǎn)園區(qū)域。其原理圖如下： 單個波束投射區(qū)內(nèi)的聲納圖像時序采樣原理83 聲納圖像的形成原理聲納圖像的形成原理測區(qū)聲納圖像的獲得需要通過完成聲線改正和圖像鑲嵌（Mosaic）兩項(xiàng)工作后才能獲得。 將每ping所形成的斷面線按照船速和ping發(fā)射的時間序列緊密地排

9、列起來，形成掃測系統(tǒng)原始聲納圖像。（如圖）自此，便完成了圖像鑲嵌的準(zhǔn)備工作。 多波束聲納圖像的成像原理 在形成聲納圖像之前，還需對回波強(qiáng)度進(jìn)行如下處理： （1）回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)濾波 理論上，回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)濾波也可采用深度數(shù)據(jù)濾波中的算法，由于數(shù)據(jù)量龐大，這里采用簡單的滑動平均濾波，其模型為：式中N為選定窗口內(nèi)聲強(qiáng)的采樣個數(shù)；BSi為第i個被平滑對象，BSj為窗口內(nèi)聲強(qiáng)采樣。 （2）回波強(qiáng)度采樣位置的確定由波束振幅投影法，設(shè)波束的入射角為，在角（-）不是很小的情況下，則波束的橫向距離為： 式中，d0為波束中心的橫向距離，i為聲強(qiáng)采樣序號，i0為對應(yīng)的波束中心聲強(qiáng)采樣序號，r為斜距方向距離采樣的間隔，為

10、坡度。若海底地形起伏變化不大，由上式可以獲得準(zhǔn)確的回波強(qiáng)度采樣位置；反之，投影到圖中f-g線上的振幅對應(yīng)位置與投影到f-g (實(shí)際投影面)線上的位置將出現(xiàn)偏差，實(shí)際上該偏差很小，對于投影距離的計算精度影響甚微。 回聲強(qiáng)度位置的確定 （3）回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)的內(nèi)插 為了得到等間距的聲強(qiáng)分布，就需要根據(jù)波束投射點(diǎn)的位置對聲強(qiáng)進(jìn)行內(nèi)插。一般采用簡單的線形內(nèi)插便可獲得高精度的內(nèi)插回波強(qiáng)度值。采樣點(diǎn)空隙較大時，則需根據(jù)周圍回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)內(nèi)插。 多波束聲納圖像通過將多個Ping（多波束發(fā)射一次稱為一ping，每一ping形成一個斷面）、條帶的回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)按照一定的原則拼節(jié)起來，并對其進(jìn)行抽樣和量化來形成的。Pin

11、g與與Ping之間的拼接之間的拼接 受人為操作、海洋環(huán)境等因素的作用，測量船姿態(tài)引起換能器姿態(tài)做瞬時變化，從而導(dǎo)致測量斷面不完全與設(shè)計航線正交，因此，為了形成圖像，就必須按照船位，在地理框架下實(shí)現(xiàn)測量斷面的拼接。ping間回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)拼接之前需首先對回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。 前面已作介紹。對于每一個采樣點(diǎn)實(shí)際上已經(jīng)獲得了它的平面位置(x、y)和回波強(qiáng)度，由此條帶內(nèi)ping與ping之間聲強(qiáng)數(shù)據(jù)的拼接變得非常容易。84 多波束聲納圖像多波束聲納圖像條帶圖像間的拼接條帶圖像間的拼接 條帶聲納圖像間的拼接要解決兩個問題：幾何位置的統(tǒng)一和回波強(qiáng)度值的統(tǒng)一。 幾何位置的統(tǒng)一實(shí)際上是為了實(shí)現(xiàn)條帶重疊區(qū)重合

12、采樣點(diǎn)位置的對應(yīng)。對于相鄰條帶而言，每個聲納采樣點(diǎn)均能獲得其坐標(biāo)，且兩個條帶的坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一， 故解決該問題較容易。 圖像拼接的關(guān)鍵問題是解決接邊線的問題，即選擇出一條曲線，按照這條曲線把聲納圖像拼接起來。待鑲嵌的聲納圖像按照這條曲線拼接后，曲線兩側(cè)的回波強(qiáng)度變化不顯著或變化最小，這條理論上的曲線被稱為接邊線或鑲嵌線。 要在重疊區(qū)找出鑲嵌線，只要找出該線與每ping形成的斷面線的交點(diǎn)即可。方法：選取一個長度為d的一維窗口，讓該窗口在斷面線內(nèi)逐個采樣點(diǎn)上滑動，若窗口內(nèi)所有重合點(diǎn)回波強(qiáng)度差值的絕對值和最小，則該點(diǎn)即為鑲嵌線與該斷面線的交點(diǎn)（亦稱接邊點(diǎn)）。接邊點(diǎn)的選取原則即為： 式中：f1(i，j0+

13、j)和f2(i，j0+j)為滑動窗口內(nèi)重合點(diǎn)(i，j0+j)在圖像f1和f2上對應(yīng)的回波強(qiáng)度值（若圖像已經(jīng)轉(zhuǎn)換為8 bit的灰度圖像，則為對應(yīng)的灰度值）； i為重合點(diǎn)(i，j0+j)所對應(yīng)的斷面行，j0為窗口左端點(diǎn)對應(yīng)的列，j0+j為點(diǎn)(i，j0+j)對應(yīng)的列；圖像鑲嵌中鑲嵌線確定示意圖 滿足上述條件的點(diǎn)即為接邊點(diǎn)，將重疊區(qū)內(nèi)相鄰斷面行上的接邊點(diǎn)連接起來，便形成了鑲嵌線。為了保證回波強(qiáng)度水平的一致，就需對鑲嵌線確定的重疊點(diǎn)上的回波強(qiáng)度進(jìn)行重新計算。下面介紹兩種確定重疊點(diǎn)上回波強(qiáng)度的方法 ：均值法 設(shè)f(i，j)為最終確定的聲強(qiáng)，則： 加權(quán)平均法 式中，L為重疊區(qū)的寬度，x為重合點(diǎn)至重疊區(qū)靠近f

14、1一側(cè)的距離。測區(qū)格網(wǎng)化及回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)的選?。ǔ闃樱y區(qū)格網(wǎng)化及回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)的選取（抽樣） 為了便于計算機(jī)圖像處理，就須對測區(qū)進(jìn)行柵格化。每個小的格網(wǎng)需要代表一個回波采樣，該格網(wǎng)即為圖像的像素。 為了真實(shí)反映海底底質(zhì)的特征，對于沒有回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)的格網(wǎng)，在灰度量化時，可將之設(shè)置為背景灰度級；對于存在單個回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)的情況，用該回波強(qiáng)度反映格網(wǎng)所對應(yīng)實(shí)際海床的底質(zhì)類型；若存在多個回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)，最終回波強(qiáng)度可根據(jù)如下原則確定：接近均值原則 ；變化漸進(jìn)性原則 。 格網(wǎng)化和回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)抽樣工作完成的優(yōu)劣，直接影響著多波束聲納圖像質(zhì)量的好壞，也影響著圖像對海底地貌以及底質(zhì)類型的反映。 回波強(qiáng)度向灰度級的轉(zhuǎn)

15、換（量化）回波強(qiáng)度向灰度級的轉(zhuǎn)換（量化） 該轉(zhuǎn)換實(shí)際上是將回波強(qiáng)度同描述圖像的灰度級對應(yīng)起來，實(shí)現(xiàn)回波強(qiáng)度向灰度級的量化。 回波強(qiáng)度的變化范圍主要取決于海床的地貌特征、底質(zhì)類型以及多波束系統(tǒng)。對于一個測區(qū)而言，若海底地貌特征和底質(zhì)類型變化復(fù)雜，回波強(qiáng)度分布于整個變化范圍，則回波強(qiáng)度GBs可量化為灰度G為： G=126+GBs (128126dB) 對應(yīng)灰度范圍（2550） 或：G=128-GBs (128126dB) 對應(yīng)灰度范圍（0255） 式中，G為灰度級；GBs為回波聲強(qiáng)。若聲強(qiáng)變化范圍為(GBsmin GBsmax)，量化后的灰度范圍為(Gmin Gmax)，則聲強(qiáng)GBS量化后的灰度級

16、G可表達(dá)為：式中，GB為灰度級；(GBSmax GBSmin )對應(yīng)于(GBmax GBmin )。 在聲強(qiáng)向灰度級的轉(zhuǎn)換過程中，灰度級的選擇十分重要。抽樣和量化工作完成后，便形成了多波束聲納圖像。 多波束聲納圖像 如下圖，圖像中每個像素對應(yīng)著兩組表達(dá)參量，一組為圖像表達(dá)參量，即像素的位置（i，j），以及與之對應(yīng)的灰度f(i，j)；另一組為地理參量，即像素中心對應(yīng)的地理坐標(biāo)(x，y)和聲強(qiáng)BS。 海底地貌探測儀又稱側(cè)掃聲納。它可顯示海底地貌，確定目標(biāo)的概略位置和高度。海底地貌儀分單側(cè)和雙側(cè)兩種，目前多使用雙側(cè)地貌儀。 側(cè)掃聲納是一種主要用于大洋底勘探，而不是用于測量距離或深度的聲納。海底測繪用

17、的是雙側(cè)掃聲納，把兩個換能器裝在稱為“魚”形或流線型的拖曳體內(nèi)，為了獲得最佳效果，拖曳體離海底的深度是可調(diào)的。 海底地貌探測儀組成可分為換能器、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、收發(fā)轉(zhuǎn)換裝置、記錄器、主控電路六個主要部份。如圖： 85 側(cè)掃聲納及其聲納圖像側(cè)掃聲納及其聲納圖像側(cè)掃聲納系統(tǒng)的組成示意圖 現(xiàn)以國產(chǎn)SDH8型雙側(cè)海底地貌儀為例，說明各部分的作用。 側(cè)掃聲納換能器外部形狀似魚形，故稱為拖魚。拖體左右兩側(cè)各有一個長條型換能器基陣。 發(fā)射機(jī)與換能器基陣相對應(yīng)，分左、右發(fā)射機(jī)，分別產(chǎn)生一定寬度、頻率的高頻等幅振蕩電脈沖，再分別送入左、右換能器基陣，轉(zhuǎn)換成聲波脈沖向兩側(cè)海底輻射。 接收機(jī)可將兩個換能器基陣送來的

18、微弱電信號加以選擇放大處理，然后送到記錄器將信號在記錄紙上記錄下來。接收機(jī)還設(shè)有自動增益控制，能自動地壓低強(qiáng)信號，增強(qiáng)弱信號，即壓縮回波信號的動態(tài)范圍，使海底回波變化均能在記錄紙上記錄下來，從而正確反映海底精細(xì)地貌的變化。 收發(fā)轉(zhuǎn)換裝置的作用相當(dāng)于在換能器基陣與發(fā)射機(jī)、接收機(jī)之間接入一個自動開關(guān)。 記錄器有二個作用，一是產(chǎn)生總機(jī)觸發(fā)信號，送往主控電路，產(chǎn)生同步觸發(fā)脈沖，協(xié)調(diào)整機(jī)工作；二是同時記錄左、右兩側(cè)的海底地貌回波信號。 由記錄器產(chǎn)生的觸發(fā)信號，經(jīng)主控電路整形、延時后產(chǎn)生一定寬度的同步脈沖信號，用來控制整機(jī)工作。 側(cè)掃聲納系統(tǒng)的橫向距離取決于許多因素。它們包括：發(fā)射的頻率和脈沖速率(由于聲

19、在水中被吸收，頻率越高距離越短)；聲能和聲脈沖的方向性 (取決于換能器的物理性質(zhì))；換能器的傾斜角；拖魚在海底上面的高度；介質(zhì)和反射面(噪聲和目標(biāo)靶的強(qiáng)度)的物理性質(zhì)。 側(cè)掃聲納的分辨率定義為從周圍環(huán)境鑒別目標(biāo)靶的能力。橫向或水平分辨率是分辨平行于船跡的兩個目標(biāo)(或物體)的最小距離，垂直分辨率是在垂直于船跡的方向上分離兩個目標(biāo)(物體)的最小距離。 側(cè)掃聲納換能器收到海底各點(diǎn)回波的時間有先后之分，故記錄器在將一次聲波脈沖發(fā)射過程中的各點(diǎn)回波記錄時，是按先后次序依次記錄在一條橫線上的。如圖： 圖中O為零位線，M為海面線，它是從海面M反射回來的回波信號記錄線，OM為換能器吃水深度，A為海底回波信號記

20、錄線，OA (Hf)為換能器至海底的深度；C為礁頂。 如圖，海底有一障礙物(如暗礁、沉船等)。從a至b這一段海底基本是平坦的，隆起物正面b至c一段海底。 如果海底地貌起伏變化，則會引起回波強(qiáng)弱變化，在記錄紙上則以濃淡不同的黑度表示出來。 回波信號的強(qiáng)弱除與海底地貌的起伏、海底底質(zhì)的性質(zhì)等有關(guān)外，還與傳播路徑的遠(yuǎn)近有關(guān)。在海底平坦處，回波信號的強(qiáng)度隨著距離的增大而迅速減弱。 海底隆起物反映在記錄紙上是左黑右白的圖形，黑的部分是隆起物朝向測量船方向的正面，而白的部分是該隆起物背后的陰影。 對于海底凹陷部位 (如溝或坑)，沒有回波，反映在記錄紙上為白色；而朝向換能器的一側(cè)，反向散射回波變強(qiáng)，反映在記

21、錄紙上為黑色。海底凹陷部位的地貌聲圖是先白后黑，白色“影子”的長短在一定條件下反映出凹陷部位的深淺程度。 在聲納曲線圖上有許多引起失真和干擾的因素，這些干擾因素可分為幾何形狀、周圍環(huán)境和儀器3個方面。幾何形狀變形具體有： l比例尺不等變形 如果存在方形目標(biāo)，隨著船速增大，方形目標(biāo)變成橫向的長方形目標(biāo)。當(dāng)船速繼續(xù)增大，橢圓目標(biāo)和橫向長方形目標(biāo)的短軸均變得更短。 聲圖縱、橫向比例尺不等 l聲線傾斜變形 由于換能器基陣向傾斜方向海底發(fā)射聲波，并接收傾斜方向海底的反向散射聲波。在聲圖上掃描線反映換能器基陣至海底的傾斜距離，使聲圖橫向產(chǎn)生比例尺不統(tǒng)一，引起聲圖目標(biāo)橫向變形。 聲線傾斜變形示意圖 l 拖魚

22、高度變化使聲圖橫向比例尺變化 由聲圖結(jié)構(gòu)可知，在聲圖上發(fā)射線至海底線的長度，表示拖魚離底的高度。如拖魚至海底的高度變高，反映在聲圖上呈現(xiàn)零位線至海底的寬度加長，占用聲圖橫向?qū)挾仍鰧?；同時，橫向掃描線縮短，占用聲圖橫向?qū)挾茸冋?。從而使聲圖橫向比例尺縮小。l 海底傾斜坡面引起橫向比例尺變化 掃測船順海底傾斜面的走向掃側(cè)，迎斜面的一側(cè)橫向比例尺縮小，順斜面的一側(cè)橫向比例尺增大。l 由于換能器水平開角大或副瓣大引起的雙曲變形 由于開角大或存在較大的副瓣，換能器還沒有正橫通過目標(biāo)時，就已經(jīng)得到了目標(biāo)的回波，而換能器已經(jīng)正橫通過目標(biāo)后，仍能得到目標(biāo)的回波，從而直線目標(biāo)的聲圖就產(chǎn)生了彎曲。 周圍環(huán)境的失真和

23、干擾經(jīng)經(jīng)常是由于同時作業(yè)的其它電子儀器、水中較密的懸浮粒子、表面噪聲和反散射、氣泡、海洋生物、水溫和水流的變化等引起的。 儀器失真主要是由于記錄螺旋線有缺陷或記錄紙以及波道之間的電信號相互作用引起的。 根據(jù)側(cè)掃聲納的用途不同，側(cè)掃聲納大致可分為四類：分辨聲納、搜索聲納、地質(zhì)聲納、遠(yuǎn)程聲納。其中分辨聲納的分辨力最高，常用來探測海底精細(xì)地貌和探測分辨水下物體等。 我國研制的旁視側(cè)掃聲納主要有：SGPI型、PSl型、SDH8型和HRBSSS高精度測深側(cè)掃聲納，它們都可以用于測繪海底地貌、探測海底礁石、沉船油管、水下障礙物和海底地質(zhì)的某些待征等。 國外分辨聲納以美國克萊茵公司生產(chǎn)的側(cè)掃聲納為代表，具有

24、當(dāng)代先進(jìn)水平。該系統(tǒng)基本組成是換能器拖魚和圖示記錄器。 其中圖示記錄器可分為一、二、三通道三種類型。一通道記錄器用來探測水深；二通道記錄器用來記錄航向左、右兩側(cè)一定寬度內(nèi)海底地貌、底質(zhì)聲圖；三通道記錄器以上功能均可。如插入模數(shù)信息處理組件和磁帶記錄器，就可以組成多功能的模數(shù)自動繪圖聲納，英文簡稱MAPS。該系統(tǒng)有三種基本工作方式： 現(xiàn)場記錄方式 后期處理方式 實(shí)時處理方式 MAPS實(shí)現(xiàn)了大面積地貌聲圖的拼接，為繪制海底地形圖創(chuàng)造了條件，提高了自動化程度。 為了能從聲圖上繁雜的圖像中判讀出目標(biāo)圖像及地貌圖像，必須對各類聲信號的圖像進(jìn)行分類，聲圖圖像可分成四類，即目標(biāo)圖像，海底地貌圖像，水體圖像和

25、干擾圖像。l 目標(biāo)圖像包括沉船、沉魚雷、礁石、海底管線、魚群及海水中各種礙航物和建筑物的圖像。 l 海底地貌圖像包括海底起伏形態(tài)圖像、海底底質(zhì)類型圖像、海底起伏和底質(zhì)混合圖像。海底起伏形態(tài)圖像如沙波、沙洲、溝槽、沙礫脊、沙丘、凹洼等形態(tài);海底底質(zhì)圖像如漂礫、沙帶、巖石等。l 水體圖像包括水體散射、溫度階層、尾流、海面反射等水體運(yùn)動形成的圖像。86 基于聲納圖像判讀海底地貌基于聲納圖像判讀海底地貌l 干擾圖像包括換能器基陣橫向、縱向和舶向產(chǎn)生搖擺的干擾圖像，海底和水體等的混響干擾圖像，各種電子儀器及交流電源產(chǎn)生噪聲的干擾圖像。 聲納圖像是海底目標(biāo)、海底地貌、水體和干擾等多種反射聲波的接收信號特征

26、的記錄，這些特征稱之為判讀特征，也稱判讀標(biāo)志。聲納圖像具有如下判讀特征： 形狀特征 ：是指某類圖像外部輪廓在聲圖上表現(xiàn)出的 形狀。 大小特征：是指在聲圖上的尺寸。 色調(diào)和顏色特征：色調(diào)特征是對黑白聲圖而言，彩色特征是對偽彩色聲圖而言。色調(diào)特征是指聲圖上所表示的灰階由深到淺的灰度。 陰影特征 ：是指目標(biāo)和地貌的高出海底面阻擋聲波照射的地段，在聲圖上表示為無灰度的小區(qū)域。 紋形特征 ：是指聲圖上強(qiáng)灰度的灰階形成的各種形態(tài)特征，如魚群的橢圓形態(tài)，燕尾形態(tài)；沙波的波狀形態(tài)等。 相關(guān)體特征 ：是指伴隨某類圖像同時出現(xiàn)的無固定紋形特征的相關(guān)圖像。如沉船圖像周圍必然伴隨有堆積和溝槽圖像。 一般可采用以下幾種

27、方法進(jìn)行判讀聲圖圖像： 直接判讀法：利用判讀特征，直接對一張聲圖圖 像判讀目標(biāo)和地貌。 對比判讀法：把粗掃測與掃測的聲圖進(jìn)行對照比較來判讀聲圖中的目標(biāo)和地貌。 鄰比判讀法：把兩掃測趟的重疊帶的圖像相拼，對照比較判讀目標(biāo)和地貌。 邏輯推理判讀法：根據(jù)掃測區(qū)的水體的情況、潮流和氣象等動力因素、海底底質(zhì)分布狀況、海區(qū)特點(diǎn)及海底地貌、海事資料，并結(jié)合掃測記錄，來判讀聲圖的目標(biāo)和地貌圖像。 影響判讀效果的因素是多方面的，當(dāng)各種判讀因素提供得充分時，判讀成功率高。影響判讀聲圖中的目標(biāo)和地貌成功率的主要因素有判讀人員對聲圖的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、特征的理解認(rèn)識程度、掃測記錄的詳盡程度、掃測符合規(guī)定要求情況、儀器狀態(tài)以

28、及聲圖圖像清晰程度等。下面給出兩張地貌聲圖供參閱。沉積巖褶皺形成的小盆地 沙礫海底上覆蓋的沙帶和沙波 利用聲納圖像除可以判斷目標(biāo)和海底地貌特征外，聲納圖像還可用于計算目標(biāo)的形狀、尺寸和深度等幾何參數(shù)。如： 海底目標(biāo)高度的確定垂直深度： 目標(biāo)靶高度： 目標(biāo)靶深度：目標(biāo)靶的水平距離： 海底底質(zhì)聲學(xué)特性一直是海洋地質(zhì)、水下工程地質(zhì)、海底礦產(chǎn)資源、海洋漁業(yè)和水下通訊等領(lǐng)域重要的研究內(nèi)容, 通過海底聲反射和聲散射等手段可以進(jìn)行海底底質(zhì)的聲學(xué)特征研究。 我國在海底底質(zhì)分類方面的研究程度還較低, 雖然近些年來引進(jìn)了多波束系統(tǒng), 獲得了大量的數(shù)據(jù)資料, 但仍然只利用了該系統(tǒng)的海底測深功能, 其底質(zhì)分類等功能的

29、技術(shù)潛力還沒有得到充分開發(fā)和利用。 近幾十年來,具代表性的海底聲學(xué)特性研究是美國學(xué)者Hamilton和BiotStoll的研究工作。Hamilton對海底沉積物的聲學(xué)特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究,提出了簡單且易于應(yīng)用的粘彈模型,并據(jù)收集到的數(shù)據(jù)資料總結(jié)出了大量的經(jīng)驗(yàn)公式。 87 基于聲納圖像劃分海底底質(zhì)類基于聲納圖像劃分海底底質(zhì)類型型 中國科學(xué)院聲學(xué)研究所研制并不斷改進(jìn)了海底表層底質(zhì)探測系統(tǒng), 多次在海上作了海底底質(zhì)分類工作, 獲得回波的8 種參數(shù)(反射系數(shù)、能量歸一系數(shù)、回波能量分布、回波間相關(guān)系數(shù)、包絡(luò)譜等) , 將航線上的底質(zhì)分為8 類, 即礁石、細(xì)砂、泥質(zhì)砂, 砂質(zhì)泥、泥和軟泥等。 受各方面條件

30、的限制，國內(nèi)對海底聲學(xué)底質(zhì)分類技術(shù)的研究大都僅限于基礎(chǔ)方面, 或是針對特定的海域, 或是針對特定的底質(zhì)類型, 研究的程度不高。 目前最典型的探測設(shè)備和軟件主要有美國NOARL 公司(Naval Oceanographic and Atmospheric Research Laboratory) 的ASCS、挪威Simrad的多波束產(chǎn)品TRITON 分類軟件和加拿大QTC 公司的QTC VIEW 等。 按照測量儀器獲得的海底聲納圖像的不同，海底分類常采用的方法有如下幾種：（1）剖面聲納、測深儀法 對用剖面聲納、測深儀法提取的聲學(xué)特征進(jìn)行下列5 種方法的計算和統(tǒng)計分析, 以進(jìn)行海底底質(zhì)分類。這5種

31、方法是反射系數(shù)；累積能量歸一曲線(取決于沉積物衰減系數(shù))；反射信號的時域波形特征(幅度分布統(tǒng)計、直方圖等)；反射信號的頻域特征；回波的屏間相關(guān)統(tǒng)計（2）側(cè)掃法 將用側(cè)掃法提取的聲學(xué)參數(shù)進(jìn)行以下3 種方法的計算和統(tǒng)計分析, 以進(jìn)行海底底質(zhì)的分類。這3種方法是回波強(qiáng)度的統(tǒng)計量(分位點(diǎn))；紋理特征提?。恍比肷浞聪蛏⑸鋸?qiáng)度與入射角的關(guān)系。（3）多波束法 將利用多波束方法提取的聲學(xué)特征進(jìn)行下列6 種方法的計算和分析, 以進(jìn)行海底底質(zhì)的分類。這3種方法是均值；分位數(shù)(Quartile)；標(biāo)準(zhǔn)偏差(Standard deviation)；對比度(Contrast)；頻譜；回波幅度的直方圖等；分形錐法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。綜合看來, 底質(zhì)分類的能力和效果不僅取決于所使用的聲納手段，還取決于分類算法。剖面聲納和測深聲納使用的都是正入射信號，回波中能更多地攜帶地層信息，能以較高的置信度推測沉積物的物理性質(zhì)，其中寬帶剖面聲納所得到的分類和特征估計的效果要好于普通測深儀所得到的效果。共同的缺點(diǎn)是所測得的信息只是換能器正下方的單點(diǎn)信息。 海底淺層剖面儀又稱次海底剖面儀，它是研究海底各層形態(tài)構(gòu)造和其厚度的有效工具，其工作原理與回聲測深儀相同。 淺地層剖面儀由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、換能器、記錄器、電源等組成。發(fā)射機(jī)受記錄器的控制，發(fā)射換能器周期性的向海底發(fā)射低頻超聲波脈沖，當(dāng)聲波遇到海底及其以下地層界面時，產(chǎn)生反射，返回信