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多波束测深和图像数据处理
本书详细讲解了多波束测深的原理、侧扫声呐在海底地形绘制、水下目标识别的应用、可以供水声等相关专业科研人员参考国家“十一五”重点图书地球空间信息学丛书/李德仁主编多波束测深及图像数据处理■赵建虎刘经南著WUHAN UN∨ ERSITY PRESS武汉大学出版社图书在版编目(CIP)数据多波束测深及图像数据处理/赵建虎,刘经南著.一武汉:武汉大学出版社,2008.9国家“十一五”重点图书地球空间信息学丛书/李德仁主编ISBN978-7-307065000Ⅰ.多…Ⅱ.①赵…②刘…Ⅲ.海洋测量一测深一卫星图像一图像处理Ⅳ.P229-39中国版本图书馆CP数据核字(2008)第129252号责任编辑:任翔责任校对:黄添生版式设计:马佳出版发行:武汉大学出版社(430072武昌珞珈山)(电子邮件:wdp4@whu.edu.cn网址:ww.wdp.com.cn)印刷:武汉中远印务有限公司开本:720×10001/16印张:24.25字数:446千字插页:1版次:2008年9月第1版208年9月第1次印刷ISBN978-7-30706500-0/P·138定价:45.00元版权所有,不得翻印;凡购我社的图书,如有缺页、倒页、脱页等质量问题,请与当地图书销售部门联系调换。前言随着陆地资源的还渐匮乏,人类已将资源开发和利用的重点转向了占整个地球面积71%、蕴藏着丰富自然资源的海洋。我国已于20世纪末制定了21世纪海洋强国战略,其宗旨是将我国建设成为世界级的海洋强国。在这一世纪性战略中,海洋测量作为人类一切海洋活动的基础,必将扮演着十分重要的作用。随着电子、计算机、信息等相关技术的迅速发展,当今的海洋测量正呈现蓬勃的立体发展态势。在这一大背景下,基于船载测量设备的海洋调查和勘测技术、手段及方法在我国也取得了日新月异的成就,尤其是自20世纪90年代引进的多波束系统,无论是测点的精度、密度和代表性,均是以往传统水下地形测量方法所不能比拟的,真正地实现了从“点”、“线”水下地形测量到条带式、全覆盖、“面”测量的变革,给我们真实、详细地呈现出了海底的精细地形和地貌,使人类能够首次全面地认识“漆黑”的海底世界。然而,由于多波束系统引进的时间较短,我国对该系统的认知还基本处于初始阶段,许多拥有多波束系统的测量单位到目前为止还停留在依照系统参考手册和操作规范实施作业的初始应用阶段,远没有最大限度地发挥该系统的应用潜力。另外,由于对相关知识的了解和认识不足,系统的应用远没有达到预期的精度。为了改善多波束系统在我国当前的应用状况,提高系统的应用和开发潜力,本书围绕多波束系统具有测深和获取声呐图像两大功能,在论述多波束系统的发展历史和工作原理的基础上,对多波束测量中涉及的平面基准及其相互转换、潮汐调和分析及海洋垂直基准面、声速及声线跟踪、辅助参数的测定、滤波及补偿、多波束测深数据滤波、基于已有软件的多波束数据处理过程及分析、声强数据的处理及声呐图像的形成、声呐图像的处理、多波束声呐图像的应用、多波束测量信息和侧扫声呐测量信息的融合等主题展开了深人的研究,详细地介绍了这些研究目前取得的最新进展研究所采用的理论和方法,同时还给出了这些理论和方法的实际应用效果。这些研究成果对从事多波束研究和实际工程应用具有一定的借鉴作用。本书共分12章,第1至2章主要由刘经南院士赵建虎完成,着重介绍了船多波東测深及图像数据处理载测深系统的发展历史以及多波束数据处理技术的现状和发展趋势,第3至8章着重介绍了测深数据的处理方法、理论及实际应用。在这部分中,从第3章到第7章由赵建虎和刘经南院士完成,第8章由陈义兰、杨琨、吴永亭、周丰年完成;第9至11章着重介绍了基于多波束回波强度信息所生成的声呐图像的形成、处理及应用,由赵建虎和刘经南院士完成。第12章在系统分析了多波束和侧扫声呐测量内容特点的基础上,提出了综合二者测量信息,通过信息的有机融合处理获取海底高精度声呐图像和高分辨率地形的思想和方法,对二者的信息融合方法、理论进行了探讨,并对其应用前景进行了展望。由于本书涉及的内容比较多,许多领域是目前国内外研究的热点问题,加之作者水平有限,书中有不妥之处,敬请各位专家与读者批评指正。编者2007年8月目录第1章绪论…1.1引言甲鲁···船载测深系统的发展历史1.2.1原始测深方法看·曲单非·鲁非看P即·鲁。看4451.2.2常规测深系统……1.2.3多波束测深系统1.2.4多波束测深系统的最新进展1.2.5我国的多波束测深系统………………101.3多波束数据处理技术的现状和发展趋势……1.3.1声速及其声线跟踪1.3.2多波束辅助参数的测定和滤波1.3.3深度数据滤波…131.3.4图像处理……………………………131.3.5多波束数字信息与侧扫声呐图像信息的融合……………141.4本书的结构体系141.5本章小结15参考文献16第2章多波束系统的工作原理··········………………182.1多波束系统的组成182.2多波束系统的声学原理…202.2.1相长干涉和相消干涉以及换能器的指向性202.2.2换能器基阵的束控…b·●量垂看·杳·有242.2.3波束的形成………252.3波束的发射、接收流程及其工作模式鲁自·t··。命272.4波束的能量衰减及其时间增益补偿……302.5底部检测及系统探测能力的估算……30多波束测深及图像数据处理2.6波束脚印的归位问题…312.7本章小结34参考文献中自●非·幽35第3章平面基准及其相互转换3.1地心坐标系…373.1.1地心坐标系的定义……………………373.1.2地心坐标系的建立383.1.3已有的地心坐标系统及其参数423.2参心坐标系433.2.1参心坐标系的定义433.2.2参心坐标系的建立4432.3我国常用的参心坐标系及其参数……453.3坐标系间的相互转换……………………………………473.3.1大地坐标系与空间大地直角坐标系转换的数学模型473.3.2不同的三维空间直角坐标系转换的数学模型483.3.3不同大地坐标系转换的数学模型…493.4高斯投影·鲁·513.4.1高斯投影概述3.4.2椭球面元素到高斯投影面的转换曾·q。鲁普鲁看曹鲁·鲁543.4.3高斯投影的邻带坐标换算553.5UTM(通用横轴墨卡托)投影…鲁由申鲁由563.6独立坐标系583.6.1独立坐标系概述583.6.2独立坐标系的建立583.6.3独立坐标系与其他几种典型坐标系的转换613.7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∴644.1平衡潮理论……644.1.1引潮力(势)644.1.2引潮力势的调和展开………鲁·664.1.3平衡潮及其主要结论68日录4.1.4实际潮汐的潮高……84.2潮汐、潮流分析704.2.1潮汐分析……………………………704.2.2潮流分析…………724.2.3溯汐动力学理论734.3垂直基准764.3.1平均海平面……………………………………………774.3.2国家高程基准794.3.3海图深度基准面…804.4基准传递与推估……854.4.1短期验潮站平均海平面的确定854.4.2深度基准面传递与推估874.4.3平均海平面和深度基准面的综合传递884.5海洋垂直基准统一框架894.5.1平均海平面作为海洋统一垂直参考基准…894.5.2以椭球面作为海洋统一垂直参考基准…894.6本章小结……………………………………………………92参考文献………………………………………92第5章声速及声线跟踪945.1海洋声学…·日945.1.1海洋声速…965.1.2声波在海水中的传播特性………………………………975.1.3声道…1005.1.4海洋噪声…………1015.2海水中声速的确定…………1015.2.1声速剖面的直接测量申鲁·杳·………10252.2声速的间接确定1045.3基于自组织神经网络的声速剖面分类方法1125.3.1SOFM神经网络1125.3.2声速剖面的描述1135.3.3用于划分声速剖面类别的S0FM神经网络的构造和训练…1145.3.4实验和分析1155.4局域空间声速模型的建立120多波東测深及图像数据处理5.4.1局域空间声速模型的建立∴…………………1205.4.2实践及分析…………………………1215.5声线跟踪法1245.5.1 Harmonic平均声速1255.5.2基于层内常声速假设下的声线跟踪算法…1265.5.3基于层内常梯度假设下的声线跟踪算法1275.6等效声速剖面法1285.6.1一个重要事实的证明1285.6.2误差修正法12956.3等效声速剖面法1305.7声线跟踪过程及各方法的比较鲁鲁·着·。鲁非·。…1325.7.1声线跟踪法的计算过程1325.7.2误差修正法和等效声速剖面法的计算过程1335.7.3各种方法的比较13458实践及分析……………1355.9声速对多波束测量成果的影响……4··1375.9.1声速剖面测量误差的产生…………………………1375.9.2声速误差的影响1385.10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…………1436.1多波束测量中的定位技术●寺章萨。1436.2局部无缝垂直参考基准面的建立1466.2.1精密局域大地水准面的确定1476.2.2局域海图基准高程模型的建立p●曹D●14862.3建立 Saint John河无缝垂直参考基准的实践和过程分析……1486.3GPS船姿测量…····“··1566.3.1坐标系统的定义及其相互关系1566.3.2船体姿态测量原理…1576.3.3实验及分析1586.4船姿分析及其补偿…l616.4.1船姿受动因素分析1616.4.2船姿对多波束测量的影响……………………162
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采用COMSOL软件，对平面变压器的仿真过程进行叙述，让大家了解平面变压器的仿真流程，是个很好的指导教材Solved with COMSOL Multiphysics 5.0Results and discussionThe magnetostatic analysis yields an inductance of 0. 1l mH and a dc resistance of0. 29 mQ2. Figure 2 shows the magnetic flux density norm and the electric potentialdistributionvolume: Coil potentiaL()Volume: Magnetic flux density norm (t▲0.07▲2.88×10-42.51.50.03050.01V656×107v0igure 2: Magnetic flux density norm and electric potential distribution for themagnetostatic analysisIn the static (DC) limit, the potential drop along the winding is purely resistive andcould in principle be computed separately and before the magnetic flux density iscomputed. When increasing the frequency, inductive effects start to limit the currentand skin effect makes it increasingly difficult to resolve the current distribution in thewinding. At sufficiently high frequency, the current is mainly flowing in a thin layernear the conductor surface. When increasing the frequency further. capacitive effectscome into play and current is flowing across the winding as displacement currentdensity. When going through the resonance frequency, the device goes from behavingas an inductor to become predominantly capacitive. At the self resonance, the resistivelosses peak due to the large internal currents Figure 4 shows the surface current3 MODELING OF A 3D INDUCTORSolved with COMSOL Multiphysics 5.0distribution atl MHz. Typical for high frequency the currents are displaced towardsthe edges of the conductor.freq(1)=1.0000E6_Surfaee: Surface-current density norm (A/)▲18618Q16010￥1.02Figure 3: Surface current density at I MHz (below the resonance frequency)Figure 4 shows how the resistive part of the coil impedance peaks at the resonancefrequency near 6MHz whereas Figure 5 shows how the reactive part of the coiimpedance changes sign and goes from inductive to capacitive when passing throughthe resonance4 MODELING OFA3DINDUCTORSolved with COMSOL Multiphysics 5.0Global: Lumped port impedance(Q2)d port impedance7.5G6.583275655545352510.10.20.30.40.509igure 4: Real part of the electric potential distribution5 MODELING OF A INDUCTORSolved with COMSOL Multiphysics 5.0Global: Lumped port impedance(Q2)35000Lumped port impedance200001000050000500010000-1500020000250000.10.20.30.40.50.60.70.809Figure 5: The reactive part of the coil impedance changes sign hen passing through theresonance frequency, going from inductive to capacitiveModel library path: ACDC_Module/Inductive_ Devices_and_coils/inductor 3dFrom the file menu. choose newNEWI In the new window click model wizardMODEL WIZARDI In the model wizard window click 3D2 In the Select physics tree, select AC/DC> Magnetic Fields(mf)3 Click Add4 Click StudyMODELING OF A3D NDUCTORSolved with COMSOL Multiphysics 5.05 In the Select study tree, select Preset Studies>StationaryGEOMETRYThe main geometry is imported from file. Air domains are typically not part of a CaDgeometry so they usually have to be added later. For convenience three additionaldomains have been defined in the CAd file. These are used to define a narrow feed gapwhere an excitation can be appliedport l(impl)I On the model toolbar, click Import2 In the Settings window for Import, locate the Import section3 Click Browse4 Browse to the models model library folder and double-click the filenductor 3d. mphbinSphere /(sphl)I On the Geometry toolbar, click Sphere2 In the Settings window for Sphere, locate the Size section3 In the Radius text field, type 0.2ick to expand the Layers section. In the table, enter the following settingsLayer nameThickness(m)ayer0.055 Click the Build All Objects buttonForm Union(fin)i On the Geometry toolbar, click Build AllClick the Zoom Extents button on the Graphics toolbar7 MODELING OF A 3D INDUCTORSolved with COMSOL Multiphysics 5.03 Click the Wireframe Rendering button on the Graphics toolbarThe geometry should now look as in the figure below0.1-0.10.20.0.0.1y0.0.2Next, define selections to be used when setting up materials and physics Start bdefining the domain group for the inductor winding and continue by adding otheruseful selectionsDEFINITIONSExplicitI On the Definitions toolbar, click Explicit2 In the Settings window for Explicit, in the Label text field, type Winding3 Select Domains 7,8 and 14 onlyI On the Definitions toolbar, click Explicit2 In the Settings window for Explicit, in the Label text field, type Gap3 Select domain 9 onlI On the Definitions toolbar, click Explicit8 MODELING OF A3DINDUCTORSolved with COMSOL Multiphysics 5.02 In the Settings window for Explicit, in the Label text field, type core3 Select Domain 6 onlyExplicit 4I On the Definitions toolbar, click Explicit2 In the Settings window for Explicit, in the Label text field, type InfiniteElements3 Select Domains 1-4 and 10-13 onlyExplicit 5I On the Definitions toolbar, click Explicit2 In the Settings window for Explicit, in the Label text field, type Non-conducting3 Select Domains 1-6 and 9-13 onlyI On the Definitions toolbar, click Explicit2 In the Settings window for Explicit, in the Label text field, type Non-conductingwithout Ie3 Select Domains 5, 6, and 9 only.Infinite Element Domain /(iel)Use infinite elements to emulate an infinite open space surrounding the inductorI On the definitions toolbar click Infinite element domain2 In the Settings window for Infinite Element Domain, locate the Domain Selectionsection3 From the Selection list. choose Infinite Elements4 Locate the Geometry section From the Type list, choose SphericalNext define the material settingsADD MATERIALI On the Model toolbar, click Add Material to open the add Material window2 Go to the Add material window3 In the tree, select AC/DC>Copper.4 Click Add to Component in the window toolbar9 MODELING OF A 3D INDUCTORSolved with COMSOL Multiphysics 5.0MATERIALSCopper(mat/)I In the Model Builder window, under Component I(comp l)>Materials click Copper(matD)2 In the Settings window for Material, locate the Geometric Entity Selection section3 From the Selection list, choose windingADD MATERIALI Go to the Add Material window2 In the tree. select built-In>Air3 Click Add to Component in the window toolbarMATERIALSAir(mat2I In the Model Builder window, under Component I(comp l)>Materials click Air(mat2)2 In the Settings window for Material, locate the Geometric Entity Selection section3 From the Selection list, choose Non-conductingThe core material is not part of the material library so it is entered as a user-definedmateriaMaterial 3(mat3)I In the Model Builder window, right-click Materials and choose Blank Material2 In the Settings window for Material, in the Label text field, type Core3 Locate the geometric Entity Selection section4 From the selection list choose Core5 Locate the Material Contents section. In the table, enter the following settingsPropertName Value Unit Property groupElectrical conductivity sigma0S/IBasicRelative permittivity epsilonrBasicRelative permeability mur1e3Basic6 On the model toolbar. click Add Material to close the Add Material windowMAGNETIC FIELDS (MF)Select Domains 1-8 and 10-14 only0MODELING OF A 3D INDUCTOR
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