[发明专利]多波束声纳回波图像地形校正方法

说明书

技术领域：

遥感技术与测绘学。

技术背景

多波束声纳系统不仅能获得水下测深数据，还能获得海底回波图像数据，后者是目前海底地质勘探的重要手段和途径。由于水下地形起伏、声纳波束倾斜发射开角等因素的共同影响，使得声纳回波强度发生改变，最终导致同质区域的回波图像表现出不同的回波强度，无法真实表达水下地物的声学反射特性。这将影响海底地质探测、海底地物分类等海底勘探的一系列技术问题。

本项发明基于多波束声纳获取的水下测深数据，计算声纳波束到达水底地形的入射角和声纳回波强度的关系，对多波束声纳回波图像进行地形校正，消除地形对回波图像的影响。本文的多波束声纳回波图像地形校正方法属于原创性研究，有关文献无相关报道。

发明内容

本项发明的目的在于针对已有技术存在的问题，提供一种回波图像地形校正方法，消除地形对回波图像的影响。

为达到上述发明目的，本发明的构思是：

本项发明基于多波束声纳获取的测深数据和回波图像，进行回波图像的地形校正方法。首先根据测深数据生成水下数字高程模型(DFM)，然后计算出回波图像中每个像元的波束入射角，然后根据入射角和回波图像像元回波强度的关系，进行回波图像的地形校正。

根据上述的发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种波束声纳回波图像地形校正方法，其特征在于：多波束声纳可以同时获得水下测深数据和回波图像。在地形起伏区域，声纳图像像元的回波强度受到地形的影响，造成同质区域回波图像表现出不同的回波强度。该回波强度的变化反映了地形对声纳图像的影响，因此可以通过多波束声纳同时获得的水下测深数据，将其转换为水下数字高程模型，然后计算回波图像中每个像元对应的波束入射角，建立回波图像信息与波束入射角之间定量关系的数理模型，对回波图像进行地形校正，消除地形对其的影响。

其具体操作步骤如下：

(1)在通过对多波束获取回波图像时，同时测取水下测深数据；

(2)输入研究区域的数字水下测深数据，根据其建立数字高程模型(DEM)；

(3)对回波图像和数字高程模型(DEM)进行配准；

(4)逐点计算回波图像上各点的波束入射角；

(5)计算任意波束入射倾斜地表时获取的回波强度；

(6)模拟波束垂直入射对应水平地表时获取的回波强度；

(7)根据(5)和(6)步骤，对回波图像进行地形校正；

(8)输出：地形校正后的回波图像；

以上所述步骤(4)中计算机逐点计算回波图像上各点的波束入射角计算方法如下：

设回波图像中某一像元P_i，j(i，j为像元在图像中的行列号，以下同)，波束入射角为：

cosi＝cosαcosθ+sinαsinθcos(β-ω)         (1)

(1)式中，α为坡度角，β为坡向角，它们可以利用多波束系统同步获取的水下测深数据计算得到。该像元对应的声纳波束入射高度角为θ；波束方位角为ω。对于垂直发射的中心波束，波束方位角为0°；其它倾斜发射的波束，其方位角分别为90°(右船舷)或180°(左船舷)。

(1)式中，声纳入射高度角θ由多波束系统的发射开角和水下的声速共同确定：

公式中，c₀和c_n分别为波束发射时和到达河床时对应的声速。

步骤(5)中计算任意波束入射倾斜地表时获取的回波强度的方法如下：

任意声纳波束到达倾斜地表的入射强度I_in为：

I_in＝I₀dAcosi/r²           (3)

式中，I₀为波束的发射声强，r为射程；dA表示波束照射的海底面积。

当声强入射到水下表面时，声强被粗糙的海底表面散射到各个方向。此时的后向散射声强I_out为

I_out＝usinλcosiI₀dA/r²    (4)

其中，I_out为后向散射强度，u为比例常数，λ是后向散射方向的方位角。假设声纳系统收发同置，则λ＝i。散射声强按原方向返回后，声纳获取的回波强度I_recived-T为：