深水多波束回波强度数据处理技术探讨

马金凤，罗伟东，刘胜旋，郭 军

(1.国土资源部海底矿产资源重点实验室，广东 广州 510075;2.广州海洋地质调查局，广东 广州510075)

0 引言

多波束回波强度(Multibeam Backscatter Strength)通常也称多波束反向散射强度或背向散射强度。多波束测深系统在进行多波束测深时，一般均同时记录接收信号的回波强度(金绍华等，2011)。

多波束脉冲信号在发射与接收过程中，由于多种因素(如海水介质的吸收与散射、声波的散射和混响、声能的球面扩散损失、海底沉积层对声波的吸收和海底地形起伏等)的影响，声波的强度逐渐减弱，并且换能器接收到的回波强度测量值一般不能直接反映真实的海底底质特征，因此必须对其进行处理(赵建虎等，2008)。

国内外学者虽然对回波强度数据的处理已进行过广泛研究，但多数是用自研数学模型进行1种或者2种类型的校正，并无用规范软件多种校正同时处理的先例。不同类型的声纳系统各有其特性，EM 122多波束系统具有较高的定位和测深精度，可获得高精度地理参考系下的局部曲面，从而利用测深时采集到的所有信息进行真实掠射角的计算。在地形变化复杂水域，底质分类多采用多波束声呐图像。

处理后的数据不但可用于分析和解释海底地貌，也可用于反演海底底质类型及其分布状况或者水下目标识别方面的研究。为此，以EM122多波束声纳系统采集的数据为例，详细探讨应用CARIS多波束处理软件对某水深在5 000 m范围多波束作业区的背向散射数据的处理方法。

1 EM 122回波强度记录方式及特点

EM 122多波束测深系统在资料采集阶段对回波强度信号的处理与对测深信号的处理一样，均经过了一些必要的参数改正，例如每一个测深波束点均经过探头偏移距改正、姿态改正、声速剖面改正，最后给每一个波束点均赋予经纬度坐标及水深值。同样，EM系统对每一个波束点的回波强度也进行了一些必要改正，例如声学信号的传播损失改正(TVG)、声线弯曲改正、入射角改正等，每个波束均获得了1个与水深值对应的回波强度值(孙文川等，2011)。现场采集资料未进行海底地形起伏、中央波束镜面反射区、波束照射区面积对回波强度的影响等改正。

样例数据位于太平洋某深海区，属大型断块状隆起，主要由相对独立的平顶海山构成，海山顶面最浅水深为800～1 500 m，邻近深海盆地水深为5 000～6 500 m。火山基底之上的沉积物主要有早白垩世—古新世的生物礁灰岩、泥岩等，始新世—早中新世的有孔虫灰岩及古近纪—全新世的有孔虫砂、软泥等硅质、泥质沉积物，沉积物厚度不等。据浅层剖面测量资料显示，海山顶面松散沉积物厚度可达80～100 m。测线的布设为东西平行走向。

2 CARIS处理回波强度数据

2.1 处理流程

CARIS是一个综合水深、海底影像、水体数据的处理软件，可以同时处理多波束、背向散射、侧扫声纳、雷达和单波束，支持超过40种行业标准的声纳数据格式。CARIS对于多波束回波强度数据的处理使用Geocoder模块，主要在现场改正的基础上进行优化去噪处理(Beaudoin et al，2002;Dufek，2012)。

图1 CARIS处理背向散射数据模块Fig.1 Module of processing backscattered data using CARIS software

在处理前，必须对测线数据进行网格化处理，将离散的回波强度数据网格化成规则的数据，以便于计算机显示与处理。网格化间距由程序根据波束脚印的大小、数据密度自动设置。图2为1条测线的局部数据，水深约5 200 m，回波强度的网格化间距约50 m(图3a)。

图2 水深地形图(网格间距：50 m)Fig.2 Topographic map of water depth(grid spacing 50 m)

2.2 时变增益改正

声波在传播过程中的损失包括波的球面扩展损失与传播介质的吸收损失。为了消除传播损失对海底介质散射的影响，需要对衰减引起的信号进行补偿。结合缺省的水体声衰减参数以及声线传播路径，多波束系统在资料采集时应用变增益TVG函数补偿，消除传播损失对回波强度的影响，保证回波的原有水平。数据后处理时，应用实际测得的声波衰减系数进行数据改正，如无实测声波衰减系数，则利用原有声波衰减系数重新进行处理(唐秋华等，2006;金绍华等，2010)。改正效果如图3b所示。

图3 多波束回波强度各种改正后的效果图(a—d网格化间距约50 m)Fig.3 Results of corrected multibeam backscatter strength(a－d grid spacing about 50 m)

2.3 角变增益改正

角变增益改正即入射角改正。回波强度与入射角的关系如图4(金绍华等，2014)。对于底质均匀单一的平坦海底区域，在入射角为0°的中央波束附近，由于波束近似垂直发射、垂直接收，系统接收到的主要是反射信号，而非反映海底沉积特征的散射信号，因此在中央波束附近区域经常存在1条与航迹线一致的高回波强度条带(Hammerstad，2000;Kongsberg Maritime AS，2004)。随着入射角的增大，回波强度逐渐变弱。在数据后处理时，角变增益改正有3种改正模式：平坦、趋势与自适应，主要是对现场入射角改正残余量进行优化去除。示例采用平坦模式，改正效果如图3c。

图4 回波强度与波束入射角的关系Fig.4 Relationship between backscatter strength and incident angle of beam

2.4 去噪

滤波器的滤波强度有4个等级：弱、中等、强与超强。滤波器在滤除白噪声方面有很好的特性，它能有效地降低回波强度值中出现的与周围像素点在强度上有明显差的孤立像素噪声，同时可以很好地保护散射强度值的细节信息，获得高质量的回波强度信息(Lurton et al，1994;Hellequin et al，2003)。改正效果如图3d。

3 灰度量化与拼接镶嵌

由于多波束系统获得的回波强度数据单位为分贝(dB)，多波束回波强度的变化范围取决于海底的地貌特征、地质类型和多波束系统，为了将回波强度值以影像的方式表现，必须将海底回波强度值向灰度级别进行量化处理，形成海底回波强度影像。

灰度量化的方法选择决定了镶嵌图的好坏。量化方法包括分层量化、均匀量化和非均匀量化：分层量化是把每一个离散样本的连续灰度值只分成有限多的层次，均匀量化是把原图像灰度层次从最暗至最亮均匀分为有限个层次，如果采用不均匀分层为非均匀量化。当图像的采样点数一定时，采用不同量化级数的图像质量不一样：量化级数越多，图像质量越好;量化级数越少，图像质量越差;量化级数小的极端情况就是二值图像。

灰度量化的选择决定声纳镶嵌图的好坏。由于示例区域回波强度值范围较小，灰度图像明暗对比度不理想，为了能更好地进行底质分类工作，采用均匀量化的方法。灰度量化的计算方法：分别从每条测线网格数据中读取回波强度数据的最大值Valmax与最小值Valmin，采用0～255范围灰度级，将回波强度值转化为灰度值(张会娟，2012)。计算公式如下：

式(1)中，Val是某一文件的回波强度值，Scale为该文件的灰度因子，G为回波强度数据的灰度值。在程序中一般取整函数将非整数的计算灰度值转换成整数灰度值，以适应绘图程序的读写要求。

由于分别对每一条测线进行灰度量化处理，量化后的灰度值能够最佳匹配该文件的回波强度范围，因此灰度影像亮度适中、对比度清晰明显，非常有利于对影像的判读研究。但由于每条测线的回波强度数据最大值与最小值均不尽相同，会导致测线与测线之间的灰度因子也不尽相同，从而造成影像的灰度出现差异(图5)，给解译带来不便。为解决这种问题，可以对全区所有的测线采用1个统一的灰度因子，并将所有的测线影像按照一定的原则镶嵌成1个整体影像，实现统一量化处理。但统一量化有2个问题值得注意：一是统一量化后影像的对比度有所下降，发灰、发白，不利于解释;另一点是要避免质量差的影像数据对质量好的影像数据的影响。

影像镶嵌主要用于全覆盖测线相邻测线的统一拼接，以获得统一量化、亮度与对比度均匀的回波强度影像，利于解译与进一步的底质识别处理。镶嵌后的结果如图6所示。

4 结论

应用CARIS软件的Geocoder模块对多波束回波强度数据的规范化流程处理方法，探讨了没有进行地形改正的回波强度数据使用均值化回波强度的图像镶嵌方法的灰度量化方法。通过对实测数据的处理，验证了方法的有效性，大大改善了多波束回波强度数据处理的效果，为多波束水下目标识别和海底底质分类研究提供准确、表述清晰的基础数据。

图5 镶嵌前影像Fig.5 Image before mosaicing

图6 镶嵌后影像Fig.6 Image after mosaicing

如果将海底摄像资料以及取样资料作为底质类型的先验数据，结合测定底质样品的物理及土工参数，建立回波强度与底质类型之间的定量关系，则可以更加准确地反演底质类型。

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