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基于声呐数据的海底底质反演方法研究

基于声呐数据的海底底质反演方法研究

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作者：杨毅哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

人类的活动范围随着现代科技的发展而不断扩张,远至月球乃至火星都有人类科技的足迹。然而人们对近在咫尺的海洋的探索能力可能还不如月球,海底环境的特点限制了诸多技术的应用。但海洋中丰沛的资源是人类文明最重要的,也是目前科技发... 详细信息

人类的活动范围随着现代科技的发展而不断扩张,远至月球乃至火星都有人类科技的足迹。然而人们对近在咫尺的海洋的探索能力可能还不如月球,海底环境的特点限制了诸多技术的应用。但海洋中丰沛的资源是人类文明最重要的,也是目前科技发展下最触手可及的宝库。海底底质信息是了解海洋的重要参考信息,对海底底质信息的分析是海洋研究重要的研究方向。传统接触式方法进行海底底质探测成本高昂且效率低下,海洋学者和水声学者的研究证明了利用声学遥感技术可以不需要深入海底深处,通过反射声波来反演海底底质信息。本课题受项目支撑,本文主要对海底底质类型划分原则、声呐数据处理成像、反向散射强度特征提取、底质分类算法模型等4个海底底质反演相关内容开展了研究工作。并用理论分析、仿真实验及使用海上试验区实测数据进行底质地图反演工程实现等方法进行研究工作展开。本文研究中所采用的海底底质地图反演流程为我国未来开展海底底质探测工作提供了理论依据和技术支持。主要研究内容如下:首先,调查了国内外海底底质反演技术的研究现状和海底底质分类软件的发展情况,介绍了多波束声呐和侧扫声呐系统的工作原理,研究了海底底质探测方法、底质类型粒度划分方法、混合底质划分规则以及底质类型符号系统。其次,介绍了声呐数据的常用格式,并根据实验获得的声呐数据,实现数据解析。在研究中,数据精度是实现研究内容的重要影响因素,为提高数据精度,分析了声呐数据在测量过程中引入误差的因素,实现声呐数据的强度归算,反向散射强度真值校准,从而提高声呐数据真实性,为底质反演奠定了良好的基础。再次,基于多波束反向散射强度图的特性,研究了概率分布特性、纹理特征和Pace特征分析,并结合实验数据验证了提取特征对声呐数据中蕴含的底质信息的表征情况。基于多波束角度响应曲线,提出了一种概率比例波峰特征提取方法。绘制的三维概率比例图可以直观放大角度响应曲线中蕴含的底质特性,定性表征多波束侧向纵向上的底质分布情况。利用概率比例曲线和滑动窗口的方法,分析计算多波束测线条带垂向底质边界,可以有效的提高底质采样数据边界精度,修正底质采样数据中的误差点。减少由于底质标签存在误差所带来的分类精度下降。且该方法作为辅助手段,可以降低底质采样数据处理过程中的人为经验干预程度,提高处理速度。最后,分别引用了CNN、SVM两种分类算法对声呐数据进行分类研究,针对每种算法的特点,对数据进行与算法相匹配的处理。基于对原始声呐数据和底质采样数据的有效校正,分类模型取得了优异的拟合效果,反演的底质分布图与采样数据高度匹配,具备使用价值。

关键词：海底底质声呐数据底质边界定位特征提取底质反演

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