渔业声学数据后处理软件现状评述与展望:以Sonar5-Pro为例

渔业声学数据解析是渔业资源声学调查研究和应用的关键所在。目前全球渔业声学数据后处理的代表性软件主要有挪威Sonar5-Pro和澳大利亚Echoview。以Sonar5-Pro为例,开展了5个方面的研究:1)回顾了该软件自1994年以来近30年的发展历史;2)介绍了软件对声学数据进行处理的总体思路,即前处理、数据分析和结果展示3个步骤及贯穿始终的数据检视功能,以及软件的5项重要设计理念;3)介绍了该软件9项代表性功能特性的实现思路和具体方法;4)以主流分析应用鱼类生物量分析过程为例,介绍了软件的数据处理流程;5)对该软件的3项核心关键技术,即多目标跟踪(multiple target tracking)、交叉过滤跟踪(crossfilter tracker)和图像分析工具(image analysis)进行了详细介绍。研究发现,一个成熟的渔业声学数据后处理系统庞大而复杂,涉及渔业、物理学和计算机多学科知识的融合,着力加强相关领域交叉学科人才培养,充分借鉴吸收国外已有先进理念和成熟技术,基于各种应用场景需求研发具有自主知识产权的分析软件,采用引进消化吸收再逐点突破最终集成创新的方式,可以作为未来提升中国渔业声学数据解析能力和水平的重要发展途径。

Data Fusion Technique for Multibeam Echosoundings

On the basis of an analysis of the error sources in multibeam echosounding system,a data processing method for compensating systematic errors in multibeam survey is proposed.In order to improve the accuracy of overall swath,a data fusion technique using single beam survey data as control information for single beam and multibeam echosounding is then presented.Some questions involved in solving the adjustment problem,such as its feasibility and the numerical stability,are discussed in detail,and a two_step adjustment method is suggested.Finally,a practical survey data set is used as a case study to prove the efficiency and reliability of the proposed methods.

基于PCNN与混合加权的多波束声呐图像镶嵌方法

多波束声呐图像是进行海底底质分类与目标识别的主要数据源之一。原始反向散射强度经过改正处理后仍存在残余误差,需要进行图像镶嵌以削弱残差的影响,构建大区域声呐图像。本研究针对多波束声呐图像镶嵌中的拼接线消除与信息综合问题,提出一种在NSST域内结合PCNN与混合加权的图像镶嵌方法。首先,对单条带声呐图像进行NSST分解,再对重叠区低频项按照混合加权进行镶嵌,高频项按照PCNN进行镶嵌。实验结果表明,在拼接线消除方面,镶嵌后条带拼接线两侧声强均值差由-6.18降为-1.29 dB;在信息综合方面,镶嵌结果的信息熵相对于混合加权法提升2.5%,空间频率提升31.6%。本研究方法能够在削弱拼接线的同时,有效综合相邻条带纹理信息,实现多波束声呐图像的镶嵌。

多波束测深系统时间同步方法时延研究

多波束测深系统各传感器之间的时间同步直接影响多波束测深数据质量。在实际作业过程中,由于不同惯性测量单元(IMU)之间存在振幅变化,导致由IMU生成相对于协调世界时(UTC)的时间消息与全球导航卫星系统(GNSS)定位语句的时间存在时间漂移;多波束处理单元(PU)的主时间源是内部时钟,其与IMU发送的UTC时钟的时间戳同步。当UTC时钟和GNSS定位信息同时发送到同一多波束PU串口时,多波束PU时钟和外部时间源之间的时延会逐步地间歇性增加。时间漂移和时间戳不同步会导致水深数据的间歇性定位和姿态错误。为了避免时间假同步,通过物理隔离UTC时间和GNSS定位传输消息,为其配备独立的专用串口。同时,数据采集软件中配置接收包含在GNSS定位信息中的UTC时间戳。试验结果表明,该方法可有效避免时间假同步,提高多波束测深数据的精度。

多波束与单波束测深数据的融合处理技术

本文在全面分析和总结多波束海洋测深主要误差源的基础上 ,提出通过相邻条带测深数据融合处理进行多波束测深系统偏差补偿方法 ;并提出以单波束测深数据作为控制 ,进一步提高多波束测深整体测量精度的数据处理方案 ;详细讨论了数据融合处理中的数值解算可行性和稳定性问题 ,相应提出了两步平差方法。

多波束测深数据处理关键技术研究进展与展望

简要介绍了多波束测深系统的基本组成及测深数据处理的基本流程,重点论述了多波束测深数据处理涉及的几项关键技术,详细分析评述了近期国内外在该研究领域取得的主要突破和进展,展望了多波束测深技术下一阶段的发展方向,针对国内应用需求,提出了一些具有前瞻性的研究开发建议。

商用探鱼仪南极磷虾声学图像的数值化处理

为充分利用渔船所获渔业资源的分布信息,提出了一组商用探鱼仪声学图像数值化处理方法,并将其应用于以数码相机拍摄的南极磷虾回波图像处理,对南极磷虾的集群特征进行了研究。通过对图像进行拍摄角度与亮度调整等预处理、像素色彩标准化与二值化处理后,对虾群厚度、密度中心以及相对集群密度等集群特征进行了分析。30幅图像的处理结果表明,图像所示虾群的平均厚度范围为5.6～55.8m,中值厚度为25.7m,均值厚度为27.1m;虾群密度中心所处水深为40.0～156.5m,中值水深为68.8m,均值水深为77.3m。磷虾的集群特征存在较为明显的昼夜变化,白天集群密度高、厚度小,夜间密度低、厚度大。本研究所述方法为利用渔船商用探鱼仪进行渔业资源研究提供了一种有效技术手段。

多波束和机载激光测深位置归算及载体姿态影响研究

我国继研制成功多波束测深系统后，正在着手研制机载激光测深系统。本文根据以上两种测深新技术的特点，全面推导了条带式深度测量测点位置归算的严密计算公式及其相应的精度估算公式，在推演过程中，充分顾及了海洋测量的动态效应即载体姿态的影响。本文最后还结合我国自行研制的实际系统参数数据，对位置归算改正的量值大小进行了数值计算和精度评定。

回声探测仪在我国内陆水体鱼类资源调查中的初步应用

介绍了2005—2008年在国内内陆水体鱼类资源调查中,EY60回声探测仪的使用及其效果。该探测仪利用分裂波束(Split-beam)技术,通过交叉过滤(Cross-filter)及轨迹跟踪分析(Tracking analysis),实现了对鱼类个体的自动判别及计数;另外对使用中噪声消减、渔获物调查数据的参考等进行了说明;强调回声探测仪自主品牌产品研发的必要性。

多波束测深数据处理及管理系统设计与开发

在简要介绍多波束测深技术发展概况基础上,详细论述了我部自主研发的多波束测深数据处理及管理应用系统的组成及功能,系统功能测试情况以及系统开发过程中取得的主要技术创新点,对该系统投入应用前的优化和完善工作提出了建议。

AUV搭载多波束声纳进行地形测量的现状及展望

多波束声纳是一种常用的水底地形测量设备,AUV搭载多波束声纳对深海地形进行测量得到了普遍应用。首先介绍了目前国内外AUV搭载多波束声纳在地形测量中的应用情况,然后总结了这种方式的高效率、高质量、高经济性等优点,并分析了导航定位精度、载体运动、系统兼容性等方面对于提高测量精度存在的技术难点,最后介绍了该技术的应用经验,并对该技术的未来应用前景进行了展望。

海道测量多波束声速改正精确模型研究

在严格推导常梯度声线跟踪法的基础上,提出了基于常梯度声线跟踪法的多波束声速改正精确模型,并初步推证了CARIS软件的声速改正方法。计算结果表明,精确模型计算结果与CARIS 6.1计算结果一致,并通过声线姿态改正算法比较,给出了声线姿态补偿法和直接法的适用角度范围。

单波束测深数据的插值精度分析

基于误差传播定律,对稀疏的离散水深点内插值进行了精度分析,建立了单波束水深内插值中误差表达的数学模型,利用我国南方某海岸带的3个试验区的进行了试验。试验结果表明,反距离加权法、Shepard法和线性插值三角网法,辅以自适应搜索半径法,内插水深值粗差比例普遍低于5%,质量与效率上为较优的插值模型;内插值精度与数据源精度有关,但与数据源密度关系不大;在给定深度测量极限误差情况下,建议在制定有关数字水深模型标准时,对水深在20 m以内的格网点水深值极限误差可设置为0.4 m。

多波束测深成果精度评估方法探讨

为检验多波束测深成果质量,需对测深数据处理结果作精度评估。国内诸多规范规定了利用主检测线交叉点不符值计算均方根差的评估方法,但在实际应用时由于均方根差值受水深深度影响异常明显,无法合理表达测量结果的好坏,对测量精度评估意义不明显。为更客观反映多波束测深成果精度,提出统一采用相对误差作水深测量精度评估指标的方法,对主检不符值具体计算方法给出了若干建议。

多波束水深测量误差源分析与成果质量评定

结合多波束测深系统在海洋水深测量实际生产中的应用,分析了受复杂海洋动态环境以及仪器自身原因等内外部因素影响易产生的各种粗差和系统性偏差,探讨了适用于多波束测深系统获取的水深测量成果的质量控制和检验指标,制定了涵盖多波束测深数据采集、处理、成果制作、验收等全过程的质量检验方案。

1PPS时间同步对多波束测深质量的影响

时间同步误差是多波束测量的一个重要误差源。因此,在进行多波束海底地形测量时,一般都利用GPS的1PPS信号来实现精确的时间同步。介绍了1PPS信号,分析了多波束测深系统的时间同步原理,以及在没有1PPS同步的情况下,后处理时应注意的事项。最后对野外资料采集提出了相应的建议。

基于IHO S-44不同测量等级的船速控制研究

通过船不同航速下对海底地形测量影响的仿真,给出相应情况下多波束测深仪波束对测区的覆盖情况,得出了航速不当时将无法实现对测区全覆盖的结论。据此问题推导了基于国际海道测量标准的船速控制模型,并针对SeaBat8101多波束测深仪给出不同测量等级的船速控制指标。

多波束探测分辨率估计模型研究

多波束探测分辨率是衡量多波束探测能力的重要指标,针对如何确定多波束探测分辨率这一问题,通过原理分析,阐述了多波束探测分辨率的含义,在几何空间上推导了纵向、横向和垂向分辨率估计模型,提出了多波束目标探测分辨率模型,并以Reson 8101多波束测深仪为例进行了计算。计算结果表明,该模型能较直接地估计多波束探测分辨率,可作为多波束测量技术设计的重要依据,同时发现多波束探测横向分辨率是多波束目标探测分辨率的主要决定因素。

多波束测深系统在航道测量中的关键问题探讨

介绍了多波束测深系统与GPS RTK技术集成的工作原理及优势,并以秦皇岛港航道疏浚前后多波束扫海测量为例,论述该作业模式中的几个关键问题,即在声速改正和参数校准的前提下,RTK三维水深测量省去传统水深测量中繁琐的水位测量,能够自动消除波浪起伏和动态吃水变化的误差影响。航道疏浚结果表明,在近海海域该方法可以取代有验潮的常规水深测量,既能指导疏浚施工,又能方便检查疏浚结果,为今后的相关工作提供参考。

基于S-44不同测量等级的测线间距确定方法

新版国际海道测量规范(IHO S-44 5thEdition)只给出了1b等和二等测量的推荐测线间距,而对于特等和1a等测量的测线间距并无具体说明。据此在推导波束脚印横纵宽度计算模型的基础上,建立基于IHO S-445thEdition的测线间距确定方法,并针对Seabat8101多波束测深仪给出特等和1a等的测线间距控制指标。