基于擺動(dòng)式單波束微地形探測的高程異常值剔除算法研究

1、更多電子資料請(qǐng)登錄賽微電子網(wǎng)基于擺動(dòng)式單波束微地形探測的高程異常值剔除算法研究* 羅柏文1 夏毅敏2 卜英勇2 周知進(jìn)1 (1. 湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 湘潭 411201; 2. 中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 長沙 410083)摘 要: 針對(duì)擺動(dòng)式單波束探測水下微地形出現(xiàn)的高程異常值, 提出一種剔除異常值的新算法。首先根據(jù)擺動(dòng)式單波束的探測原理以及與多波束探測的等價(jià)性采用數(shù)據(jù)加窗法, 其中Z方向窗口尺寸通過3s 準(zhǔn)則確定, X、Y方向窗口尺寸依據(jù)地形變化坡度小于45o的經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則。然后利用反射回波與散射回波在能量上的差異確定起始加窗點(diǎn); 加窗點(diǎn)采用實(shí)測點(diǎn), 并要求起始加窗點(diǎn)盡可能靠近一條測線上

2、實(shí)測點(diǎn)的高程均值。在擺動(dòng)式單波束探測裝置探測隨機(jī)微地形中, 其結(jié)果表明該算法能成功剔除高程異常值。關(guān)鍵詞: 單波束；微地形；高程異常值；加窗；能量中圖分類號(hào): TB559文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)科分類代碼: 420.5050Study on algorithm of eliminating exceptional elevation value based on micro-terrain detection with pendulum single beamLuo Bowen1 Xia Yimin2 Bu Yingyong2 Zhou Zhijin1(1. College of Mecha

3、nical and Electrical Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China; 2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)Abstract: Aiming at the pendulum single beam bathymeter used to explore underwater micro-terrain

4、 appears exceptional elevation value, a new algorithm is proposed. First of all, the data windowing method is used under single-beam pendulum detection principle and multi-beam detection of equivalence, in which the window size of Z direction is determined through the 3s criteria, the window size of

5、 X and Y direction is given based on the experience criteria of terrain slope less than 45º. Then, using the difference between reflection echo and scattering echo in the energy the starting windowed point is determined. Actual detection data are used as the windowed point, and near mean value

6、of actual detected points as far as possible is used as the starting windowed point. The detection results of random micro-terrain in the pendulum single beam bathymeter show that the algorithm can successfully remove the exceptional elevation value. Keywords: single beam; micro-terrain; exceptional

7、 elevation value; windowed; energy1 引 言在研究深海鈷結(jié)殼微地形探測方法中, 采用擺動(dòng)式單波束探測和振幅相關(guān)檢測法進(jìn)行信號(hào)處理, 能夠達(dá)到鈷結(jié)殼微地形探測實(shí)時(shí)性要求。但是超聲信號(hào)因掠射角、底質(zhì)特性、外界噪聲等干擾因素的影響, 其反射回波會(huì)遠(yuǎn)離水聲換能器的接收位置, 只能接收到探測點(diǎn)的散射回波。當(dāng)探測點(diǎn)的散射回波隱藏在干擾因素造成的回波中時(shí), 利用振幅相關(guān)法檢測到的最大相關(guān)值有可能不是探測點(diǎn)真實(shí)回波產(chǎn)生的, 這樣不可避免地導(dǎo)致高程異常值的出現(xiàn)1-4。高程異常值是造成嚴(yán)重“偽”地形的首要因素, 因此有必要對(duì)其剔除。吳英姿博士處理H/HCS-017型條帶測深儀獲得

8、的水深數(shù)據(jù), 依據(jù)地形變化的坡度小于45º的經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則5。擺動(dòng)式單波束探測與多波束探測的工作原理不同, 但它通過水聲換能器的擺動(dòng)使之達(dá)到橫向大扇區(qū)、全覆蓋的窄帶探測, 并且水聲換能器本身的高指向性等價(jià)于多波束的預(yù)成波束, 因此該經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則也適合于擺動(dòng)式單波束探測2。本文依據(jù)該準(zhǔn)則, 根據(jù)擺動(dòng)式單波束探測原理和振幅相關(guān)檢測法工作特點(diǎn), 提出了一種新的高程異常值剔除算法。由實(shí)驗(yàn)證明, 該算法能成功剔除高程異常值。2 擺動(dòng)式單波束探測簡述圖1是擺動(dòng)式單波束探測裝置的XOZ截面示意圖。由收發(fā)一體水聲換能器發(fā)射出頻率為500 kHz、波束角b =1.5º的超聲波照射到水底面, 當(dāng)碰到底面

9、時(shí)產(chǎn)生反射或散射回波信號(hào)。信號(hào)接收系統(tǒng)在超聲波發(fā)射的同時(shí)進(jìn)入工作狀態(tài), 接收發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)。當(dāng)接收完一個(gè)探測點(diǎn)的回波信號(hào)后, 由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)水聲換能器以1º的等間隔繞擺動(dòng)中心轉(zhuǎn)動(dòng)角度, 進(jìn)行下一次探測。并在水聲換能器工作的同時(shí), 探測裝置一直沿著導(dǎo)軌前進(jìn)。最后由發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)進(jìn)行振幅相關(guān)性分析獲得探測點(diǎn)高程數(shù)據(jù)。圖1 擺動(dòng)式單波束探測裝置示意圖Fig.1 Sketch map of pendulum single beam bathymeter振幅相關(guān)檢測算法如下6-8: 假設(shè)發(fā)射信號(hào)時(shí)序函數(shù)為, 回波信號(hào)時(shí)序函數(shù)為, D為采樣間隔, h為發(fā)射信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù), x 為回波信號(hào)采

10、樣點(diǎn)數(shù)。根據(jù)廣義平穩(wěn)隨機(jī)序列的互相關(guān)函數(shù)可得(1)式中: s為時(shí)延數(shù), 當(dāng)s=DT時(shí), p(t)與q(t)具有最大相關(guān)性。那么p(t)與q(t)的互相關(guān)函數(shù)無偏估計(jì)表達(dá)式為(2)式中: 。設(shè)采樣容量N=h, 時(shí)延數(shù), , 則式(2)離散序列表達(dá)式為(3)式中: , 由式(3)獲取互相關(guān)函數(shù)最大值所對(duì)應(yīng)的信號(hào)延時(shí)來確定DT。再由DT計(jì)算出水聲換能器到探測點(diǎn)的距離: (4)式中: V為水中聲速。最后在XOZ截面內(nèi), 以擺動(dòng)中心為坐標(biāo)原點(diǎn), 第k個(gè)探測點(diǎn)對(duì)應(yīng)的X坐標(biāo)和Z坐標(biāo)分別為 (5)式中: , H為水聲換能器板面到擺動(dòng)中心的距離, q 為水聲換能器繞擺動(dòng)中心擺動(dòng)的角度。假設(shè)微地形高程參考值為,

11、則第k個(gè)探測點(diǎn)的高程值為(6)另外, 在不增加任何硬件情況下, 利用振幅相關(guān)檢測法計(jì)算高程值的同時(shí), 可獲得相應(yīng)探測點(diǎn)的回波能量7-8: (7)式中: g就是p(t)與q(t)具有最大相關(guān)性時(shí)s的時(shí)延數(shù)。3 高程異常值剔除算法3.1 高程參考值確定1) 將X方向測點(diǎn)的探測距離代入式(5), 計(jì)算出第j 條測線上測點(diǎn)的X、Z坐標(biāo)值。設(shè)擺動(dòng)中心為坐標(biāo)原點(diǎn), 則zi,j都為負(fù)值。i表示X方向的測點(diǎn)序列, j表示Y方向的測點(diǎn)序列。2) Z坐標(biāo)值的均值mz與均方差sz: (8)(9)理論上應(yīng)采用Min(zi,j)作為,但Min(zi,j)有可能是異常值。根據(jù)3s 準(zhǔn)則, 的概率為95.45%。當(dāng), 則取

12、Min(zi,j); 否則, 取。3.2 X方向數(shù)據(jù)窗尺寸確定設(shè)同一測線上兩相鄰測點(diǎn)在Z方向的坐標(biāo)值為zi,j、zi+1,j, 其對(duì)應(yīng)的擺角為qi、qi+1, 依據(jù)地形變化的坡度小于45º的經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則, zi,j、zi+1,j應(yīng)滿足: (10)式中: m為冗余量系數(shù), 則Max(m)m(11)令 XCH=m, 則設(shè)定X方向數(shù)據(jù)窗寬為XCH, 窗高為2XCH。3.3 Y方向數(shù)據(jù)窗尺寸確定Y方向代表擺動(dòng)式單波束探測裝置的行進(jìn)方向。假設(shè)行進(jìn)速度為v, 水聲換能器擺動(dòng)周期為T, 沿Y方向的相鄰探測點(diǎn)的坐標(biāo)值z(mì)i,j+1、zi,j應(yīng)滿足: (12)式中: m為冗余量系數(shù)。令YCH=, 則設(shè)定Y方

13、向數(shù)據(jù)窗寬為YCH。3.4 回波能量閾值確定由于導(dǎo)致高程異常值產(chǎn)生以掠射角、底質(zhì)特性、外界噪聲為主, 一條測線所對(duì)應(yīng)的被測地形, 因其范圍極小, 其底質(zhì)特性可認(rèn)為是均質(zhì); 而掠射角受微地形隨機(jī)起伏影響, 無規(guī)律可循, 即使水聲換能器擺角為0º 時(shí)探測的高程值也會(huì)出現(xiàn)異常, 由此在數(shù)據(jù)加窗判別高程異常值中恒定選取正常的高程值作為起始加窗點(diǎn)是一個(gè)難題。一般來說, 如果水聲換能器接收到探測點(diǎn)的回波是反射回波, 則認(rèn)為其高程值是正常的; 而散射回波容易受外界因素干擾, 需要借助其他方法判斷其高程值的正確性。故利用回波能量這一特點(diǎn)參與到數(shù)據(jù)加窗中實(shí)現(xiàn)起始加窗點(diǎn)的選取工作。但是反射回波與散射回波

14、沒有明確的界限。為提高數(shù)據(jù)加窗判別的準(zhǔn)確性, 計(jì)算每條測線上的回波能量的平均值mW: (13)式中: n為測線上的測點(diǎn)數(shù), W為測點(diǎn)的回波能量值; 將mW設(shè)為閾值, 認(rèn)為回波能量低于該閾值時(shí), 其對(duì)應(yīng)測點(diǎn)的高程值可能會(huì)出現(xiàn)異常。3.5 異常值判別步驟1) 將坐標(biāo)值z(mì)i,j排序, 以接近均值mz為原則, 由此將最接近均值mz的坐標(biāo)值作為起始加窗點(diǎn); 2) 引入回波能量, 若起始加窗點(diǎn)的回波能量不低于平均值mW, 則以該點(diǎn)為中心向其測線兩邊的坐標(biāo)值依次加窗判別; 反之, 則將僅次于它接近均值mz的坐標(biāo)值作為起始加窗點(diǎn), 重新引入回波能量進(jìn)行判別, 依次類推; 3) 以加窗點(diǎn)zi,j為窗口中心, 當(dāng)

15、zi-1,j與zi+1,j都不在窗口內(nèi), 則認(rèn)為zi,j為異常值, 并剔除; 當(dāng)zi-1,j或zi+1,j在窗口內(nèi), 則借助Y方向數(shù)據(jù)窗口進(jìn)行判斷, 若不滿足式(12)則認(rèn)為zi,j為異常值, 并剔除。其他情況可認(rèn)為zi,j是正常值; 4) 加窗處理后的坐標(biāo)值z(mì)i,j由式(6)轉(zhuǎn)化為高 程值。4 應(yīng) 用 利用擺動(dòng)式單波束探測裝置對(duì)隨機(jī)微地形進(jìn)行探測, 表1和表2分別為6條測線上的探測距離和回表1 隨機(jī)微地形探測距離/mmTable 1 Detecting distance of random micro-Terrain/mm序號(hào)12345611 585.31 223.91 522.81 520

16、.71 570.71 565.621 585.31 522.31 522.71 573.01 569.31 564.131 577.41 515.21 515.41 509.51 572.31 568.641 574.51 516.61 513.61 512.61 564.11 562.151 564.71 507.51 509.11 555.61 566.71 530.161 564.91 507.51 514.11 552.41 553.31 539.671 555.31 501.01 501.01 548.41 552.01 548.281 563.21 499.41 497.91 54

17、7.31 547.51 500.491 565.71 499.21 499.31 550.61 552.81 498.8101 565.71 559.91 556.11 551.91 549.41 484.0111 565.21 556.91 504.21 550.31 547.91 484.0121 563.21 506.11 506.11 504.81 544.81 486.4131 561.51 558.91 507.91 506.91 544.61 485.1141 568.51 559.41 506.51 544.31 544.81 482.9151 565.61 558.31 55

18、5.41 551.11 554.41 487.1161 567.31 559.81 555.61 350.81 528.91 544.0171 570.71 565.41 519.71 513.81 496.11 541.1181 574.41 568.91 567.41 510.61 496.51 523.2191 576.11 573.51 573.51 571.01 562.81 558.9201 613.81 612.31 574.91 572.51 608.31 580.2波能量數(shù)據(jù)。表3是由上述算法(m=1.2, v=50 mm/s, T=2s)處理的各測線參數(shù)值, 處理結(jié)果生成圖

19、形, 由圖2圖7所示。從圖中可看出, 高程異常值被成功剔除。表2 隨機(jī)微地形回波能量/V2·msTable 2 Echo energy of random micro-terrain/V2·ms序號(hào)12345616.494.5684.3514.9386.6621.1828.755.0883.5717.3075.2915.65333.9542.2543.656.9930.7118.40487.1559.03171.2240.26104.4516.84544.5652.0954.2022.5965.4713.93624.8811.1128.399.2743.4618.10727

20、.93366.0517.998.1789.5017.87832.29342.19137.8142.8859.3452.85997.3920.8471.5547.8418.4730.111084.3530.8268.66436.27180.3711.5911604.7054.5078.31237.28122.7130.0412666.4948.09564.6545.3022.3345.7113102.5621.35538.1833.1857.74124.0614265.9815.0530.7517.01120.4815.2715189.42128.58112.5330.5224.2936.241

21、6103.2524.4620.174.5020.578.051724.4549.3018.8619.5018.0036.461823.9171.4220.5728.8964.4511.361981.2540.8543.0812.9213.6028.452023.4051.7524.63123.5712.0213.89表3 各測線處理后的具體參數(shù)Table 3 Parameter of each disposed detected line測 線123456mW /V2·ms126.6671.97110.6659.9661.5028.30/mm1712.31723.31691.0168

22、9.21719.41691.7XCH /mm36.937.136.436.437.036.4YCH /mm60.060.060.060.060.060.0圖2 第1條測線處理前后對(duì)比Fig. 2 Fore-and-aft contrast of the first detected line圖3 第2條測線處理前后對(duì)比Fig. 3 Fore-and-aft contrast of the second detected line圖4 第3條測線處理前后對(duì)比Fig. 4 Fore-and-aft contrast of the third detected line圖5 第4條測線處理前后對(duì)比F

23、ig. 5 Fore-and-aft contrast of the fourth detected line圖6 第5條測線處理前后對(duì)比Fig. 6 Fore-and-aft contrast of the fifth detected line圖7 第6條測線處理前后對(duì)比Fig. 7 Fore-and-aft contrast of the sixth detected line5 結(jié) 論本文針對(duì)擺動(dòng)式單波束探測出現(xiàn)的高程異常值導(dǎo)致嚴(yán)重“偽”地形進(jìn)行異常值剔除算法研究。首先從擺動(dòng)式單波束探測方法和振幅相關(guān)檢測法的特點(diǎn)分析高程異常值產(chǎn)生的原因, 并根據(jù)擺動(dòng)式單波束探測與多波束探測的等價(jià)性提出

24、采用數(shù)據(jù)加窗法。加窗法中Z方向窗口尺寸通過3s 準(zhǔn)則確定, X、Y方向窗口尺寸依據(jù)地形變化坡度小于45º的經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則。然后為了進(jìn)一步提高異常值剔除的準(zhǔn)確性, 利用反射回波與散射回波在能量上的差異確定起始加窗點(diǎn); 加窗點(diǎn)采用實(shí)測點(diǎn), 并要求起始加窗點(diǎn)盡可能靠近一條測線上實(shí)測點(diǎn)的高程均值。最后由隨機(jī)微地形探測實(shí)驗(yàn)證明, 該算法能成功剔除高程異常值。參考文獻(xiàn): 1 趙海鳴,卜英勇,等.擺動(dòng)式單波束超聲波水下微地形探測J. 中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2007, 38(5): 932-936.ZHAO H M, BU Ying-yong, et al. Detection of seabed

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26、gsha: Central South University, 2006: 11-28.3 YAMAZAKI T, SHARMA R. Morphological features of co-rich manganese deposits and their relation to seabed slopesJ. Marine Georesources & Geotech-nology. 2000, 18(1): 43-76.4 趙海鳴,卜英勇. 一種高精度超聲波測距方法的研究J. 湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2006, 21(3): 35-38.ZHAO H M, BU Y Y

27、, et al. Study on the ultrasonic distance measurement method with high precisionJ. Journal of Hunan University of Science & Technology: Natural Science Edition, 2006, 21(3): 35-38.5 吳英姿.多波束測深系統(tǒng)地形跟蹤與數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究D. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2001: 96-101.WU Y Z. Study on technology of multi-beam bathymetric system

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29、ersity, 2006: 24-31.7 羅柏文,卜英勇. 基于能量相關(guān)搜索法的海底鈷結(jié)殼微地形探測方法研究J. 礦冶工程, 2007, 1: 21-24.LUO B W, BU Y Y. Exploration method for tiny terrain of seabed cobalt crust based on energy relativity searchJ. Mining and Metallurgical Engineering, 2007, 1: 21-24.8 張曉東, 高波. 互相關(guān)函數(shù)法在聲學(xué)測溫技術(shù)中的應(yīng)用研究J. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2003, 23(4) :

30、 185-188.ZHANG X D, GAO B. The research of acoustic measuring of gas temperature employing cross-correlation algorithmJ. Proceedings of the Csee. 2003, 23 (4): 185-188.作者簡介: 羅柏文: 男, 1975年出生, 湖南茶陵縣人, 2003年于中南大學(xué)獲得碩士學(xué)位, 2008年于中南大學(xué)獲得博士學(xué)位, 現(xiàn)為湖南科技大學(xué)講師, 主要研究方向?yàn)樯詈２傻V裝備技術(shù)及理論。Email: luobowLuo Bowen: male, born in 1975. He received MS and PhD both from Central South University in 2003 and 2008, respectively. Now he is a lecturer at Hu