[發(fā)明專利]基于多波束相控陣聲納系統(tǒng)的三維聲納可視化處理方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310084892.3
• 申請(qǐng)日: 2013-03-15
• 公開（公告）號(hào): CN103197308A
• 公開（公告）日: 2013-07-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 田翔;史勇強(qiáng);周凡;陳耀武
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號(hào): G01S7/52
• 分類號(hào): G01S7/52
• 代理公司: 杭州天勤知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及圖像數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域，具體涉及一種基于多波束相控陣聲納系統(tǒng)的三維聲納可視化處理方法。

背景技術(shù)

多波束相控陣三維成像聲納系統(tǒng)是近幾年來在水下應(yīng)用領(lǐng)域較為先進(jìn)，應(yīng)用較為廣泛的系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用單頻聲納脈沖，運(yùn)用相控陣技術(shù)，同時(shí)產(chǎn)生上萬個(gè)波束信號(hào)，透射整個(gè)觀測(cè)場(chǎng)景，通過由多個(gè)傳感器單元構(gòu)成的接收面陣及高速信號(hào)處理后端(FPGA的信號(hào)處理系統(tǒng))，實(shí)時(shí)獲得水下三維點(diǎn)陣的范圍圖像。這些范圍圖像構(gòu)成的三維場(chǎng)景圖以10幀/秒到20幀/秒的速度更新圖像，滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求。配合從GPS(Global?Position?System)獲得的聲納系統(tǒng)的位置信息和船舶姿態(tài)傳感器（如陀螺儀，多普勒速度儀等）上獲得的聲納系統(tǒng)的狀態(tài)信息，通過坐標(biāo)變換將三維點(diǎn)陣的范圍圖像轉(zhuǎn)換到全局坐標(biāo)系下，隨著船舶的移動(dòng)，可以完成對(duì)整個(gè)場(chǎng)景的三維重建，以及對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的監(jiān)測(cè)及跟蹤等復(fù)雜任務(wù)。

多波束相控陣水下三維聲納成像系統(tǒng)在蛙人的探測(cè)及跟蹤、水雷及水雷類目標(biāo)的識(shí)別監(jiān)測(cè)、湖泊及海灘大陸架（淺水<200米）的海圖構(gòu)建、水下遙控航行器(ROV)及水下自動(dòng)航行器(AUV)的避障及導(dǎo)航、海上工程實(shí)施監(jiān)控、海港橋梁的墻壁檢查、海底管道檢查等多方面應(yīng)用上具有廣泛的應(yīng)用前景。

如圖1所示，多波束相控陣水下三維聲納可視化處理系統(tǒng)，由艦船攜載的多波束相控陣三維聲納傳感器100，對(duì)水下目標(biāo)及區(qū)域進(jìn)行主動(dòng)聲納掃描，然后將獲得的聲納數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送到上位機(jī)三維聲納可視化處理系統(tǒng)101，進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理顯示，同時(shí)船艦上攜帶了姿態(tài)傳感器102和GPS全球定位系統(tǒng)103，與衛(wèi)星104實(shí)時(shí)通訊定位多波束相控陣水下三維聲納系統(tǒng)的位置。

在水下三維聲納可視化處理系統(tǒng)中，國內(nèi)外已經(jīng)存在很多研究性質(zhì)，或是商業(yè)性質(zhì)的系統(tǒng)。比如英國Coda?Octopus公司的Echoscope系列產(chǎn)品配套一個(gè)同時(shí)產(chǎn)生16,000個(gè)波束的相控陣聲納，檢測(cè)固定目標(biāo)或者運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。提供實(shí)時(shí)場(chǎng)景觀測(cè)，高分辨率多角度的場(chǎng)景等功能。

水下三維聲納系統(tǒng)的數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大，信息量大，處理復(fù)雜，受采集環(huán)境、噪聲影響明顯等特征。因此，研究開發(fā)基于多波束相控陣水下三維聲納的可視化處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜水下環(huán)境中便捷快速的探索和監(jiān)控，具有很大的工程實(shí)用價(jià)值和理論意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種基于多波束相控陣聲納系統(tǒng)的三維聲納可視化處理方法，實(shí)現(xiàn)聲納數(shù)據(jù)的在線和離線處理，處理速度快，得到的三維場(chǎng)景圖像精度高。

一種基于多波束相控陣聲納系統(tǒng)的三維聲納可視化處理方法，包括以下步驟：

（1）采集聲納數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。

（2）通過網(wǎng)絡(luò)逐幀獲取聲納數(shù)據(jù)，將每一幀聲納數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的范圍圖像依據(jù)多波束相控陣聲納系統(tǒng)的位置信息和狀態(tài)信息轉(zhuǎn)化為全局坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；位置信息由GPS傳感器提供，狀態(tài)信息由船舶攜帶的姿態(tài)傳感器提供。

（3）對(duì)步驟（2）中獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，將過濾得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)連接成三角面片，并計(jì)算每個(gè)三角面片的法向量和頂點(diǎn)的法向量；可以依據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的強(qiáng)度信息或者深度信息，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾。

三角面片構(gòu)成三維場(chǎng)景圖像的數(shù)據(jù)骨架，將未連接成三角面片的孤立點(diǎn)剔除，提高三維場(chǎng)景圖像的清晰度和可讀性。

（4）將當(dāng)前幀與前一幀進(jìn)行配準(zhǔn)，將配準(zhǔn)后的當(dāng)前幀和前一幀中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行馬賽克化處理，然后利用遍歷交叉點(diǎn)算法將馬賽克化后的當(dāng)前幀和前一幀的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，并進(jìn)行三維場(chǎng)景圖像模型點(diǎn)集的更新。

在線實(shí)時(shí)處理時(shí)，采用反向投影算法和重采樣方法進(jìn)行配準(zhǔn)，提高配準(zhǔn)速度。

離線處理時(shí)，采用精度更高的ICP算法進(jìn)行配準(zhǔn)，利用奇異值分解（SVD）方式獲得最佳配準(zhǔn)矩陣，或者采用基于概率的X84邊界排出方法進(jìn)行配準(zhǔn)（F.R.Hampel,P.J.Rousseeuw,E.M.Ronchetti,and?W.A.Stahel.Robust?Statistics:theApproach?Based?on?Influence?Functions.Wiley?Series?in?probability?and?mathematicalstatistics.John?Wiley&Sons,1986）。

在離線處理時(shí)的融合過程中，記錄當(dāng)前幀和前一幀的融合點(diǎn)的數(shù)量以及每個(gè)融合點(diǎn)相關(guān)的所有幀的信息，依據(jù)所記錄的當(dāng)前幀和前一幀的融合點(diǎn)的數(shù)量以及與每個(gè)融合點(diǎn)相關(guān)的所有幀的信息，將配準(zhǔn)所造成的累積誤差分配到各對(duì)配準(zhǔn)的幀中，目的是將所有相鄰幀的配準(zhǔn)統(tǒng)一到相同的參考系中，減小成對(duì)配準(zhǔn)造成的累積誤差。