随着声学探测技术发展,多波束声呐作为水下地形获取的主流仪器,利用记录的回波强度数据进行海底底质调查已经成为其一项重要应用。目前,我国海洋科考船上普遍安装的多扇区多波束声呐由于多扇区发射、双swath采集、测量模式切换的工作特点,导致回波强度中出现了显著的波束模式辐射畸变问题,严重限制了数据的利用价值。同时,基于多波束声呐的底质分类多以角度响应曲线或海底强度图像为数据源开展,受空间分辨率低或图像条带噪声的影响,导致类别边界不准确、声呐最低点分类精度低或空缺现象。为此,本文开展了多扇区多波束声呐辐射模型和背散射强度统计特性分析,提出了多扇区波束模式相对改正方法与联合强度统计特性与图像结构信息的底质分类方法,解决了多扇区多波束辐射特性导致的系统性辐射畸变问题,实现了高分辨率、测区全覆盖的非监督底质分类。论文的主要工作与贡献如下:1、介绍了多波束声呐背散射强度测量与底质分类的声学原理,梳理了常规单扇区多波束系统回波强度数据的处理流程,分析了传统以角度响应曲线或海底强度图像为数据源的分类效果,讨论了多扇区多波束系统特点及其自身特性对背散射强度测量的影响。2、提出了多扇区波束模式相对改正方法。该方法首先选取少量数据按照测量模式、采集swath、发射扇区统计不同海底入射角的回波强度,然后使用经验性角度响应模型估计的背散射强度曲线作为参考基准,确定扇区间相对的波束模式辐射畸变改正值,最后将其应用到所有测线中补偿系统性的辐射畸变现象。实验表明,方法在不借助额外校正设备或现场实验的条件下,能够有效解决多扇区多波束声呐作业模式带来的系统性强度畸变问题,获取高质量的海底背散射强度信号。与进行波束模式改正前相比,垂直航迹向相邻扇区之间的强度曲线连续变化无错位现象,平行航迹向不同扇区相同海底入射角下强度基本吻合,提高了多扇区多波束系统回波强度数据的利用价值。3、提出了联合强度统计特性与图像结构信息的声学底质分类方法。该方法首先基于斜入射区域不同角度下的强度直方图构建各类别的概率密度曲线,其次采用反距离加权方法内插形成测区全覆盖的概率似然图,然后使用导向滤波方法引入海底强度图像的结构信息对不同类别的概率图进行优化,最后利用贝叶斯决策理论得到非监督分类结果。实验表明,方法融合背散射强度信号与海底强度图像在类别区分与边界确定的优势,可以实现测线覆盖范围内高分辨率的海底底质区分,类别边界清晰、斑点噪声少。将胶州湾海域的分类结果与沉积物采样资料比对可知,自动确定的类别数目与实际情况基本吻合,整体分类正确率可达到86.3%,证明了方法的正确性与合理性。4、在南海某海域开展了大区域多波束底质分类应用。首先对多扇区多波束声呐采集的回波强度数据进行了波束模式改正实验,平行航迹向扇区不同导致的强度偏差平均值由1.98d B降至了0.31d B,消除了系统性辐射畸变问题对底质区分的影响,得到了高质量的背散射强度信号与海底强度图像;在此基础上对测区进行了底质分类实验,形成了高分辨率、全覆盖的非监督分类结果,利用交叉测线对结果进行了检验,整体一致率达到了86.4%,进一步验证了波束模式改正方法的有效性与分类方法的优越性。