超寬頻海底剖面儀實時采集顯示系統(tǒng)Echo Viewer的設計與實現(xiàn).docx

1、第38卷第3期吉林大學學報(地球科學版)Vol.38No.32008年5月JournalofJilinUniversityCEarthScienceEdition)May2008超寬頻海底剖面儀實時采集顯示系統(tǒng)EchoViewer的設計與實現(xiàn)顧春華。陶春輝。張金輝】，周建平】，周利生2,李紅星3,劉財31. 國家海洋局第二海洋研究所/國家海洋局海底科學敢點實驗室，杭州310012中國鬼舶重工集團公司第七一五研究所，杭州3100122. 吉林大學地球探測科學與技術學院，長春130026摘要：超寬頻海底割面儀實時采集顯示系統(tǒng)EchoViewer是為新研制的超寬頻海底制面儀開發(fā)的配套軟件。該軟件從超

2、寬頻海底剖面儀的超寬頻率和多原段分頻合成的特點出發(fā)，同時兼容同類系統(tǒng)的需求進行設計，根據聲的在海底介質中的傳播特點實現(xiàn)TVG算法和海底艱蹤算法，姑合遙感圖像處理方法實現(xiàn)分頻合成算法，并采用軟件工程的管理方法實現(xiàn)整個系統(tǒng)的開發(fā)，具有系統(tǒng)控制、導航定位、效據采集并成圖顯示、數據回放和數據后處理等功能。該軟件在提寬頻海底剖面儀多次海試和國家海洋局908淺制專項調查任務中得到成功應用。關鍵詞：超寬頻海底割面儀；海底淺地層；軟件設計；成困顯示；數據后處理中圖分類號:P631文獻標識碼：A文章編號：1671-5888(2008)03-0495-07DesignandRealizationoftheReal

3、TimeGatheringandDisplaySystemEchoViewerofSuperBroad-BandSea-BottomProfileInstrumentGUChun-hua1,TAOChun-hui1,ZHANGJin-hui1,ZHOUJian-ping1,ZHOULi-sheng2,LIHong-xing3,LIUCai31. SecondInstituteofOceanography/KeylaboratoryofSubmarineGeosciences,SOAHangzhou31QO12,ChinaNo.715ResearchInstitute»CSlCtHan

4、gzhou310012.China2. CollegeofGeoExplorationScienceandTechnology,JilinUniversity,Changchun130026,ChinaAbstract:Therealtimegatheringanddisplaysystem*EchoViewer,isdesignedforthesuperbroadbandsea-bottomprofileinstrument.Thecharacteristicofsuperbroad-bandandmulti-frequencysynthesizing*aswellasthecompatib

5、ilitywithothersystem,havebeenconsideredduringthesoftwaredesign.TheTVGarithmeticandtheseabedtrackarithmetichavebeenachievedaccordingtothecharacteristicofpropagationofthesonicwaveinseabed.Themulti-frequencysynthesizationhasbeenrealizedbycombiningtheremotesensingimageprocessingtechnique.Theabilitiesofs

6、ystemcontrol,datagathering*GPSnavigation!mapdisplayanddataplaybackandprocessofthesystemhavebeendemonstratedbythesuccessfulapplicationinmanytestsandthesurveyof908project.Keywords:superbroad-bandsea-bottomprofileinstrument；sea-bottomsuperficialstratum；softwaredesign；mapdisplay；dataprocessing收福日期:2007-

7、09-03基金項目：國家海洋局青年海洋科學基金項目2007311）：國家“863”計劃項目（2001AA610303-2）作者簡介：顧春華（1978），男，上海人，助理研究員，主要從事海洋聲學探測技術研究，E-mail：choora；red-star_li.0引言淺地層剖面探測基于聲波穿透地層剖面后的反射和散射特性。上世紀40年代國外就已經出現(xiàn)了最原始的海底剖面儀，60、70年代已經有了商用產品。由于當時技術基礎的限制，無法實現(xiàn)復雜的信號處理、地層的高分辨，也無法完成探測結果的自動成圖，其地層探測結果只能用熱記錄的方法存在紙帶上。90年代以來，由于電子技術、計算機技術的快速發(fā)展，使得數字信號處

8、理（DSP）、電子自動成圖、大容量數據存儲等技術得以實現(xiàn)，運用這些技術的新型剖面儀問世國家“863”計劃“超寬頻海底剖面儀”（2OO1AA61O3O3）課題中開發(fā)的超寬頻海底剖面儀工作頻帶為0.730kHz的超寬頻率，可任選頻帶工作，地層穿透深度N50m,地層分辨精度7.5cm。與現(xiàn)有的剖面儀相比，具有更大的穿透深度和更高的地層分辨精度。由于超寬頻海底剖面儀具有超寬頻率和多頻段分頻合成的特點，沒有一套現(xiàn)成的淺剖系統(tǒng)軟件適用于超寬頻海底剖面儀，同時使用國外開發(fā)的軟件也存在著培訓、維護、升級、價格、使用習慣和語言等方面的困難，因此必須開發(fā)一套具有自主版權的國產淺剖系統(tǒng)軟件。進行超寬頻海底剖面儀實時

9、采集顯示系統(tǒng)EchoViewer的沒計、開發(fā)，研制出一套適合超寬頻海底剖面儀并兼容其它淺剖系統(tǒng)的淺剖軟件系統(tǒng),從根本上解決了上述存在的問題，突破了國外淺剖軟件系統(tǒng)的限制。該軟件系統(tǒng)除具有一般淺剖軟件的功能外,還針對超寬頻海底剖面儀多頻段的特點，開發(fā)出了分頻合成疊加顯示這-創(chuàng)新性的后處理手段。該軟件系統(tǒng)的成功開發(fā)充分借鑒國外軟件的技術優(yōu)點，突出自己的優(yōu)勢.努力走一條適合中國特點可以推廣普及的、帶動海洋信息產業(yè)發(fā)展的道路。1系統(tǒng)分析設計1.1系統(tǒng)簡介EchoViewer是國家“863”計劃“超寬頻海底剖面儀”課題支持下設計開發(fā)的軟件系統(tǒng)（圖1）。該系統(tǒng)為超寬頻海底剖面儀的配套軟件，所有接口采用通用

10、標準開發(fā)，可應用于其他淺剖側掃系統(tǒng)。具有系統(tǒng)控制、自動成圖、導航定位、智能海底跟蹤、TVG、調色板、延時放大、測量、分頻合成疊加顯示等功能。關鍵模塊完全從底層開發(fā)，采用模擬仿真、面向對象、模塊化和統(tǒng)計的方法，綜合運用了水聲聲納技術、數字成圖技術和遙感圖像處理技術等進行開發(fā)。圖1超寬頻海底剖面儀實時采集顯示系統(tǒng)界面Fig.1Interfaceoftherealtimegatheringanddisplaysystemofsuper-broadbandsub-bottomprofileinstrument1.2系統(tǒng)結構軟件系統(tǒng)分為兩大子系統(tǒng)：實時采集系統(tǒng)控制子系統(tǒng)和數據后處理子系統(tǒng)。兩個子系統(tǒng)之間

11、既相互獨立又共通相同模塊，這樣不僅可以提高子系統(tǒng)的聚合度，增強相互之間的耦合性又能夠提高各模塊的利用率，便于系統(tǒng)的維護和升級（圖2）。圖2系統(tǒng)模塊劃分示意圖Fig.2Sketchmapofthesystemmodule實時采集系統(tǒng)控制子系統(tǒng)主要包括發(fā)射控制模塊、GPS接收控制模塊、導航定位模塊、數據采集模塊、動態(tài)顯示模塊和信號處理模塊6大部分。主要完成發(fā)射參數控制、GPS接收控制和實時數據采集顯示。數據后處理子系統(tǒng)對數據進行分析、處理和成圖，可以分成動態(tài)回放模式和靜態(tài)顯示模式。動態(tài)回放數據處理模式主要包括動態(tài)顯示模塊、信號處理模塊、分頻合成模塊和打印輸出模塊4部分。主要對采集的數據進行回放顯示

12、，根據用戶需要進行TVG、延時放大、調色板、海底跟蹤、聲速校正等處理，獲得更好的顯示效果并可打印成圖。靜態(tài)顯示圖像處理模式包括靜態(tài)顯示模塊、圖像處理模塊、分頻合成模塊和打印輸出模塊4部分。主要把存儲的數據顯示成一整幅圖像，可進行灰度調整、提高分辨率、假彩色分頻合成等處理，可進行點線面的操作，完成處理后可以打印成圖。1.3數據流程1.3.1實時采集系統(tǒng)控制實時采集系統(tǒng)控制模塊工作流程設計如下：用戶首先設置工作參數，包括發(fā)射工作參數和串口GPS接收工作參數，如果設置失敗，輸出異常信息,停止系統(tǒng)運行，系統(tǒng)工作參數設置成功后開始數據采集工作循環(huán)（圖3）。對接收的每個數據包進行折幀分析，后組幀成新Pin

13、g,在每一個新Ping數據開始時接收工作狀1.3.2動態(tài)回放數據處理動態(tài)回放數據處理模塊工作流程設計如下：用戶選擇已存儲的數據文件并打開需要的波段通道,系統(tǒng)讀取單Ping數據，解釋該Ping的工作狀態(tài)參數，提取GPS定位數據，讀取海底剖面數據，拼圖動態(tài)顯示并同時顯示工作參數列表，如此循環(huán)讀取數據直到回放處理結束（圖4）。在有批量數據文件時，根據文件名的連續(xù)性自動讀取相關文件的數據；也可以根據用戶設定在數據文件結束后循環(huán)從文件頭重新讀取。2系統(tǒng)主要功能EchoViewer根據超寬頻海底剖面儀實際使用需求并兼顧考慮其他系統(tǒng)的兼容需求，開發(fā)了5大功能：（1）系統(tǒng)控制。可對發(fā)射參數、接收參數進行設置，

14、控制系統(tǒng)工作,并可進行在線檢測；（2）導航定位。串口通信設置，測線布設，實時顯示調查船、偏航距及導航信息，記錄調查的定位數據等功能；（3）數據采集并成圖顯示。接收從水上服務器傳輸的數據，對數據進行實時修正處理并成圖顯示,態(tài)參數和GPS定位數據，然后繼續(xù)接收所有該Ping支持8個通道。并具有增益控制、延時放大、TVG、的數據包直到最后。保存該新Ping數據到數據文件，并顯示在用戶界面上，同時顯示當前的工作狀態(tài)調色板等功能;（4）數據回放。支持QMIPS、XTF、SEGY3種參數。如此循環(huán)接收數據直到系統(tǒng)停止運行。圖3實時采集系統(tǒng)控制流程Fig.3Thecontrolflowofrealtimeg

15、atheringsystem顯示文件數據放處理結束圖4后處理中動態(tài)回放工作流程Fig.4Thedynamicbackdis-playworkflow數據格式，具有海底跟蹤、增益控制、延時放大、TVG、調色板等功能，并可進行后處理；(5)數據后處理。對調查取得的數據進行后處理，主要包括數據編輯測量、人機交互海底跟蹤和分頻合成疊加顯示，得到最終海底地層解釋圖和綜合多個頻率通道信息的合成疊加圖件。3系統(tǒng)實現(xiàn)和主要算法3.1系統(tǒng)實現(xiàn)架構本軟件采用VisualC+6.0作為開發(fā)工具,采用MFC類庫的應用框架和文檔/視結構的數據管理方式實現(xiàn)本軟件的應用開發(fā)。系統(tǒng)類結構框圖和相互關系如圖5。3.2數據處理主

16、要算法介質傳播過程中逐漸損失能量，這種傳播損失分為擴展和衰減。擴展損失表示聲波的波陣面從聲源向外不斷擴展的簡單幾何效應；衰減損失主要包括吸收和散射。吸收是衰減的主要因素，它使聲強以指數形式隨距離下降，吸收系數一般正比于頻率二次方，因此遠程聲納都選用較低頻率“X。根據聲納在海底介質中的傳播特點，通過分析建立能量損失模型，經過反演進行時變增益。時變增益公式可表示如下：GainGTVg+2ar4-logro(1)TVG起始增益Gtvg定義為TVC曲線計算公式中的常數項，單位為dB；TVG吸收衰減系數定義為TVC曲線計算公式中一次項系數的一半，表征由于水體對聲波吸收造成對信號增益的影響，記為a,單3.

17、2.1時變增益控制(TVG)公式中對數項的系數，表征球擴散對信號增益的影公式中對數項的系數，表征球擴散對信號增益的影聲納從聲源發(fā)出的聲信號隨著時間的延續(xù)，在圖5顯控系統(tǒng)對象結構示意圖Fig.5Thestructuresketchmapofdisplayandcontrolsystem位為dB/m；TVG比例因子定義為TVG曲線計算響，記為時為聲納傳播距離，單位為m。以上各項參數都有一個參考范圍，主要決定于聲納傳播的環(huán)境。具體數據由用戶在工作中根據實際工作環(huán)境進行調節(jié)。聲納在水下工作時，在拖體周圍會產生較大的混響，時變增益需要從一定時間（距離）之后才開始。通常從海底位置直接反射回來的直達波是一次

18、波，能量最強；其它二次波或者由地層反射回來的回波能量都比較弱，因此從海底位置處開始時變增益可以把海底以下的地層細節(jié)突出，有利于分析解釋。因此系統(tǒng)必須能夠進行海底自動跟蹤，識別出海底的真實位置進行時變增益補償。3.2.2海底跟蹤由于海底表面沉積物與海水的聲阻抗相差較大，海底對聲波的反射較強，而且海底的一次回波能量最強，自動識別的可行性很高。但是由于海底地形相當復雜，往往變化劇烈或者出現(xiàn)斷層等不連續(xù)面，而且海底回波信號復雜，完全實現(xiàn)正確地自動化跟蹤還是有一定的難度。通常的解決辦法是人機交互半自動跟蹤方式，當出現(xiàn)不連續(xù)的跳變點時由人工給予糾正，重新跟蹤。海底跟蹤起始時，首先掃描前面幾個（3-8）Pi

19、ng的全部數據，找出每一Ping的最大值，求出平均值作為當前海底位置的參考值。然后在接下來的Ping中，以當前海底位置為中心，加一定寬度的跟蹤窗口（40100個數據點），在窗口內查找最大值。如果找到的最大值與海底位置之差在允許范圍之內，接收該點數據，根據海底的連續(xù)性，重新修正當前數據的平均值作為該Ping的海底位置；如果最大值與海底位置之差超出了規(guī)定范圍，擴大跟蹤窗口，重新查找。此時查找到的最大點已經和前面的海底位置有了一個躍變，但不能確定是由于信號的噪音引入的突變，還是由于海底存在的斷層確實有個突變。保留新跟蹤的數據，并以前一個海底位置作為當前記錄的海底數據，即在默認情況下保持海底的連續(xù)性。

20、繼續(xù)按開始窗口大小查找下一日叩的最大值。當連續(xù)三次以上都在新的同一位置查找到海底，則以新的數據作為當前海底的位置，認為斷層由此開始。當跟蹤位置發(fā)生明顯偏移時，給予人工糾正。在海底自動跟蹤過程中，需要較多的控制變量一起作用才能有較好的跟蹤效果，如加窗寬度、允許平均誤差等可，這些控制參量:在不同的工作環(huán)境下會有所不同，所以具體工作時需要有豐富的操作經驗才能取得最佳海底跟蹤效果。3.2.3分頻合成顯示分頻合成顯示技術是在本系統(tǒng)中提出的一種創(chuàng)新技術。所謂分頻是采用Chirp掃頻技術，用不同頻帶的信號對同一區(qū)域的地層進行探測，高頻信道能夠獲取淺部的高分辨率的信息，而低頻信道能夠獲取深部的地層信息，這樣能

21、夠獲取該地層各種不同的反射信號特征信息在V。在進行數據處理時，針對各個頻帶的特征信息進行數據融合，以達到既提高穿透深度又增強分辨率的目的幻。假彩色合成是應用最廣泛的彩色增強方法，它可以突出圖像中的有用信息，擴大不同影像特征之間的差別，但是普通彩色合成最多能合成3個通道數據。而主成分分析，則可以針對任意多個波段數據進行多維正交變換，然后選取特定主成分進行假彩色合成，能夠綜合反映不同頻帶的信息差異，提高數據的分析能力。（1）普通彩色合成顯示。在數字圖像處理中。假彩色合成是應用最廣泛的彩色增強方法，它的目的就是將反映在不同波段上的差異綜合地顯示出來，突出圖像中的有用信息，擴大不同影像特征之間的差別，

22、提高對圖像的解譯和分析能力。其方法是選定3個波段圖像，分別用作R、G、B3個通道進行合成顯示。合成后的結果是24位的彩色圖像，每個像素由3bit組成，RGB分別代表3個通道數據5。在假彩色合成中最主要的工作是選擇哪3個波段或已處理的分量作為假彩色合成的分量。一般而言，直接將原始的圖像數據進行合成效果并不很理想，在實際應用中常常選擇原始圖像數據經比值、差值或主成分處理過的圖像作為假彩色合成的分量，間接利用所獲得的海底數據的不同波段進行數據合成。（2）主成分變換合成顯示。超寬頻海底剖面儀最多可以采集5個不同通道的數據，在數據處理過程中，因為各個不同的頻帶實際上是對同一區(qū)域的地層信息的部分反映，它們

23、之間具有很高的相關性，從直觀上看圖像之間具有相似性。為了從多個頻帶中提取最大信息量，就要對其信息量進行壓縮與變換，然后有選擇地對數據進行融合。在本次處理過程中引入遙感圖像處理技術，把各個子帶分別作為一個空間向量進行主成分變換，即在統(tǒng)計特征基礎上的多維正交線性變換，使得變換后各主成分之間的相關系數為零，相互之間所包含的信息內容是不重復的。這樣把原來的多變量數據在信息損失最小的前提下，變換為盡可能少的互不相關的新的變量，以減少數據的維數。然后選擇變換后信息量較為豐富的3個主成分矢量數據進行假彩色合成，可以綜合反映不同頻帶的信息差異，提高數據分析能力。主成分分析也稱為K-L(Karhunen-Loe

24、ve)變換，是在統(tǒng)計特征基礎上的多維正交線性變換。下面以矩陣表示多波段圖像的原始數據,從數學的角度來分析K-L變換：X=2!22及”.=.矩陣X中，m和分別為波段數(或稱變量數)和每幅圖像中的像元數'矩陣中的每一行矢量表示一個波段的圖像。圖像的線性變換可用如下數學式表示:Y=TXo式中:X為待變換圖像數據矩陣;Y為變換后的數據矩陣;T為實現(xiàn)這一線性變換的變換矩陣。如果變換矩陣T是正交矩陣，并且由原始圖像數據矩陣X的協(xié)方差矩陣S的特征向量組成，則Y=TX線性變換即被稱之為K-L變換，并且稱K-L變換后的數據矩陣的每一行矢量為K-L變換的一個主成分,它們依次被稱為第一主成分、第二主成分、第

25、s主成分。這時若將Y矩陣的各行恢復為二維圖像，即可以得到m個主成分圖像。K-L變換是一種線性變換，而且是當取丫的前p(pVm)個主成分經反變換而恢復的圖像X和原圖像X在均方誤差最小意義上的最佳正交變換。結合上面兩種方法，進行數據融合時選擇已有的若十波段進行K-L變換，然后再選擇若干的輸出主成分圖像進行假彩色合成，其工作流程如圖6所示。一般進行假彩色合成時選取的主成分圖像為包含信息量較為豐富的前3個主成分，這樣可以更為有效地突出研究的對象。當然，有時為了得到特定的專題信息，也可以選取包含信息量相對較少的其它主成分圖像。圖6多頻段假彩色合成流程圖Fig.6Thecomposedflowofmult

26、i-frequencyfakecolor4系統(tǒng)實踐應用情況EchoViewer在2003年8月完成了1.0版本并進行了超寬頻海底剖面儀在莫干湖的試驗，根據實際試驗出現(xiàn)的問題進行改進，基本滿足了超寬頻海底剖面儀的探測需求。軟件隨著超寬頻海底剖面儀項目的整體開發(fā)進程，經過多次聯(lián)調與海試，不斷地修正和改進，優(yōu)化系統(tǒng)結構，提高系統(tǒng)性能。2004年12月，EchoViewerV2.0隨超寬頻海底剖面儀搭載“大洋一號"科學考察船在南海進行海試，試驗證明軟件功能完善，運行穩(wěn)定可靠，滿足系統(tǒng)作業(yè)需求。2005年10月，EchoViewerV3.0隨超寬頻海底剖面儀在寧波金塘水道進行探測及比對試驗，軟

27、件連續(xù)工作5天一直非常穩(wěn)定，顯示效果良好，并在12月順利通過“863”專家組的驗收。該軟件已經在2006年908東海淺剖調查與研究項目的資料處理中得到了應用，并將逐步推廣到淺剖系統(tǒng)控制顯示和資料后處理中。圖7是2005年在寧波金塘水道試驗中采集數據的回放，所顯示的剖面圖地層分層豐富清晰，分辨率高，海底跟蹤準確。所選擇的參數如下：頻率范圍：27kHz。發(fā)射參數：脈寬2ms,測程500m,增益18dB,功率0dBo圖7數據回放截圖Fig.7Theimageofdataplayback5結論超寬頻海底剖面儀實時采集顯示系統(tǒng)Echo-Viewer的開發(fā)過程中綜合運用了水聲聲納、數字成圖、遙感圖像處理和

28、軟件管理等相關理論技術，開發(fā)了一套集成GUI和后處理系統(tǒng)的淺剖側掃系統(tǒng)專用軟件。該軟件可對硬件系統(tǒng)進行控制，進行數據采集并成圖顯示，可對采集的數據進行回放顯示和后處理；支持多種國際通用數據格式，如QMIPS、XTF和SEGY；具備該類軟件的基本數據顯示處理功能，如海底跟蹤、TVG、延時放大、測量、調色板和刻度線等?；诔瑢掝l海底剖面儀特點的分頻合成顯示是本軟件的最大創(chuàng)新。該軟件除作為超寬頻海底剖面儀的配套軟件外，還可應用于其它海底淺剖、側掃設備的實時采集和數據后處理。通過超寬頻海底剖面儀多次海試和國家海洋局908淺剖專項調杳任務中的應用，表明系統(tǒng)功能完善，運行穩(wěn)定可靠。參考文獻(Referen

29、ces):1 布列霍斯基J1M.海洋聲學M.北京：科學出版社，1983.BrihorskiJIM.OceanacousticsMJ.Beijing：SciencePress.1983.2 吳自銀，鄭玉龍，初鳳友.等.海底淺表層信息聲探測技術研究現(xiàn)狀及發(fā)展地球科學進展.2005,20(11):1210-1217.WUZi-yin,ZHENGYu-long.CHUFeng-you,etal.Researchstatusandprospectofsonar-detectingtechniquesnearsubmarineJ.AdvanceinEarihScience.2005,20(11)：1210-1217.3J王志雄，高平，莫杰.海底地質勘查現(xiàn)代技術方法的應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢J.海洋地質與第四紀地質，2002,22(2):199-204.WANGZhi-xiong,GAOPing,MOJie.Applicationofmoderntechnicalmethodstosea-floorgeologicexplorationandtheirdevelopmenttendencyCJ.MarineGeology&QualernaryGeology.2002*22(2)：199-204.4 AlexandroD,MoustierC.Adaptivenoisecance