專利名稱：基于多波束聲納技術的海底混合底質(zhì)類型分類方法
技術領域：
本發(fā)明涉及應用多波束聲納技術對海底混合底質(zhì)類型進行分類識別的方法。
背景技術：
海底底質(zhì)類型是一種重要的海洋環(huán)境參數(shù)，底質(zhì)類型的分布對海洋科學研究、海 洋工程以及國防建設等具有重要的科學與實際意義。傳統(tǒng)的地質(zhì)取樣方式在分析底質(zhì)特 征、確定底質(zhì)類型，存在設備笨重，工作費時、費力等不足；而且，傳統(tǒng)取樣通常按一定網(wǎng)格 離散地取樣，通過資料內(nèi)插與外延來了解區(qū)域內(nèi)海底底質(zhì)特性，并進行分類，因此其代表性 有局限性，可靠性也常不夠。多波束聲納技術是二十世紀六十年代以來發(fā)展起來的新一代海底地形測量技術。 多波束聲納系統(tǒng)不但可以獲取高精度的水深地形數(shù)據(jù)，而且可以同時獲取高精度的海底反 向散射強度數(shù)據(jù)。利用其反向散射強度數(shù)據(jù)，結合一定的傳統(tǒng)地質(zhì)取樣進行底質(zhì)分類，為海 底底質(zhì)分布提供了一種快速而有效的探測方法。目前國內(nèi)外研究人員在多波束底質(zhì)分類方 面做了大量有益的工作，但是，存在分類精度不高、分類級別不多(主要針對單一底質(zhì)類型 分類)等問題。針對這些問題，本發(fā)明提出基于多波束聲納系統(tǒng)獲取的反向散射強度數(shù)據(jù)，通過 分析海底地形特征、中央波束區(qū)反射信號等因素對反向散射強度產(chǎn)生的影響，改進現(xiàn)存的 多波束反向散射強度數(shù)據(jù)改正模型；依次基礎，結合海底地質(zhì)取樣獲取的真實海底沉積物 樣品數(shù)據(jù)，詳細系統(tǒng)地尋求海底反向散射強度與底質(zhì)類型特征之間的關系；并以神經(jīng)網(wǎng)絡 分類方法，實現(xiàn)對海底混合底質(zhì)類型的快速、準確自動識別。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是借助多波束聲納技術，發(fā)展出一種實用性強、通用性高，能夠通 過處理和分析高精度多波束聲納數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對海底混合底質(zhì)類型分類的方法。本發(fā)明首先基于多波束聲納系統(tǒng)獲取的反向散射強度數(shù)據(jù)，通過分析海底地形特 征、中央波束區(qū)反射信號等因素對反向散射強度產(chǎn)生的影響，改進現(xiàn)存的多波束反向散射 強度數(shù)據(jù)改正模型；依次基礎，結合海底地質(zhì)取樣獲取的真實海底沉積物樣品數(shù)據(jù)，詳細系 統(tǒng)地尋求海底反向散射強度與底質(zhì)類型特征之間的關系；并以神經(jīng)網(wǎng)絡分類方法，實現(xiàn)對 海底礫砂、砂質(zhì)粉砂、泥質(zhì)粉砂等混合底質(zhì)類型的快速、準確自動識別。


本發(fā)明的具體實施流程圖
具體實施例方式1.改進多波束反向散射強度數(shù)據(jù)改正模型原始的多波束反向散射強度不能直接反應真實的海底底質(zhì)特征，必須對其進行改正處理。著重分析地形起伏、反射信號影響這兩種因素對反向散射強度的影響，改進目前的 多波束反向散射強度數(shù)據(jù)改正模型，獲取能真實反映海底底質(zhì)特征的反向散射強度值。針 對前人在數(shù)據(jù)改正處理方面所做的研究，主要進行以下兩項改進a.垂直航跡和沿航跡三維方向地形起伏改正實際海底地形起伏的改正不但受 到垂直航跡方向的傾斜影響，還受到沿航跡方向的傾斜影響，計算模型比較復雜。為得到精 確的地形起伏改正模型，擬用高精度的多波束水深數(shù)據(jù)建立精確的海底數(shù)字地面模型，再 對每一個反向散射強度值進行地形起伏改正計算。b.中央波束區(qū)反射信號影響及改正船底垂直正下方的中央波束區(qū)附近，由于受 到鏡面反射的影響，多波束換能器接收到的多為反射信號，主要是由法向入射和海底直接 反射形成的。一般在中央波束正負幾度范圍內(nèi)，強度較大，表現(xiàn)在海底聲像圖上為沿航跡線 上的明亮條帶。在這一區(qū)域，換能器接收到的反射信號不能被當作一般的反向散射強度數(shù) 據(jù)直接用于底質(zhì)分類研究，而應用現(xiàn)有的多波束后處理算法無法消除這一影響因素。中央 波束區(qū)反射信號對散射強度的影響，應用高斯加權平均算法，將中央波束區(qū)附近的反射強 度值加于改正計算，使得每個波束所代表的強度信息能正確反映海底底質(zhì)類型特征，削弱 反射信號對底質(zhì)分類的影響。2.構建反向散射強度與底質(zhì)類型特征之間關系模型基于不同區(qū)域的同一種沉積物由于其含水量、密度和力學強度等物理特性以及海 底沉積環(huán)境的不盡相同，會產(chǎn)生不同的反向散射強度，所以并不能簡單通過數(shù)學公式確定 反向散射強度與底質(zhì)特征之間的關系。必須通過現(xiàn)場獲取的多波束反向散射強度數(shù)據(jù)以及 相應的地質(zhì)取樣數(shù)據(jù)，應用多元統(tǒng)計相關分析方法詳細分析沉積物的粒度大小、孔隙度等 物理特性同反向散射強度值之間的統(tǒng)計關系，進而構建適合具體應用需要的反向散射強度 與底質(zhì)類型特征之間數(shù)學關系模型，通過模型計算，獲取反向散射強度與底質(zhì)類型之間的 改正系數(shù)，并將這一改正結果應用到底質(zhì)分類中，從而有效地提高了分類精度和分類級別。3.利用神經(jīng)網(wǎng)絡對海底混合底質(zhì)進行分類識別神經(jīng)網(wǎng)絡是數(shù)據(jù)驅(qū)動、非線性、非參數(shù)模型，分類是人工神經(jīng)網(wǎng)絡最活躍的一個研 究和應用領域。利用神經(jīng)網(wǎng)絡方法實現(xiàn)對海底礫砂、砂質(zhì)粉砂、泥質(zhì)粉砂等混合底質(zhì)類型的 快速、準確自動識別。(1)網(wǎng)絡建立建立一個監(jiān)督型神經(jīng)網(wǎng)絡，選取輸入向量P，同輸入向量P相對應的輸出目標類 別為現(xiàn)場取樣的海底底質(zhì)類型數(shù)據(jù)，用向量T表示。選定網(wǎng)絡競爭層的神經(jīng)元數(shù)目，將 輸入樣本向量數(shù)據(jù)ρ進行歸一化處理，數(shù)據(jù)值歸算到
之間，獲取網(wǎng)絡初始化權值 ω i j (0 ^ ω i j 彡 1)。(2)網(wǎng)絡訓練設定學習速率為Ir = 0. 01，最大訓練步數(shù)，期望誤差小于0. 1，其它參數(shù)使用網(wǎng)絡 默認值。經(jīng)過多次循環(huán)訓練后，隱含層的神經(jīng)元的權重向量分布發(fā)生了變化，這種分布適合 對輸入數(shù)據(jù)向量進行分類。(3)網(wǎng)絡測試及使用網(wǎng)絡訓練好以后，其權值就固定下來了。以后對于每一個輸入值，網(wǎng)絡就會輸出相 應的分類值，可以利用這一點來進行網(wǎng)絡的測試。
最后，將全部樣本數(shù)據(jù)輸入到訓練、測試好的神經(jīng)網(wǎng)絡中，輸入的全部數(shù)據(jù)都有和 它們相對應的底質(zhì)類型，數(shù)據(jù)被分為各種底質(zhì)類型，獲得了高精度的海底底質(zhì)分類結果。通過上述設計，本發(fā)明能夠快速、準確地識別海底混合底質(zhì)類型，使得通過處理和 分析高精度多波束聲納數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對海底混合底質(zhì)類型的分類與識別，本發(fā)明既具有實用 性，又具有一定的通用性。
權利要求
1.原始的多波束反向散射強度不能直接反應真實的海底底質(zhì)特征，必須對其進行改正 處理；著重分析地形起伏、反射信號影響這兩種因素對反向散射強度的影響，改進目前的多 波束反向散射強度數(shù)據(jù)改正模型，獲取能真實反映海底底質(zhì)特征的反向散射強度值。
2.必須通過現(xiàn)場獲取的多波束反向散射強度數(shù)據(jù)以及相應的地質(zhì)取樣數(shù)據(jù)，應用多元 統(tǒng)計相關分析方法詳細分析沉積物的粒度大小、孔隙度等物理特性同反向散射強度值之間 的統(tǒng)計關系，進而構建適合具體應用需要的反向散射強度與底質(zhì)類型特征之間數(shù)學關系模 型，通過模型計算，獲取反向散射強度與底質(zhì)類型之間的改正系數(shù)。
3.利用神經(jīng)網(wǎng)絡對海底混合底質(zhì)進行分類識別(1)網(wǎng)絡建立建立一個監(jiān)督型神經(jīng) 網(wǎng)絡，選取輸入向量P，同輸入向量P相對應的輸出目標類別為現(xiàn)場取樣的海底底質(zhì)類型數(shù) 據(jù)，用向量T表示；( 網(wǎng)絡訓練設定學習速率為Ir = 0.01，最大訓練步數(shù)，期望誤差小 于0. 1，其它參數(shù)使用網(wǎng)絡默認值；經(jīng)過多次循環(huán)訓練后，隱含層的神經(jīng)元的權重向量分布 發(fā)生了變化，這種分布適合對輸入數(shù)據(jù)向量進行分類；C3)網(wǎng)絡測試及使用網(wǎng)絡訓練好以 后，其權值就固定下來了 ；以后對于每一個輸入值，網(wǎng)絡就會輸出相應的分類值，可以利用 這一點來進行網(wǎng)絡的測試；最后，將全部樣本數(shù)據(jù)輸入到訓練、測試好的神經(jīng)網(wǎng)絡中，輸入 的全部數(shù)據(jù)都有和它們相對應的底質(zhì)類型，數(shù)據(jù)被分為各種底質(zhì)類型，獲得了高精度的海 底底質(zhì)分類結果。
全文摘要
基于多波束聲納技術的海底混合底質(zhì)類型分類方法。本發(fā)明屬于海洋聲學遙感探測和識別領域，提出了基于多波束聲納系統(tǒng)獲取的反向散射強度數(shù)據(jù)，通過分析海底地形特征、中央波束區(qū)反射信號等因素對反向散射強度產(chǎn)生的影響，改進現(xiàn)有的多波束反向散射強度數(shù)據(jù)改正模型；依次基礎，結合海底地質(zhì)取樣獲取的真實海底沉積物樣品數(shù)據(jù)，詳細系統(tǒng)地尋求海底反向散射強度與底質(zhì)類型特征之間的關系；并以神經(jīng)網(wǎng)絡分類方法，實現(xiàn)對海底混合底質(zhì)類型的快速、準確自動識別。本發(fā)明實用性強、通用性高，主要用于對海底混合底質(zhì)類型的分類和識別。
文檔編號G06N3/08GK102109495SQ20091026541
公開日2011年6月29日 申請日期2009年12月28日 優(yōu)先權日2009年12月28日
發(fā)明者丁繼勝, 吳永亭, 周興華, 唐秋華, 陳義蘭 申請人:唐秋華