Многолучевое обратное рассеяние

Данные обратного рассеяния дают информацию о "твердости" морского дна и используются для различения различных типов морского дна, таких как твердые породы или мягкие отложения.

Данные обратного рассеяния могут быть использованы в качестве вспомогательного средства для понимания характеристик морского дна, включая твердость морского дна и характеристики поверхностных отложений. Данные обратного рассеяния также могут предоставить информацию о размере зерен отложений и шероховатости морского дна. Эти измерения могут быть использованы для характеристики окружающей среды (или среды обитания), в которой обитает морская фауна, и, как таковые, могут быть использованы для объяснения пространственных закономерностей биологии морского дна и биоразнообразия в непрерывных масштабах.

Данные обратного рассеяния используются для целого ряда целей, таких как:

• управление окружающей средой, включая сбор исходных данных для поддержки экологического мониторинга путем предоставления экологических характеристик морского дна (например, твердость морского дна, характеристики поверхностных отложений, характеристики донных местообитаний).
• оценка экологических аспектов управления морскими геологическими ресурсами, включая выявление геологических опасностей, таких как подводные оползни
• экологическое моделирование (например, составление карт типов местообитаний в непрерывном масштабе)
• мониторинг антропогенных изменений на морском дне (например, мониторинг расположения трубопроводов)
• безопасное судоходство (например, мониторинг и картографирование скалистых участков или участков с твердым грунтом)

Сбор данных обратного рассеяния

Данные многолучевой батиметрии и многолучевого обратного рассеяния собираются одновременно с помощью многолучевого эхолота, установленного на исследовательском судне. В то время как батиметрия измеряет глубину океана, данные обратного рассеяния могут использоваться для измерения твердости морского дна.

Во время сбора данных многолучевые эхолоты посылают множество звуковых волн, которые отражаются от морского дна и возвращаются на судно. Эти звуковые волны излучаются в виде акустических импульсов. На основе каждого импульса производится измерение батиметрии и обратного рассеяния. Каждый акустический импульс распространяется от сосуда в виде линии лучей слева направо, расходящихся веером под сосудом; это называется диаграммой направленности. Схема расположения луча широкая поперек судна, что означает, что он охватывает область непосредственно под судном и по обе стороны от судна, и узкая вдоль судна, что означает, что он не охватывает область впереди или позади судна.

Задержка между отправкой сигнала от передающих антенн и получением акустических сигналов позволяет измерить глубину океана или получить батиметрические данные. Сила обратного сигнала позволяет определить твердость морского дна или получить данные об обратном рассеянии.

На этом рисунке показан пример многолучевого сбора данных обратного рассеяния, где желтый цвет обозначает передающий луч, зеленый - пример одного из принятых лучей, а синий - одиночный след, образованный пересечением двух лучей (©2017, Изображение из AML Oceanographic).

Обработка данных обратного рассеяния

Доля акустической энергии, отраженной от морского дна, определяется контрастом импеданса, который иногда называют "твердостью", и видимой шкалой шероховатости поверхности (т.е. шероховатостью по отношению к длине акустической волны). Как правило, интенсивность обратного рассеяния увеличивается с увеличением шероховатости или твердости поверхности.

Коэффициент поверхностного рассеяния - это безразмерная величина, которая учитывает соотношение интенсивности (мощности) падающей и рассеянной волн, определенное на единицу площади на контрольном расстоянии 1 м. Выраженная в децибелах (дБ), эта величина обычно называется силой обратного рассеяния (BS).

Обработка обратного рассеяния включает в себя радиометрические и геометрические поправки. Этапы обработки включают в себя устранение потерь при передаче в системе; удаление модели коррекции угловой зависимости, специфичной для гидролокационной системы; вычисление угла падения; коррекцию диаграммы направленности; вычисление отклика на угловое обратное рассеяние в пределах заданного интервала; а также устранение угловой зависимости и восстановление силы обратного рассеяния под выбранным исходным углом. Были получены два обработанных набора данных обратного рассеяния - мозаика обратного рассеяния и набор кривых отклика углового обратного рассеяния.

Вероятность твердости морского дна

Вероятность твердости морского дна определяется на основе набора данных об угловом обратном рассеянии. Кривые углового обратного рассеяния извлекаются из известных участков твердого или ‘каменистого’ морского дна и рассчитывается среднее значение кривых углового обратного рассеяния. Это делается для определения контрольной кривой твердого/"каменистого" морского дна. Эта кривая используется в качестве эталонной и сравнивается со всеми другими кривыми отклика на угловое обратное рассеяние с использованием критерия соответствия по Колмогорову-Смирнову для оценки вероятности наличия твердого/"каменистого" морского дна (p‑hard). Наконец, метод обратной интерполяции с взвешиванием по расстоянию используется для создания непрерывного слоя p‑hard для всей области съемки.

Продукты обратного рассеяния

Компания Geoscience Australia использует данные обратного рассеяния, которые она получает, а также данные, полученные от внешних агентств и компаний, для производства ряда продуктов, отвечающих государственным и научным потребностям. Ключевые продукты включают:

• Карты отдельных обследований
• Необработанные и обработанные данные многолучевого обратного рассеяния и производные от них на уровне съемки, например, пространственные сетки вероятностей горных пород, сетки твердости морского дна
• Интерпретации морского дна, например, многоугольники рифов

Компания Geoscience Australia также использует данные обратного рассеяния для интерпретации данных о морском дне, а также для определения геоморфологии и твердости морского дна.

Соответствующие отчеты и публикации

Компания Geoscience Australia опубликовала ряд публикаций по анализу и применению обратного рассеяния, в том числе:

• Сивабесси П.Дж.В., Тран М., Пикард К., Брук Б.П., Хуан З., Смит Н., Уильямс Д.К., Николас У.А., Никол С.Л., Аткинсон И. (2017) Моделировали распределение твердого морского дна, используя откалиброванные данные многолучевого акустического обратного рассеяния, в тропической, приливно-отливной зоне: гавань Дарвина, Австралия. Геофизический отчет Мар, doi:10.1007/s11001-017-9314-7.
• Дэниэлл Дж., Сивабесси Дж., Никол С., Брук Б. (2015) Анализируют экологические факторы, влияющие на акустический угловой отклик, с использованием самоорганизующейся карты и иерархической кластеризации. Геомаршруттинг 35: 387-403.
• Хуан З., Сивабесси Дж., Никол С.Л., Брук Б.П. (2014) Прогнозное картографирование субстратов морского дна с использованием данных многолучевого гидролокатора высокого разрешения: тематическое исследование на шельфе со сложной геоморфологией. Мар Геол 357:37-52.
• Li J, Siwabessy J, Tran M, Huang Z, Heap A (2013) Прогнозирование твердости морского дна с использованием случайного леса в R. В: Zhao Y, Cen Y (eds) Приложения для интеллектуального анализа данных с R. Elsevier, Амстердам, стр. 299-329.
• Сивабесси П.У., Даниэлл Дж., Ли Дж., Хуан З., Хип А.Д., Никол С., Андерсон Т.Дж., Тран М. (2013) Методологии определения характеристик субстрата морского дна с использованием многолучевой батиметрии, обратного рассеяния и видеоданных: тематическое исследование карбонатных берегов Тиморского моря, Северная Австралия. Запись 2013/11. Geoscience Australia, Канберра.
• Гамильтон Л.Дж., Парнум И.М. (2011) Сегментация акустического морского дна на основе прямой статистической кластеризации всех кривых обратного рассеяния многолучевого гидролокатора. Продолжение статьи на шельфе 31:138-148.
• Ламарш Г., Люртон Х., Вердье А.-Л., Огюстен Ж.-М. (2010) Количественная характеристика субстрата морского дна и форм ложа с использованием усовершенствованной технологии многолучевого обратного рассеяния для пролива Кука, Новая Зеландия. Постоянный номер на полке 31 (S-1): 93-S109.
• Парнум И.М., Гаврилов А.Н. (2011) Высокочастотные многолучевые эхолотные измерения обратного рассеяния на морском дне на мелководье: часть 2 - Создание мозаики, анализ и классификация. J, технология 30(1):13-26. doi:10.3723/ut.30.013.
• Парнум И.М., Гаврилов А.Н. (2011) Высокочастотные многолучевые эхолотные измерения обратного рассеяния на морском дне на мелководье: Часть 1 - Сбор и обработка данных. Протокол испытаний 30(1):3-12. doi:10.3723/ut.30.003.
• Гаврилов А.Н., Парнум И.М. (2010) Данные о колебаниях обратного рассеяния на морском дне, полученные с помощью многолучевых гидроакустических систем. IEEE J Oceanic Eng 35 (2): 209-219.
• Сивабесси П.Ю., Парнум И.М., Гаврилов А., Макколи Р.Д. (2006) Обзор исследований по картированию прибрежных водных местообитаний для прибрежного CRC. Технический отчет по прибрежному CRC № 86, 27 стр.
• Сивабесси П.Ю., Гаврилов А.Н., Дункан А.Ю., Парнум И.М. (2006) Статистический анализ данных высокочастотного многолучевого обратного рассеяния на мелководье. Акустика 2006, Материалы конференции Австралазийских акустических обществ, Крайстчерч, Новая Зеландия, стр. 507-514.