单波束水深约束的侧扫声呐图像三维微地形反演

高分辨率海底微地形可呈现更丰富的海床细节特征,对水下目标正确判读具有重要意义。除去底质因素影响,侧扫声呐图像明暗变化与海底地形起伏变化有关,挖掘侧扫声呐图像中的微地形信息,可以弥补现有测深手段分辨率上的不足。针对SFS方法从侧扫声呐图像反演出的相对地形缺少起伏尺度约束和起算基准等问题,本文通过小波分析方法从单波束数据中分别提取与侧扫声呐图像反演地形相关的高频地形及表征地形趋势变化的低频地形,以此构建侧扫声呐反演地形的尺度约束及基准改正模型。试验获得的反演地形从整体趋势到细节特征均与真实地形具有较好的一致性,统计结果表明,反演地形内、外符合均方根误差均小于15 cm,反演地形整体精度与单波束地形相当。     

水深数据约束下的声呐图像海底地形恢复方法

针对传统多波束系统和单波束系统在获得海底精细地形时的局限性,分析了高分辨率侧扫声呐图像与海底地形因素之间的关系,提出了一种利用高分辨率侧扫声呐图像恢复精细海底地形的新方法.根据侧扫声呐成像机理,构建模型获得声波在海底表面的入射强度和反射强度;基于Shape From Shading反演理论建立海底表面相对形状反演模型,并借助外部水深数据中分离出的地形高频项构建约束模型对反演结果进行约束;将外部水深数据提供的地形低频信息与约束后的反演结果叠加,实现绝对海底地形恢复.结果表明:该方法可获得相对中误差小于2%水深的海底地形恢复精度,并将测深数据分辨率提高近70倍.     

侧扫声呐图像反演海底地形的一种线性算法

为弥补现有测深方法在获取海底微地形方面的不足,基于侧扫声呐高分辨率成像特点,提出一种侧扫声呐图像反演三维海底绝对地形的线性化算法.首先,根据侧扫声呐成像原理给出声波入射方向的估算模型,基于海底表面漫反射模型推导出一种线性化反演模型,并以同区域初始地形作为约束建立反演地形的约束模型,实现了反演地形向绝对地形的转变;在此基础上,给出完整的侧扫声呐图像反演三维海底绝对地形的流程以及精度评定方法;最后,借助实验对该方法进行了检验和验证.实验结果表明,该方法可以获得均方根误差优于15 cm、分辨率为初始地形170倍的海底地形.     

多波束声呐水柱图像中气泡羽状流目标探测研究进展

多波束声呐水柱图像数据可以获得从换能器到海底的完整声学信息,通过其对气泡羽状流目标探测是发现海底可燃冰渗漏的一种重要途径,是目前海洋调查与监测中的重要观测内容.本文首先介绍多波束水柱数据的数据结构与成像原理,然后针对目前研究存在的图像噪声大且成因复杂、目标识别方法效率较低、气泡羽状流目标难以准确分割等问题,依次概述当前的研究进展,为海底可燃冰的勘探与监测相关研究提供理论基础.     

深水多波束测深侧扫声纳显控系统研究

针对深水多波束测深侧扫声呐多源探测数据的实时可视化表达处理效率较低的问题,提出实时测深数据快速条带式动态网格化方法和动态不规则金字塔构建方法、实时侧扫数据条带式增量更新方法和基于极坐标的实时水体数据重采样方法,实现了全球框架下动态海底探测地形的实时三维渲染和快速侧扫图像及水体图像绘制.同时采用基于状态保护与转移机制的声纳设备控制方法,通过异步通信方式实现了安全友好的交互式操作过程. 实验结果表明：该系统满足深水多波束测深侧扫声纳设备的显控需求,能够保障声纳设备作业安全、增强现场作业能力及数据发掘能力.     

基于邻域灰阶共生矩阵的海底沉积物分类

提出了一种邻域灰阶共生矩阵,用于对侧扫声纳海底图像进行纹理分析及沉积物分类.与用于图像纹理分析的常规灰阶共生矩阵相比,邻域灰阶共生矩阵描述了图像中某一像素与其邻域中所有像素的灰阶联合分布,从而能够更全面地描述图像区域的纹理特性.分别从常规灰阶共生矩阵和邻域灰阶共生矩阵计算相同的6种纹理特征,借此对泥、沙、石3种类型海底的侧扫声呐图像进行分类,分别获得了83.3%和86.4%的正确识别率.     

探测海底输油气管线状态的方法

为了海底输油气管线运行安全,避免潜在的灾害性因素的发生,对广东沿海一段海底输油气管线状态进行检测,采用浅层剖面测量、侧扫声呐测量和多波束测量手段对海底油气管线路由区域进行了勘测,勘测结果表明检测区域海底油气管线没有裸露和悬空,埋藏状态良好,管线周边地层较稳定,根据侧扫声呐图像和多波束测深图像,发现在管线路由区海底存在影响海底油气管道安全的因素,管线路由区海底拖锚等痕迹较多,并且在距离管线大约1 000m处有一个较大人工采砂坑存在。     

多波束相干海底成像技术

为使多波束测深系统获得高质量的海底地貌图像,研究一种基于多波束相干原理的成像方法.在分析多波束相干算法估计海底回波到达时间(time of arrival,TOA)与到达方向(direction of arrival,DOA)原理的基础上,结合水声环境与声呐系统参数对各检测点对应的反向散射强度和地理位置信息进行估计,并从相干信号的幅度、相关性以及频谱三方面对受噪声影响的相位差数据进行质量控制,实现了反向散射强度和空间位置信息的准确融合.试验数据的处理结果验证了该方法能有效抑制噪声对相位差序列的干扰并且所获声呐图像具有较好的空间分辨率.     

时空相关测速方法理论模型研究

相关测速声呐与多普勒测速声呐相比有很多优点.相关声呐与常规测深仪相似,用单波束垂直向海底发射,回波比多普勒声呐的回波强,而且波束可以很宽,相同大小的发射换能器,可以使用低频发射.早期的声相关计程仪,多采用时间或空间相关法,用常规的相关解算装置确定速度.为提高测速精度,提出了基于声传播机理构造海底回波的理论时空相关函数的方法,该方法通过采集的回波数据构造数据相关函数,利用最大似然等方法估计未知参数.为测出舰船相对于地的绝对速度,较详细地推导了海底回波的时空相关理论函数,从而可利用最大似然方法估计船速.     

从声呐反射信号判断海底沉积物类型

根据水下超声波传播及反射的基本原理，导出了海底不同类型沉积物对单波束声波脉冲反射产生不同形状回波的模型。根据这一模型所作的计算机计算结果与实验记录数据进行了对比，两者之间有较好的一致性，基于这一模型对大面积水域的海试记录数据进行了处理，其结果与多波束声呐试验数据经图象处理的结果非常一致。     

侧扫声纳目标自动探测研究

为了解决水声图像因受到噪声、多途、混响的影响,使水声图像特征难以提取的问题,针对海底目标的识别,通过对图像处理算法的研究以及大量的实验分析,给出了侧扫声纳图像目标自动识别的有效方法。其中包括图像的增强、二值化、二值开闭操作、特征提取、特征计算及目标识别等内容。通过对面积特征的提取和计算实现了对水下目标的自动探测。     

基于多子阵检测法的多波束海底成像技术

为提高多波束测深声呐海底成像质量,提出了一种基于多子阵检测法的海底成像技术.其以多子阵检测法得到的高精度、高空间分辨率回波到达时间(TOA)和到达角度(DOA)估计序列为基础,对每个接收窄波束的波束输出信号经采样处理估计各个海底检测点的空间位置和回波强度,并考虑实际水声环境以及角度的影响对成像数据进行修正.由于该方法估计对回波强度与空间位置的解算都源于相同的TOA与DOA数据,所以两者能准确地一一对应,提高了成像质量,湖上试验数据的处理结果表明了该方法的有效性以及良好的空间分辨能力.     

脉冲内高分辨电子扫描声纳扫描变换器

将距离方位直角坐标显示转化为无失真的扇面显示是高分辨电子扫描声纳的主要任务之一.本文提出一种利用DSP器件进行这种快速转换的方案.在引进声纳载体航向角并完成转换的同时,可实现电子扫描声纳的波束航向稳定已建立的系统与编制的应用程序证明方案可行,在0～40 m距离量程内,扇面无失真显示图形刷新速率可这每秒10幅.     

基于规一化割的声呐图像谱抠图分割

针对目前谱图理论应用于声呐图像分割时,效果不够理想的问题,提出一种结合Ncut和谱抠图的声呐图像分割方法.该方法首先通过形态学变换对声呐图像进行预处理,降低复杂背景对分割结果的影响;其次,引入数字抠图技术,通过改变Ncut算法中的拉普拉斯公式得到用于分割的图像透明度估计;最后,通过透明度处理得到最终的声呐图像分割结果.仿真实验证明了所提算法的有效性,与传统的谱图分割方法相比,没有对声呐图像的背景进行分割,并准确提取出了目标区域,得到了更理想且更细致的声呐图像目标分割结果,有利于后期识别.     

青岛崂山头海域海底滑坡的声波探测

利用多波束测深、浅地层剖面和侧扫声纳探测资料对青岛崂山头海域侵蚀沟及海底滑坡的形态、成因进行分析讨论。全覆盖的多波束测深反映了侵蚀沟的形态特征,为分析侵蚀沟及滑坡的成因提供了依据。崂山头海底滑坡是由潮流冲蚀等外动力引起的平移滑坡。侧扫声纳清晰地反映了滑坡边界和滑塌挤压波纹,表明滑坡刚发生不久,还未被冲蚀。浅地层剖面呈现较完整的滑坡形态和结构特征,可识别出滑动体、滑动剪切面和拖曳层理等滑坡要素。结果表明高分辨率的多波束测深仪、浅地层剖面仪和侧扫声纳仪等声学设备对探测海底滑坡、分析其成因具有较好的效果,可为海洋防灾减灾,海洋工程建设提供参考依据。     

侧扫声纳在海底光缆维护工程中的应用

海底光缆系统是现代通信的主要载体之一。光缆铺设于海底后,在自然和人为的作用下,其在海底状态可能随时间会发生变化,甚至遭到损害,需对其进行维护。维护工程中首先需要对光缆在海底的实际状况和所在区域的海底面特征有一个比较清楚的了解。侧扫声纳为此提供了一种十分经济有效的手段,它通过探测出露于海底的光缆或埋设于海底光缆的埋设沟痕等,确定光缆在海底位置、检测其在海底状况、调查其所在海区的海底面特征,并可用于检查光缆维护施工的工作效果等。本文结合APCN2海底光缆系统特殊区段护缆安装工程这一实际例子,讨论了侧扫声纳海底扫测资料在海底光缆系统维护工程中的应用,表明侧扫声纳在海底光缆维护工程中有广泛应用前景。但是,侧扫声纳无法有效探测既不出露海底又没有明显埋设沟痕的海底光缆,同时也无法确定光缆的埋设深度,对这些状况的了解须结合使用其它专门探测设备。     

结合形态学运算的谱抠图声纳图像分割法

针对数字抠图与图像分割之间的联系,提出一种结合形态学运算的谱抠图声纳彩色图像分割法。首先通过形态学中的顶帽(top-hat)变换和底帽(bottom-hat)变换去除声纳图像中阴影的影响和背景的不均匀性,并进行图像增强;其次,将数字抠图中的alpha值考虑到图像分割中,通过全局平均迭代阈值法获取阈值,对抠图所获alpha图像进行阈值处理得出分割结果;最后,与多种现有的分割方法进行仿真对比实验,实验结果证明了本文分割方法的有效性。     

变尺寸组合窗口在声呐图象搜索定位中的应用

根据沉底小目标声呐图象的特点，分析了传统的模板匹配定位方法不适用的原因，提出了变尺寸窗口和组合窗口的思想，并将其运用于沉底小目标声呐图象的搜索定位过程中，提出了一种变尺寸组合窗口搜索定位方法，通过实例证明了这种方法的可行性，窗口是图象处理中最重要的基本概念之一，本文提出了的变尺寸窗口和组合窗口的思想，是对图象处理中窗口概念的推广。     

数字声呐的差波束内插测向和多目标跟踪方法

本文提出了一种在被动数字声呐中利用相邻三个差波束响应精确测向的原理;介绍了基于这种测向原理而实现多目标跟踪的方法.文中介绍了计算机模拟的各种信号的差波束曲线,并且给出了实验室实验结果.这种测向及跟踪方法运算简便、实现容易、性能良好.