Multi-beam Sonar and Side-scan Sonar Image Co-registering and Fusing

Multi-beam Sonar and Side-scan Sonar compensate each other. In order to fully utilize all information, it is necessary to fuse two kinds of image and data. And the image co-registration is an important and complicated job before fusion. This paper suggests combining bathymetric data with intensity image, obtaining the characteristic points through the minimal angles of lines, and then deciding the corresponding image points by the maximal correlate coefficient in searching space. Finally, the second order polynomial is applied to the deformation model. After the images have been co-registered, Wavelet is used to fuse the images. It is shown that this algorithm can be used in the flat seafloor or the isotropic seabed. Verification is made in the paper with the observed data.

全方位数字宽带多波束渔用声呐研制

针对远洋渔业捕捞作业过程中对于高效、高精度探测扫海的需求,该研究结合全方位数字宽带多波束技术具有长距离、高分辨率目标探测的特点,采用宽带技术和多波束技术抑制界面混响、体积混响的干扰,及提升探测目标分辨率,提出一种基于可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)的分布式信号处理系统架构,实现多个扇区独立探测扫海,通过水声学理论仿真分析方法,确定影响系统性能的换能器阵尺寸、最大探测距离和最优工作频点3个主要参数之间的相互制约关系,并结合国内典型渔船现状确定渔用声呐关键参数,优选探测信号频段为20~30 kHz。进一步分析噪声、界面混响、体积混响对探测性能的影响,采用基于FPGA的“并行+串行”宽带波束成形实现算法方案,使运算过程中片上存储资源使用量降低90%;采用Delta-Sigma调制技术提升发射信号信噪比,将20~30 kHz内的噪声调整到50 kHz以上频段;提出基于两点递推插值一步预测的波束稳定改进算法,实现在渔船大幅度摇摆下实时波束稳定误差小于1.6°(-0.8°~+0.8°)。研制渔用声呐圆柱型换能器阵、高集成度接收机和发射机、256通道多通道信号处理机等核心部件,并进行系统集成,最终系统实现256个独立的接收和发射通道,支持20~30 kHz频段信号,具备水平360°全方位及垂直近70°的扫描探测能力。选择远洋围网渔船进行海上试验,结果表明:系统性能稳定,环境目标探测结果清晰连续,对目标强度为0 dB鱼群的探测距离达到1550 m以上。所研制的全方位数字宽带多波束声呐关键指标满足海洋渔业捕捞场景需要,可大幅度提升渔业捕捞探测性能,为下一步大规模自主量产奠定基础。

复杂海底地形工程物探解释方法研究

海底地形地貌探测是开发海洋资源、规划航海路线的基础性工作,在获得物探成果之后,需要根据视图作出科学的分析与解释。研究过程介绍了多波束声呐物探技术在海底深度测量、海底地形测绘中的应用原理,主要包括数字高程建模和网格建模,进而在此基础上阐述物探成果的解释方法。结果显示,基于多波束声呐探测技术,可生成海底视图,技术人员根据灰度变化、高程标度以及剖面图,判断凸起、陡坎以及平坦区域。

一种Kongsberg EM多波束后向散射强度波束指向性残余改正方法

Kongsberg EM多波束声呐的波束指向性与出厂标定存在偏差,导致后向散射强度呈现与扇区耦合的辐射畸变,针对这个问题提出了一种基于波束指向性模型的多扇区指向性残余改正方法。该方法首先在分析波束收发过程的基础上,构建EM声呐多扇区指向性辐射模型;然后选取特定测线,采用经验性声学模型估计后向散射强度-角度曲线,分离各扇区指向性残余信号;最后对回波强度进行指向性残余改正,得到与采集扇区无关的后向散射强度。实例计算结果表明:该方法能有效降低多扇区指向性残余对后向散射强度测量的干扰,提高EM系列多波束声呐在海底底质分析中的使用价值。

桥墩冲淤检测中多波束测深系统结合三维图像声呐的应用

东海大桥是我国第一座真正意义上的跨海大桥,东海大桥桥墩冲淤研究对类似海上风电、杭州湾大桥等跨海大桥冲刷防护等工程提供借鉴。多波束测深系统结合三维图像声呐在东海大桥水下地形测量的成熟运用为后期桥墩回填工程提供重要依据。冲淤变化直接影响桥墩桩基的桩基承载能力,桥墩基础局部冲刷深度是确定基础埋深和保证桥梁运行安全的重要参数,通过对多年东海大桥桥墩冲淤分析,为东海大桥整体冲淤评估提供可靠的数据依据。

失事目标水中搜寻技术发展现状及趋势

针对近年来海洋事故日益增多的问题,本文研究分析了水中搜寻技术发展现状及趋势。本文以水中搜寻技术为对象,对当前水中失事目标进行了分类,分析了水中搜救策略研究现状,讨论了3种数据与模型搜寻方法。阐述了水中搜寻平台与设备发展情况,结合当前搜寻技术的不足,从增强失事目标定位能力,提高水下机器人水下搜寻能力与智能化,提高集群化、多平台协同组网能力和提高声学探测设备性能与数据处理能力4个方面给出了水中搜寻技术发展趋势。

多波束技术在淮河流域水下地形测量中的应用探析

由于水下地形测量在河湖管理、采砂监管、岸线利用及河道治理等方面起着十分重要的作用,为利于河道生态的持续稳定发展,将多波束技术应用在淮河流域水下地形测量中。通过对水下多波束、侧扫声呐等测量技术工作原理的研究和分析,提出无人船水下多波束三维测量的应用模式。根据水域面积、深度及水中实际情况,合理划分测区,结合无人机的正射影像,利用多波束无人船测深系统进行水下扫描,再通过软件合成获得水下三维影像,直观反映河道区域地形地貌,与设计数据进行对比,得出是否符合设计文件的结论,并将多波束技术应用在淮河流域河段养护项目和疑似偷采、盗采情况的水下三维测绘中。实际应用表明:多波束技术应用于水下地形测量,可获得精确的水下地形数据和水底地貌影像,解决水下地形地貌无法实景还原展示的难题,提高水下地形测量工作的效率与质量,为相关河道治理和采砂监管工作提供有价值的参考。

基于Ransac算法的多波束点云人工鱼礁提取方法

投放人工鱼礁作为海洋牧场建设的重要环节,其投放质量评估工作日益受到重视。为实现大范围的人工鱼礁三维信息的自动识别与提取,提升人工鱼礁量化评估的质量,提出了一种基于Ransac算法的多波束点云人工鱼礁提取方法。该方法首先利用多波束声呐获取点云,在对点云进行分割、去噪等预处理后,利用Ransac算法将点云分为内外点集,内点集近似拟合为海底平面,外点集为人工鱼礁。在浙江嵊泗马鞍列岛某礁区进行了相关试验,实现了整体和单体鱼礁的提取,提取正确度达94.79%,完整度达91%,能够较好地提取鱼礁的三维形态、位置、尺寸、高度、空方等信息。研究表明,本方法可以大范围地应用于各型人工鱼礁目标投放效果的量化评估。

基于阈值自适应确定的多波束点云滤波算法

针对水下多波束地形测量点云去噪问题,提出了一种基于阈值自适应确定的点云滤波算法。首先引入虚拟网格对多波束点云进行分区编号,并采用二次分层统计法剔除显著离群噪点;其次归一化计算网格内种子点与邻域各点的坡度角,引入k-Medoids聚类算法自适应更新坡度阈值;最后按照多尺度滤波窗口逐级对点云进行迭代运算,得到精细化地形点云。2个实验区的多波束点云滤波实验结果表明,本文算法能较好去除多波束点云的噪声和非地形点,有效提高坡度阈值的自适应性,滤波精度有明显提升,可以适用于大规模的多波束点自动化云滤波工作。

地形导航多波束测深综合效应的邻域改正技术

针对多波束声纳测深系统中波束角效应和地形效应对水深测量的影响,提出了一种基于地形平均坡度水深数据改正的方法,以解决不同地势情况下造成的水深数据失真问题.首先根据多波束系统的测量原理建立了水深测量模型,与测量点周围8个点之间平均坡度估计该点处地形倾斜角,通过测量水深与海底地形之间的关系进行不同程度的水深改正,以获得测深处的真实水深.仿真过程中通过计算测点周围邻域8个方向的平均坡度,对地形平均坡度进行估计,并用实际某海域地形进行检验.结果标明:该技术应用性强,对水深测量中波束角与地形效应的影响具有明显的改正效果.

多波束声呐海底底质半监督学习分类方法

多波束测深声呐的反向散射数据中包含海底表层的声学信息,可以用来进行海底表层底质分类。但实际中通过物理采样获得大范围的底质类型的标签信息所需成本过高,制约了传统监督分类算法的性能。针对实际应用中只拥有大量无标签数据和少量有标签数据的情况,文章提出了基于自动编码器预训练以及伪标签自训练的半监督学习底质分类算法。利用2018年和2019年两次同一海域实验采集的多波束测深声呐反向散射数据,对所提算法进行了验证。数据处理结果表明,相比仅利用有标签数据的监督分类算法,提出的半监督学习分类算法保证分类准确率的同时所需的有标签数据更少。自动编码器预训练的半监督学习分类方法在有标签样本数量极少时的准确率仍高于75%。

Burst模式在多波束声呐高帧率测深方法中的应用

在常规多波束测深声呐系统中,需要等待远距离目标信号到达接收基阵后才能再次发射探测信号,这将导致测深帧率下降。针对该问题,该文提出了一种基于Burst模式的多波束声呐高帧率测深方法。由于各角度的海底回波持续时间远小于远距离目标信号到达接收基阵的所需时间,根据这一特性,采用Burst模式,通过等间隔地发射多帧信号并接收,同时保证发射的间隔大于最大波束持续时间,实现多帧信号在时间角度域中的分离,提高测深系统帧率。由于相邻帧的隧道效应会与部分波束发生重叠,针对该问题采用改进的线性约束最小方差算法,实现了低副瓣宽零陷的波束形成,从而削弱隧道效应的影响。最后通过仿真数据验证了该文所提方法的有效性,表明该方法在特定条件下能够将测深帧率提高3.3倍。

远洋渔业多波束声呐主机高效散热设计与验证

为了解决多波束渔用声呐主机在远洋渔船高温、高湿环境下工作时面临的散热问题,该研究从多波束渔用声呐主机的散热分析出发,运用传热学和结构设计的相关理论,对渔用声呐主机进行了热设计。首先运用系统分析法对声呐主机整个散热过程中的结构和散热方式展开研究;然后,利用热仿真软件对声呐主机的散热过程进行仿真,对比信号处理机在不同风道设计方案下声呐主机的整机温度的变化,多款散热风扇对整机散热效果的影响,在不同环境温度下(20、30、40、50℃)声呐主机的散热能力,以及热设计前后的温度分布;最后,搭建了声呐主机散热测试平台,验证声呐主机的真实散热能力。结果表明,强迫对流与自然冷却结合的散热方式可以解决声呐主机的热量堆积问题。仿真结果表明,4条风道的设计可作为声呐主机的散热方案,选用的FFB0612SHE和FFB0612EHE散热风扇符合声呐主机的散热要求,通过热设计可使声呐主机的温升控制在25℃以内,热量堆积现象大幅改善。散热试验结果表明,热设计后的渔用声呐主机散热能力大幅提升,声呐主机的温升控制在25℃以内,各板卡之间的温度控制在5℃以内,验证了仿真分析结果,在热源与主机外部环境之间形成了一条低热阻的通道。研究结果提高了声呐主机的工作稳定性,为声呐主机在远洋渔船高温、高湿环境下的正常工作提供了解决方案和理论分析方法。

声呐探测技术在人工鱼礁建设中的应用

人工鱼礁作为海洋牧场的重要组成部分,在增殖和优化渔业资源、改善海洋生态环境、调整海洋渔业产业结构方面发挥着重要作用。人工鱼礁的规划设计、施工验收和后续的监测是建设海洋牧场技术方面的关键。为了充分发挥人工鱼礁的功能,需要对人工鱼礁开展精细及大规模的调查研究。传统的水下调查方式受限程度高,作业效率低下,而侧扫声呐可获取高分辨率的海底目标物图像,多波束测深系统可获取高精度的海底地形数据,两者结合可以给人工鱼礁的建设提供精确的海底地形地貌信息及人工鱼礁的空间信息,为人工鱼礁的设计、投放以及监测提供有效的技术支持。本文以目前国内外有关人工鱼礁建设的研究技术文献为基础,从人工鱼礁的前期选址、施工投放、空方量估算和后期监测等方面,归纳总结了水声技术及对应声学设备(侧扫声呐及多波束测深系统)在人工鱼礁建设中的应用,并对该技术应用前景做了展望。

海上风电场地形地貌探测

近年来,随着海洋开发战略的深入实施,建立海上风电场成为开发和利用海洋资源的重要方式。在建设海上风电场前,需要对拟建海域进行全面探测,以获得海域地形地貌、海底地质和障碍物分布等情况。为准确掌握海上风电场地形地貌情况,本文采用侧扫声呐、单波束水深测量、多波束水深测量以及浅地层剖面探测等探测方法,对海上风电场进行了全方位的地形地貌扫测。以江沙扒海上风电项目工程为例,设计了扫测方案,详细介绍了各类探测方法的技术流程和施测方法,获得了风电场调查区范围内的地形地貌图,研究内容为扫海测量提供了技术参考。

海上风电场海底电缆敷设路径及埋深综合检测

海底电缆是海上风电系统的重要组成部分。研究基于声学方法的海底电缆敷设质量检测,综合应用多波束系统、侧扫声呐、浅地层剖面仪对海底电缆的路径、埋深进行检测,能及时发现敷设施工的质量缺陷,与投运后的检测相比,具有检测时效性高,消缺成本低的优势。经工程实践验证,该方法可靠有效,可为海上风电建设提供有力的质量控制支撑。

海底缆线综合探测方法及应用

为研究多波束、侧扫声呐、浅地层剖面仪、磁力仪等多种手段的海底缆线探测效果,利用综合比较分析法,定量分析了不同技术手段的探测精度,并结合多种技术手段的各自优点,提出了海底缆线综合探测法。结果表明:综合探测法可实现海底缆线敷设后的现势路由位置和埋深以及区域内施工后障碍物分布情况探测,得到了海缆平面坐标位置精度±1.5 m,埋深精度±0.3 m,探测效果较好。研究成果可为实现海底缆线等水下目标路由位置和埋深以及是否有裸露或悬空的准确感知和规范管理提供理论和方法支持。

基于圆弧阵加权的水平全向扫描多波束渔用声呐波束成形旁瓣抑制研究

多波束渔用声呐研制中为研究波束加权对基阵方向性的影响,从常见的水平全向渔用声呐的基阵模型出发,将圆柱阵等效为多个垂直排列的圆弧阵,使用Matlab编程软件仿真了线性加权和非线性加权,对比了非线性加权中相似加权和抑制区最小功率加权对圆柱阵指向性的影响。结合现有的测试条件,在消声水池对两种非线性加权法进行了波束指向性测试。结果显示:两种非线性加权法更适合水平全向扫描的多波束渔用声呐,其中相似加权法加权过后的波束主瓣展宽较小仅约1°,旁瓣较未加权波束旁瓣降低约9 dB,对改善圆柱阵换能器的波束指向性效果较好。研究表明,可以在圆柱阵换能器中选用相似加权法来改善基阵的方向性。

几种探测方法在海洋地形测绘中的应用

为准确掌握海上地形,需要对海洋地质地貌进行勘察测绘,水深测量和物探方法是海洋调查的主要方法。本文综合利用多波束水深测量、侧扫声呐、浅地层剖面和单道地震4种探测方法,对海上地形进行勘察测绘,通过多波束水深测量获取测区三维地形图,通过侧扫声呐探测查明了海底地貌特征,通过浅地层剖面探测获得了地质构造分布。结果表明,综合利用多波束水深测量、侧扫声呐、浅地层剖面和单道地震四种探测方法,可有效地增强观测数据的互补性,提高成果资料的可靠性。研究内容为相关工程应用提供了参考。

储罐油泥在线检测技术研究现状

原油储罐中油泥的存在不仅会减小储罐的有效容积,影响低液位时液位计测量的准确性,还会加重储罐底板的腐蚀、影响浮盘低液位运行安全性,油泥在线检测成为指导储罐安全运行的重要环节。收集整理了国内外现有油泥检测技术,对比了各检测技术的差异、特点、适用性。通过分析热成像、多波束声呐等技术的特征,提出声呐技术将成为储罐油泥在线检测发展趋势,并指出技术攻关方向。