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第1章 绪论1

1．1引言1

1．2船载测深系统的发展历史4

1．2．1原始测深方法4

1．2．2常规测深系统5

1．2．3多波束测深系统6

1．2．4多波束测深系统的最新进展8

1．2．5我国的多波束测深系统10

1．3多波束数据处理技术的现状和发展趋势10

1．3．1声速及其声线跟踪10

1．3．2多波束辅助参数的测定和滤波11

1．3．3深度数据滤波13

1．3．4图像处理13

1．3．5多波束数字信息与侧扫声呐图像信息的融合14

1．4本书的结构体系14

1．5本章小结15

参考文献16

第2章 多波束系统的工作原理18

2．1多波束系统的组成18

2．2多波束系统的声学原理20

2．2．1相长干涉和相消干涉以及换能器的指向性20

2．2．2换能器基阵的束控24

2．2．3波束的形成25

2．3波束的发射、接收流程及其工作模式27

2．4波束的能量衰减及其时间增益补偿30

2．5底部检测及系统探测能力的估算30

2．6波束脚印的归位问题31

2．7本章小结34

参考文献35

第3章 平面基准及其相互转换37

3．1地心坐标系37

3．1．1地心坐标系的定义37

3．1．2地心坐标系的建立38

3．1．3已有的地心坐标系统及其参数42

3．2参心坐标系43

3．2．1参心坐标系的定义43

3．2．2参心坐标系的建立44

3．2．3我国常用的参心坐标系及其参数45

3．3坐标系间的相互转换47

3．3．1大地坐标系与空间大地直角坐标系转换的数学模型47

3．3．2不同的三维空间直角坐标系转换的数学模型48

3．3．3不同大地坐标系转换的数学模型49

3．4高斯投影51

3．4．1高斯投影概述51

3．4．2椭球面元素到高斯投影面的转换54

3．4．3高斯投影的邻带坐标换算55

3．5 UTM（通用横轴墨卡托）投影56

3．6独立坐标系58

3．6．1独立坐标系概述58

3．6．2独立坐标系的建立58

3．6．3独立坐标系与其他几种典型坐标系的转换61

3．7本章小节63

参考文献63

第4章 潮汐调和分析及海洋垂直基准面64

4．1平衡潮理论64

4．1．1引潮力（势）64

4．1．2引潮力势的调和展开66

4．1．3平衡潮及其主要结论68

4．1．4实际潮汐的潮高68

4．2潮汐、潮流分析70

4．2．1潮汐分析70

4．2．2潮流分析72

4．2．3潮汐动力学理论73

4．3垂直基准76

4．3．1平均海平面77

4．3．2国家高程基准79

4．3．3海图深度基准面80

4．4基准传递与推估85

4．4．1．短期验潮站平均海平面的确定85

4．4．2深度基准面传递与推估87

4．4．3平均海平面和深度基准面的综合传递88

4．5海洋垂直基准统一框架89

4．5．1平均海平面作为海洋统一垂直参考基准89

4．5．2以椭球面作为海洋统一垂直参考基准89

4．6本章小结92

参考文献92

第5章 声速及声线跟踪94

5．1海洋声学94

5．1．1海洋声速96

5．1．2声波在海水中的传播特性97

5．1．3声道100

5．1．4海洋噪声101

5．2海水中声速的确定101

5．2．1声速剖面的直接测量102

5．2．2声速的间接确定104

5．3基于自组织神经网络的声速剖面分类方法112

5．3．1 SOFM神经网络112

5．3．2声速剖面的描述113

5．3．3用于划分声速剖面类别的SOFM神经网络的构造和训练114

5．3．4实验和分析115

5．4局域空间声速模型的建立120

5．4．1局域空间声速模型的建立120

5．4．2实践及分析121

5．5声线跟踪法124

5．5．1Harmonic平均声速125

5．5．2基于层内常声速假设下的声线跟踪算法126

5．5．3基于层内常梯度假设下的声线跟踪算法127

5．6等效声速剖面法128

5．6．1一个重要事实的证明128

5．6．2误差修正法129

5．6．3等效声速剖面法130

5．7声线跟踪过程及各方法的比较132

5．7．1声线跟踪法的计算过程132

5．7．2误差修正法和等效声速剖面法的计算过程133

5．7．3各种方法的比较134

5．8实践及分析135

5．9声速对多波束测量成果的影响137

5．9．1声速剖面测量误差的产生137

5．9．2声速误差的影响138

5．10本章小结141

参考文献141

第6章 辅助参数的测定、滤波及补偿143

6．1多波束测量中的定位技术143

6．2局部无缝垂直参考基准面的建立146

6．2．1精密局域大地水准面的确定147

6．2．2局域海图基准高程模型的建立148

6．2．3建立Saint John河无缝垂直参考基准的实践和过程分析148

6．3GPS船姿测量156

6．3．1坐标系统的定义及其相互关系156

6．3．2船体姿态测量原理157

6．3．3实验及分析158

6．4船姿分析及其补偿161

6．4．1船姿受动因素分析161

6．4．2船姿对多波束测量的影响162

6．4．3ΔP、Δr极值的确定165

6．4．4姿态测量误差对条带拼接的影响及其削弱167

6．5在航GPS潮位测量167

6．5．1船载（球载）GPS潮位测量方法168

6．5．2实验数据处理及分析171

6．6换能器吃水173

6．6．1静吃水173

6．6．2动吃水174

6．7基于信号融合的多波束换能器瞬时垂直基准的确定175

6．7．1换能器处GPS高程信号的获取175

6．7．2GPS UTC时间和多波束系统时间的同步176

6．7．3GPS高程信号的滤波178

6．7．4GPS高程信号和Heave信号的融合180

6．7．5实验验证和分析184

6．7．6精度分析186

6．8自适应Kalman滤波190

6．8．1离散系统Kalman滤波的数学描述190

6．8．2自适应Kalman滤波191

6．9Kalman滤波在辅助参数滤波中的应用193

6．9．1点位滤波193

6．9．2潮位面观测数据滤波194

6．9．3姿态数据滤波196

6．10本章小结197

参考文献198

第7章 多波束深度数据滤波200

7．1影响深度计算的误差源200

7．2深度数据的质量评估201

7．3深度数据的一般滤波法202

7．3．1交互式滤波202

7．3．2自动滤波203

7．4趋势面滤波法204

7．5基于抗差M估计滤波207

7．5．1滤波原理207

7．5．2滤波实践及分析208

7．6两步滤波法210

7．6．1两步滤波法的基本思想210

7．6．2滤波实践及分析211

7．6．3显著性分析212

7．7半参数（非参数）法滤波214

7．7．1半参数（非参数）法削弱系统误差的基本思想214

7．7．2深度数据中系统误差的组成215

7．7．3规则化器R和规则化参数α的确定216

7．7．4滤波实践及分析218

7．8本章小结220

参考文献221

第8章 基于随机软件的多波束测深数据处理222

8．1国内外主要多波束数据处理软件222

8．2多波束测深数据处理224

8．2．1多波束数据后处理流程224

8．2．2多波束数据格式转换224

8．2．3水深数据处理226

8．3基于Neptune软件的多波束数据处理232

8．3．1数据预处理232

8．3．2多波束数据的编辑与处理235

8．4基于MB-System软件的多波束数据处理237

8．4．1 MB-System多波束数据处理系统简介237

8．4．2 MB-System数据处理过程概述239

8．4．3 MB-System数据处理过程详述240

8．5本章小结257

参考文献257

第9章 声强数据的处理及声呐图像的形成258

9．1声能方程及其解释258

9．2回波强度与海底类型的关系261

9．3声呐图像的形成原理262

9．3．1底部检测与回波强度262

9．3．2声呐图像单元的形成263

9．4影响声强的主要因素265

9．5回波强度数据处理266

9．6声强数据的滤波以及位置的确定和内插271

9．7声呐图像的形成273

9．8本章小结276

参考文献276

第10章 声呐图像处理278

10．1声呐图像平滑278

10．1．1声呐图像平滑的一般方法278

10．1．2平滑实践及方法分析280

10．2利用小波分析实现图像噪声的消除281

10．2．1小波分析与Fourier分析281

10．2．2利用小波分析进行信噪分离及滤波的基本思想282

10．2．3滤波实践284

10．3声呐图像增强287

10．3．1图像增强方法287

10．3．2实践及分析289

10．4图像锐化292

10．4．1图像锐化方法293

10．4．2实践及分析295

10．5图像边缘特征的提取297

10．6本章小结298

参考文献298

第11章 多波束声呐图像的应用301

11．1多波束分辨率301

11．2声呐图像的预处理301

11．3目标识别302

11．3．1海底目标的识别302

11．3．2海底目标识别实验——目标区类别识别303

11．3．3“盛鲁”沉船的搜寻与图像识别307

11．4声呐图像中目标自动跟踪的实现308

11．4．1沉底小目标声呐图像308

11．4．2跟踪原理和跟踪过程的实现309

11．4．3目标动态跟踪实验310

11．5回波强度与海底底质间对应关系的建立312

11．5．1不同掠射角下回波强度的测定312

11．5．2不同频率下回波强度与掠射角、底质对应关系的建立313

11．5．3同频率下底质与掠射角对应关系的建立313

11．5．4与设备、入射角无关的声强与底质关系数据库的建立314

11．6海底底质分类315

11．6．1海底分类的研究现状316

11．6．2传统的海底分类的方法318

11．6．3利用回波强度与掠射角、海底物质对应关系进行海底分类319

11．6．4基于纯量声强的海底分类319

11．6．5基于分形维的底质分类322

11．6．6基于遗传算法的BP网络实现海底底质分类327

11．6．7基于SOFM自组织神经网络的海底分类335

11．7本章小结342

参考文献343

第12章 多波束系统和侧扫声呐系统测量信息的融合345

12．1多波束与侧扫声呐的比较345

12．1．1成像原理及分辨率的比较345

12．1．2图像比较346

12．2侧扫声呐图像中目标位置的确定346

12．3侧扫声呐图像预处理350

12．4侧扫声呐图像的应用351

12．4．1目标探测351

12．4．2搜索失事飞机、轮船等海底残骸352

12．4．3海底沉积物属性的确定353

12．4．4海底地震、火山、地层的监测353

12．5侧扫声呐图像与多波束图像的匹配353

12．5．1基于目标边界线的图像匹配方法354

12．5．2Chamfer图像匹配法354

12．5．3图像间的自动配准355

12．5．4基于小面元微分纠正的图像间自动配准358

12．5．5图像匹配实例360

12．6数字信息和图像信息的融合366

12．6．1加权融合366

12．6．2基于小波变换的图像融合366

12．6．3图像融合的效果评价367

12．6．4一个简单的图像融合实例369

12．7地貌图像与DEM的复合370

12．8海底地形地貌的解释371

12．8．1定性分析371

12．8．2定量分析372

12．9本章小结373

参考文献373