CN102707289A - 基于航向角旋转的多波束侧扫声纳图像实时拼接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于航向角旋转的多波束侧扫声纳图像实时拼接方法。采集多波束侧扫声纳所有通道中的原始数据，并设定拼接图像初始位置；移除因为第一个回波点返回之前换能器接收水下噪声产生的水柱区；将移除水柱区后的原始数据中的第一ping的N个通道数据写入画布，并记录当前的ping数和当前航向角；读取下一ping N个通道的数据和对应的GPS及航向角信息，计算前后两ping数据航向角的差值，若航向角无变化，则按GPS信息顺次拼接，若航向角有变化，将数据进行旋转后拼接，旋转角度为航向角差值；修补拼接后图像中出现的缝隙。本发明是一种精确度高、显示效果好、计算量低的多波束侧扫声纳图像实时拼接方法。

Description

基于航向角旋转的多波束侧扫声纳图像实时拼接方法

技术领域

本发明涉及的是一种图像拼接方法，具体地说是一种多波束水声图像实时拼接的新方法。

背景技术

广袤的海洋空间对于人类的生存和发展具有重要意义，随着人类对海洋的开发和利用，对海地地形地貌进行探测，绘制海底地形图，借以掌握详尽的海洋地理信息显得至关重要。当前海洋探测中，主要以声学探测系统为主要手段。但是船体在拖拽侧扫声纳探测过程中，不可避免地会受到各种因素的影响，由于声纳斜距成像的特点，GPS定位不准及异常跳变等不稳定因素存在，导致了侧扫声纳图像无法真实的显示海底地貌，从而无法获得精确的海底地形图像。

声纳图像拼接的目的，就是读取原始声纳数据中的信息，进行相应的处理，消除斜距的影响，并根据GPS数据将声纳文件中记录的信息还原成真实的海底地貌。当前，国外一些著名的声纳设备制造商都研发了相应的声纳成像软件，但价格昂贵，且其分析技术为商业机密无法公开，对于当前广泛使用的多波束侧扫声纳数据的拼图研究更是罕见，而现有的单波束声纳图像处理方法，逐一计算每个回波点坐标，将其应用于多波束声纳图像处理，积累误差大，计算时间长，无法进行精准的实时拼接，因此，对多波束侧扫声纳图像的实时拼接方法的研究具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种精确度高、显示效果好、计算量低的基于航向角旋转的多波束侧扫声纳图像实时拼接方法。

本发明的目的是这样实现的：

（1）采集多波束侧扫声纳所有通道中的原始数据，并设定拼接图像初始位置；

（2）移除因为第一个回波点返回之前换能器接收水下噪声产生的水柱区；

（3）将移除水柱区后的原始数据中的第一ping的N个通道数据写入画布，并记录当前的ping数和当前航向角；

（4）读取下一ping N个通道的数据和对应的GPS及航向角信息，计算前后两ping数据航向角的差值，若航向角无变化，则按GPS信息顺次拼接，若航向角有变化，将数据进行旋转后拼接，旋转角度为航向角差值；

（5）修补拼接后图像中出现的缝隙。

本发明的方法可以进一步说明为：

（1）读取声纳文件中左右两侧N个通道的原始数据，并设定拼接图像的初始位置；

（2）移除原始数据中因为第一个回波点返回之前换能器接收水下噪声产生的水柱区；

（3）以拖鱼接收到的GPS坐标为中心，将移除水柱区后的原始数据中的第一ping的N个通道数据写入画布，并记录当前的ping数x和当前航向角α_x；

（4）记录[x+1]ping的N个通道数据，读取其航向角值α_[x+1]，计算前后两ping数据航向角差值Δα，若Δα＝0，则以当前GPS坐标为中心顺次拼接，若Δα≠0，则以当前GPS坐标为中心进行旋转后拼接，其旋转矩阵为：

$C^{\′}=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\Δ\α}& -\sin \mathrm{\Δ\α}\\ \sin \mathrm{\Δ\α}& \cos \mathrm{\Δ\α}\end{array}\right];$

（5）前后两ping数据拼接后，计算两个GPS中心点之间的距离，设两GPS中心分别为trace[x]、trace[x+1]，则距离

当航向角无变化时，设Δd＝d-w，其中w为一ping数据宽度，若Δd≠0，则两ping数据间存在无效像素即缝隙，取阈值ε，若Δd＜ε，则缝隙较小，采用最邻近插值，若Δd＞ε，或航向角有变化时，则缝隙较大或存在三角形缝隙，采用双线性插值，填补缝隙中的无效像素。

本发明的特点是：步骤（1）中同时读入左右两侧共N个通道的回波数据，并在步骤（2）、（3）中将N个通道的数据作为整体进行处理，避免了逐一进行回波点坐标计算的积累误差，同时提高了计算速度。声纳文件中航向角记录有两个，一个来自拖鱼，一个来自船体，所述步骤（4）中航向角信息采用来自船体的记录，是由于拖鱼是在水中，受到潮汐、海流、鱼群等外界干扰比较大，因此其信息存在严重的误差及延迟，采用来自船体的航向角数据，使得拼接精度更高。

本发明与现有技术相比的优势在于：针对多波束侧扫声纳工作特点，同时对每ping的N个波束数据进行处理，无需逐一计算回波点坐标，减少了积累误差，降低了计算量，同时采用来自船体的航向角数据，该数据与拖鱼航向角数据相比，受到潮汐及洋流影响较小，因此使得拼图更加精确，针对拼图后的缝隙，结合最邻近插值和双线性插值填补拼接数据间的无效像素，提高了显示效果。

附图说明

图1是本发明方法的基本流程图；

图2拼接后未进行缝隙填补的图像；

图3拼接后利用插值修补缝隙后的图像。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，本发明基于航向角旋转的多波束侧扫声纳图像实时拼接方法的具体步骤如下：

第一步是读取声纳文件中左右两侧N个通道的的原始信息，并设定拼接图像的初始位置；

第二步是移除原始数据中因为第一个回波点返回之前换能器接收水下噪声产生的水柱区；

第三步以拖鱼接收到的GPS坐标为中心，将移除水柱区后的原始声纳文件中的第一ping的N个通道数据作为整体写入画布，避免了逐一计算回波点所带来的积累误差，并记录当前的ping数x和当前航向角α_x；

第四步记录[x+1]ping的N个通道数据，读取其航向角值α_[x+1]，计算前后两ping数据航向角差值Δα，判断航向角是否变化，若Δα＝0，则航向角不变，若Δα≠0，则航向角发生改变；

第五步根据航向角的变化情况对数据进行处理，若Δα≠0，则以当前GPS坐标为中心进行旋转，其旋转矩阵为：

$C^{\′}=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\Δ\α}& -\sin \mathrm{\Δ\α}\\ \sin \mathrm{\Δ\α}& \cos \mathrm{\Δ\α}\end{array}\right];$

第六步是将旋转后的数据进行拼接，若Δα＝0，则以当前GPS坐标为中心顺次拼接。其中，声纳文件中航向角记录有两个，一个来自拖鱼，一个来自船体，由于拖鱼是在水中，受到潮汐、海流、鱼群等外界干扰比较大，因此其信息存在严重的误差及延迟，因此，用于旋转的航向角信息采用来自船体的记录，使得拼接精度更高；

第七步是前后两ping数据拼接后，计算两个GPS中心点之间的距离，设两GPS中心分别为trace[x]、trace[x+1]，则距离

当航向角无变化时，设Δd＝d-w，其中w为一ping数据宽度，若Δd≠0，则两ping数据间存在无效像素即缝隙，若Δd＝0，则两ping数据间不存在缝隙；

第八步是插值处理，取阈值ε，若Δd＜ε，则缝隙较小，采用最邻近插值，若Δd＞ε，或航向角有变化时，则缝隙较大或存在三角形缝隙，采用双线性插值，填补缝隙中的无效像素。

Claims (9)

1.一种基于航向角旋转的多波束侧扫声纳图像实时拼接方法，其特征是：

（1）采集多波束侧扫声纳所有通道中的原始数据，并设定拼接图像初始位置；

（2）移除因为第一个回波点返回之前换能器接收水下噪声产生的水柱区；

（3）将移除水柱区后的原始数据中的第一ping的N个通道数据写入画布，并记录当前的ping数和当前航向角；

（4）读取下一ping N个通道的数据和对应的GPS及航向角信息，计算前后两ping数据航向角的差值，若航向角无变化，则按GPS信息顺次拼接，若航向角有变化，将数据进行旋转后拼接，旋转角度为航向角差值；

（5）修补拼接后图像中出现的缝隙。

2.根据权利要求1所述的基于航向角旋转的多波束侧扫声纳图像实时拼接方法，其特征是：所述采集多波束侧扫声纳所有通道中的原始数据是读取声纳文件中左右两侧N个通道的原始数据。

3.根据权利要求1或2所述的基于航向角旋转的多波束侧扫声纳图像实时拼接方法，其特征是：所述将移除水柱区后的原始数据中的第一ping的N个通道数据写入画布是以拖鱼接收到的GPS坐标为中心。

4.根据权利要求1或2所述的基于航向角旋转的多波束侧扫声纳图像实时拼接方法，其特征是：所述将数据进行旋转后拼接的旋转矩阵为：

$C^{\′}=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\Δ\α}& -\sin \mathrm{\Δ\α}\\ \sin \mathrm{\Δ\α}& \cos \mathrm{\Δ\α}\end{array}\right],$

其中Δα为前后两ping数据航向角差值。

5.根据权利要求3所述的基于航向角旋转的多波束侧扫声纳图像实时拼接方法，其特征是：所述将数据进行旋转后拼接的旋转矩阵为：

$C^{\′}=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\Δ\α}& -\sin \mathrm{\Δ\α}\\ \sin \mathrm{\Δ\α}& \cos \mathrm{\Δ\α}\end{array}\right],$

其中Δα为前后两ping数据航向角差值。

6.根据权利要求1或2所述的基于航向角旋转的多波束侧扫声纳图像实时拼接方法，其特征是所述修补拼接后图像中出现的缝隙的方法为：前后两ping数据拼接后，计算两个GPS中心点之间的距离，设两GPS中心分别为trace[x]、trace[x+1]，则距离

当航向角无变化时，设Δd＝d-w，其中w为一ping数据宽度，若Δd≠0，则两ping数据间存在无效像素即缝隙，取阈值ε，若Δd＜ε，则缝隙较小，采用最邻近插值，若Δd＞ε，或航向角有变化时，则缝隙较大或存在三角形缝隙，采用双线性插值，填补缝隙中的无效像素。

7.根据权利要求3所述的基于航向角旋转的多波束侧扫声纳图像实时拼接方法，其特征是所述修补拼接后图像中出现的缝隙的方法为：前后两ping数据拼接后，计算两个GPS中心点之间的距离，设两GPS中心分别为trace[x]、trace[x+1]，则距离

当航向角无变化时，设Δd＝d-w，其中w为一ping数据宽度，若Δd≠0，则两ping数据间存在无效像素即缝隙，取阈值ε，若Δd＜ε，则缝隙较小，采用最邻近插值，若Δd＞ε，或航向角有变化时，则缝隙较大或存在三角形缝隙，采用双线性插值，填补缝隙中的无效像素。

8.根据权利要求4所述的基于航向角旋转的多波束侧扫声纳图像实时拼接方法，其特征是所述修补拼接后图像中出现的缝隙的方法为：前后两ping数据拼接后，计算两个GPS中心点之间的距离，设两GPS中心分别为trace[x]、trace[x+1]，则距离

当航向角无变化时，设Δd＝d-w，其中w为一ping数据宽度，若Δd≠0，则两ping数据间存在无效像素即缝隙，取阈值ε，若Δd＜ε，则缝隙较小，采用最邻近插值，若Δd＞ε，或航向角有变化时，则缝隙较大或存在三角形缝隙，采用双线性插值，填补缝隙中的无效像素。

9.根据权利要求5所述的基于航向角旋转的多波束侧扫声纳图像实时拼接方法，其特征是所述修补拼接后图像中出现的缝隙的方法为：前后两ping数据拼接后，计算两个GPS中心点之间的距离，设两GPS中心分别为trace[x]、trace[x+1]，则距离

当航向角无变化时，设Δd＝d-w，其中w为一ping数据宽度，若Δd≠0，则两ping数据间存在无效像素即缝隙，取阈值ε，若Δd＜ε，则缝隙较小，采用最邻近插值，若Δd＞ε，或航向角有变化时，则缝隙较大或存在三角形缝隙，采用双线性插值，填补缝隙中的无效像素。

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