1、更多電子資料請登錄賽微電子網基于擺動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1 (1. 湖南科技大學機電工程學院, 湘潭 411201; 2. 中南大學機電工程學院, 長沙 410083)摘 要: 針對擺動式單波束探測水下微地形出現的高程異常值, 提出一種剔除異常值的新算法。首先根據擺動式單波束的探測原理以及與多波束探測的等價性采用數據加窗法, 其中Z方向窗口尺寸通過3s 準則確定, X、Y方向窗口尺寸依據地形變化坡度小于45o的經驗準則。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; 加窗點采用實測點, 并要求起始加窗點盡可能靠近一條測線上

2、實測點的高程均值。在擺動式單波束探測裝置探測隨機微地形中, 其結果表明該算法能成功剔除高程異常值。關鍵詞: 單波束；微地形；高程異常值；加窗；能量中圖分類號: TB559文獻標識碼: A國家標準學科分類代碼: 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 45. 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 of act

6、ual 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 eleva

7、tion value; windowed; energy1 引 言在研究深海鈷結殼微地形探測方法中, 采用擺動式單波束探測和振幅相關檢測法進行信號處理, 能夠達到鈷結殼微地形探測實時性要求。但是超聲信號因掠射角、底質特性、外界噪聲等干擾因素的影響, 其反射回波會遠離水聲換能器的接收位置, 只能接收到探測點的散射回波。當探測點的散射回波隱藏在干擾因素造成的回波中時, 利用振幅相關法檢測到的最大相關值有可能不是探測點真實回波產生的, 這樣不可避免地導致高程異常值的出現1-4。高程異常值是造成嚴重“偽”地形的首要因素, 因此有必要對其剔除。吳英姿博士處理H/HCS-017型條帶測深儀獲得的水深數據,

8、 依據地形變化的坡度小于45的經驗準則5。擺動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使之達到橫向大扇區、全覆蓋的窄帶探測, 并且水聲換能器本身的高指向性等價于多波束的預成波束, 因此該經驗準則也適合于擺動式單波束探測2。本文依據該準則, 根據擺動式單波束探測原理和振幅相關檢測法工作特點, 提出了一種新的高程異常值剔除算法。由實驗證明, 該算法能成功剔除高程異常值。2 擺動式單波束探測簡述圖1是擺動式單波束探測裝置的XOZ截面示意圖。由收發一體水聲換能器發射出頻率為500 kHz、波束角b =1.5的超聲波照射到水底面, 當碰到底面時產生反射或散射回波信號。信號接收系

9、統在超聲波發射的同時進入工作狀態, 接收發射信號和回波信號。當接收完一個探測點的回波信號后, 由步進電機驅動水聲換能器以1的等間隔繞擺動中心轉動角度, 進行下一次探測。并在水聲換能器工作的同時, 探測裝置一直沿著導軌前進。最后由發射信號與回波信號進行振幅相關性分析獲得探測點高程數據。圖1 擺動式單波束探測裝置示意圖Fig.1 Sketch map of pendulum single beam bathymeter振幅相關檢測算法如下6-8: 假設發射信號時序函數為, 回波信號時序函數為, D為采樣間隔, h為發射信號采樣點數, x 為回波信號采樣點數。根據廣義平穩隨機序列的互相關函數可得(1

10、)式中: s為時延數, 當s=DT時, p(t)與q(t)具有最大相關性。那么p(t)與q(t)的互相關函數無偏估計表達式為(2)式中: 。設采樣容量N=h, 時延數, , 則式(2)離散序列表達式為(3)式中: , 由式(3)獲取互相關函數最大值所對應的信號延時來確定DT。再由DT計算出水聲換能器到探測點的距離: (4)式中: V為水中聲速。最后在XOZ截面內, 以擺動中心為坐標原點, 第k個探測點對應的X坐標和Z坐標分別為 (5)式中: , H為水聲換能器板面到擺動中心的距離, q 為水聲換能器繞擺動中心擺動的角度。假設微地形高程參考值為, 則第k個探測點的高程值為(6)另外, 在不增加任

11、何硬件情況下, 利用振幅相關檢測法計算高程值的同時, 可獲得相應探測點的回波能量7-8: (7)式中: g就是p(t)與q(t)具有最大相關性時s的時延數。3 高程異常值剔除算法3.1 高程參考值確定1) 將X方向測點的探測距離代入式(5), 計算出第j 條測線上測點的X、Z坐標值。設擺動中心為坐標原點, 則zi,j都為負值。i表示X方向的測點序列, j表示Y方向的測點序列。2) Z坐標值的均值mz與均方差sz: (8)(9)理論上應采用Min(zi,j)作為,但Min(zi,j)有可能是異常值。根據3s 準則, 的概率為95.45%。當, 則取Min(zi,j); 否則, 取。3.2 X方向

12、數據窗尺寸確定設同一測線上兩相鄰測點在Z方向的坐標值為zi,j、zi+1,j, 其對應的擺角為qi、qi+1, 依據地形變化的坡度小于45的經驗準則, zi,j、zi+1,j應滿足: (10)式中: m為冗余量系數, 則Max(m)m(11)令 XCH=m, 則設定X方向數據窗寬為XCH, 窗高為2XCH。3.3 Y方向數據窗尺寸確定Y方向代表擺動式單波束探測裝置的行進方向。假設行進速度為v, 水聲換能器擺動周期為T, 沿Y方向的相鄰探測點的坐標值zi,j+1、zi,j應滿足: (12)式中: m為冗余量系數。令YCH=, 則設定Y方向數據窗寬為YCH。3.4 回波能量閾值確定由于導致高程異常

13、值產生以掠射角、底質特性、外界噪聲為主, 一條測線所對應的被測地形, 因其范圍極小, 其底質特性可認為是均質; 而掠射角受微地形隨機起伏影響, 無規律可循, 即使水聲換能器擺角為0 時探測的高程值也會出現異常, 由此在數據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是一個難題。一般來說, 如果水聲換能器接收到探測點的回波是反射回波, 則認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參與到數據加窗中實現起始加窗點的選取工作。但是反射回波與散射回波沒有明確的界限。為提高數據加窗判別的準確性, 計算每條測線上的回波能量的

14、平均值mW: (13)式中: n為測線上的測點數, W為測點的回波能量值; 將mW設為閾值, 認為回波能量低于該閾值時, 其對應測點的高程值可能會出現異常。3.5 異常值判別步驟1) 將坐標值zi,j排序, 以接近均值mz為原則, 由此將最接近均值mz的坐標值作為起始加窗點; 2) 引入回波能量, 若起始加窗點的回波能量不低于平均值mW, 則以該點為中心向其測線兩邊的坐標值依次加窗判別; 反之, 則將僅次于它接近均值mz的坐標值作為起始加窗點, 重新引入回波能量進行判別, 依次類推; 3) 以加窗點zi,j為窗口中心, 當zi-1,j與zi+1,j都不在窗口內, 則認為zi,j為異常值, 并剔

15、除; 當zi-1,j或zi+1,j在窗口內, 則借助Y方向數據窗口進行判斷, 若不滿足式(12)則認為zi,j為異常值, 并剔除。其他情況可認為zi,j是正常值; 4) 加窗處理后的坐標值zi,j由式(6)轉化為高 程值。4 應 用 利用擺動式單波束探測裝置對隨機微地形進行探測, 表1和表2分別為6條測線上的探測距離和回表1 隨機微地形探測距離/mmTable 1 Detecting distance of random micro-Terrain/mm序號12345611 585.31 223.91 522.81 520.71 570.71 565.621 585.31 522.31 522

16、.71 573.01 569.31 564.131 577.41 515.21 515.41 509.51 572.31 568.641 574.51 516.61 513.61 512.61 564.11 562.151 564.71 507.51 509.11 555.61 566.71 530.161 564.91 507.51 514.11 552.41 553.31 539.671 555.31 501.01 501.01 548.41 552.01 548.281 563.21 499.41 497.91 547.31 547.51 500.491 565.71 499.21 49

17、9.31 550.61 552.81 498.8101 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 565.61 558.31 555.41 551.11 554.41 487.1161 567.31 5

18、59.81 555.61 350.81 528.91 544.0171 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波能量數據。表3是由上述算法(m=1.2, v=50 mm/s, T=2s)處理的各測線參數值, 處理結果生成圖形, 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 隨機微

19、地形回波能量/V2msTable 2 Echo energy of random micro-terrain/V2ms序號12345616.494.5684.3514.9386.6621.1828.755.0883.5717.3075.2915.65333.9542.2543.656.9930.7118.40487.1559.03171.2240.26104.4516.84544.5652.0954.2022.5965.4713.93624.8811.1128.399.2743.4618.10727.93366.0517.998.1789.5017.87832.29342.19137.8142

20、.8859.3452.85997.3920.8471.5547.8418.4730.111084.3530.8268.66436.27180.3711.5911604.7054.5078.31237.28122.7130.0412666.4948.09564.6545.3022.3345.7113102.5621.35538.1833.1857.74124.0614265.9815.0530.7517.01120.4815.2715189.42128.58112.5330.5224.2936.2416103.2524.4620.174.5020.578.051724.4549.3018.861

21、9.5018.0036.461823.9171.4220.5728.8964.4511.361981.2540.8543.0812.9213.6028.452023.4051.7524.63123.5712.0213.89表3 各測線處理后的具體參數Table 3 Parameter of each disposed detected line測 線123456mW /V2ms126.6671.97110.6659.9661.5028.30/mm1712.31723.31691.01689.21719.41691.7XCH /mm36.937.136.436.437.036.4YCH /mm6

22、0.060.060.060.060.060.0圖2 第1條測線處理前后對比Fig. 2 Fore-and-aft contrast of the first detected line圖3 第2條測線處理前后對比Fig. 3 Fore-and-aft contrast of the second detected line圖4 第3條測線處理前后對比Fig. 4 Fore-and-aft contrast of the third detected line圖5 第4條測線處理前后對比Fig. 5 Fore-and-aft contrast of the fourth detected lin

23、e圖6 第5條測線處理前后對比Fig. 6 Fore-and-aft contrast of the fifth detected line圖7 第6條測線處理前后對比Fig. 7 Fore-and-aft contrast of the sixth detected line5 結 論本文針對擺動式單波束探測出現的高程異常值導致嚴重“偽”地形進行異常值剔除算法研究。首先從擺動式單波束探測方法和振幅相關檢測法的特點分析高程異常值產生的原因, 并根據擺動式單波束探測與多波束探測的等價性提出采用數據加窗法。加窗法中Z方向窗口尺寸通過3s 準則確定, X、Y方向窗口尺寸依據地形變化坡度小于45的經驗

24、準則。然后為了進一步提高異常值剔除的準確性, 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; 加窗點采用實測點, 并要求起始加窗點盡可能靠近一條測線上實測點的高程均值。最后由隨機微地形探測實驗證明, 該算法能成功剔除高程異常值。參考文獻: 1 趙海鳴,卜英勇,等.擺動式單波束超聲波水下微地形探測J. 中南大學學報:自然科學版, 2007, 38(5): 932-936.ZHAO H M, BU Ying-yong, et al. Detection of seabed cobalt-rich crusts micro-topography based on single-beam ult

25、rasonic waveJ. Journal of Central South University: Natural Sciece Edition, 2007, 38(5): 932- 936. 2 劉軍.基于分形理論的單探頭單波束微地形探測系統研究D長沙: 中南大學, 2006: 11-28.LIU J. Study of tiny-terrain detection system of single-beam based on fractal theoryD. Changsha: Central South University, 2006: 11-28.3 YAMAZAKI T, SH

26、ARMA 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. 湖南科技大學學報:自然科學版, 2006, 21(3): 35-38.ZHAO H M, BU Y Y, et al. Study on the ultrasonic distance measurement method wit

27、h high precisionJ. Journal of Hunan University of Science & Technology: Natural Science Edition, 2006, 21(3): 35-38.5 吳英姿.多波束測深系統地形跟蹤與數據處理技術研究D. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2001: 96-101.WU Y Z. Study on technology of multi-beam bathymetric system terrain following and data disposalD. Harbin: Harbin Engineering Un

28、iversity, 2001: 96-101.6 王紀嬋. 基于互相關理論的高精度水下超聲波測距系統研究D. 長沙: 中南大學, 2006: 24-31.WANG J CH. Study on underwater ultrasonic distance measurement system with high precision based on cross- correlation theoryD. Changsha: Central South University, 2006: 24-31.7 羅柏文,卜英勇. 基于能量相關搜索法的海底鈷結殼微地形探測方法研究J. 礦冶工程, 2007

29、, 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. 互相關函數法在聲學測溫技術中的應用研究J. 中國電機工程學報, 2003, 23(4) : 185-188.ZHANG X D, GAO B. The research of acoustic measuring of gas

30、 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年于中南大學獲得碩士學位, 2008年于中南大學獲得博士學位, 現為湖南科技大學講師, 主要研究方向為深海采礦裝備技術及理論。EmailLuo 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 Hunan Uni