CN102928844A - 一种水下亚波长分辨率三维成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下亚波长分辨率三维成像方法，包括以下步骤：(1)声信号发射；(2)声透镜波束形成；(3)声信号接收、调理；(4)图像处理及显示：根据声透镜的成像规律得到的二维数据，使用发射和接收的时间得到的距离数据，结合水声传感器的接收的电信号即可得到三维水声数据；将三维水声图像数据进行图像增强、图像分割，最后使用开源可视化程序库VTK，实现目标三维成像。反射声波通过声透镜聚焦并形成波束，大大减少普通成像系统的硬件电路，由于声子晶体的负折射特性实现了亚波长声成像；采用介观压阻的新型水声传感器，对水声信号有较好的响应特性，实现了微弱水声信号的有效转化。

Description

一种水下亚波长分辨率三维成像方法

技术领域

本发明公开了一种水下三维声成像方法，属于水声学成像系统研究领域，特别是公开了一种水下目标三维成像方法。

背景技术

近年来水下声成像系统研究，特别是实时三维水下声成像系统研究引起了各国政府、机构和学者的广泛关注。在我国由于海洋资源开发和环境监测以及军事防卫等多方面的需求，对三维声成像和水声图像处理技术的研究日益受到重视。

水下声学成像系统是通过处理海底或水中物体的反向散射回波进行成像的。在成像过程中可得到二维声图像、三维声图像以及二维三维镶嵌的声图像。水下声学成像系统研究由于其工作机理、获取图像方式以及应用场合的不同，可按照波束形成方式分为：电子波束式(侧扫声纳系统，合成孔径声纳，前视声纳系统)和声透镜波束式(声透镜系统)。

侧扫声纳技术在国外已经相当成熟，其中比较有特点的包括Klein550系列多波束侧扫声纳以及EdgeTech公司用于AUV的2200系列侧扫声纳。近年来，中科院声学与中船重工集团联合研制成功国内首台“高分辨测深侧扫声纳”。在合成孔径声纳方面国外已经取得了突破性的进展，分辨能力已从米、分米发展到厘米量级。而我国在合成孔径方面已于2005年对样机进行了海上实验，取得了阶段性成果。在前视声纳系统研制方面，美国RESON公司的SEABAT系列产品具有代表性。我国哈尔滨工程大学于“九五”期间曾研制成功某探雷成像声纳，目前用于水下目标探测、水坝裂缝检测的高分辨多波束成像声纳也通过了湖上实验。然而以上这些设备通常是机械装置，灵活性较低，同时有较大的功耗并需要使用较多的数字或模拟器件，工作时需要高速采样和信号处理电路才能形成波束，体积比较庞大，应用成本高，实际应用也比较少，在各方面有较大的局限性。

国内外文献显示：在使用声透镜进行波束形成时，可以大大减小电路规模，简化系统的复杂程度。透镜成像声纳的研究在国内外都尚属一个起步阶段，但由于它的多种优点，已引起了广泛的关注，多种试验型声纳已相继问世。

在声透镜系统研制方面，目前美国的LIMIS、GLACIS和ABIS等声纳已成型。这些声纳可形成接近光学成像的图像且功率都不高于30W。此外，丹麦MacArtney公司生产的透镜声纳DIDSON于2006年已投入市场，该声纳可工作于1.1MHz或1.8MHz两个频率，探测开角29°，两个频率下的角度分辨率分别为0.6°和0.3°，图像传输速率5-20帧/秒。这些声纳均采用薄透镜设计，与上述用复杂电路实现波束形成的成像声纳相比，可明显看出声透镜系统的优点：体积小、功耗低、图像传输速度快、成像质量高。

发明内容

本发明是基于近年来随着海洋开发、水下探测日益增加的需求，以及保护海洋战略资源为目的开发的一种水下三维成像方法。

一种水下亚波长分辨率三维成像方法，包括以下步骤：

(1)声信号发射：单片机控制电路启动高频脉冲发射电路产生超声脉冲，通过MEMS电声换能单元对准水下目标发射声波，同时记录发射时间并存储在数据存储器RAM中；

(2)声透镜波束形成：发射的声波遇到水下目标，在目标表面产生反射声波，反射声波通过由声子晶体声透镜，形成波束，并在声透镜焦点位置聚焦；

(3)声信号接收、调理：水声传感器在焦点位置接收声透镜聚焦的水声信号，将其转变为电信号，信号调理电路对该电信号进行放大、滤波，再利用转换器将处理后的模拟信号转换为数字信号，同时计算和记录反射声波到达时间并存储在数据存储器RAM中；

(4)图像处理及显示：根据声透镜的成像规律得到的二维数据，使用发射和接收的时间得到的距离数据，结合水声传感器的接收的电信号即可得到三维水声数据；将三维水声图像数据进行图像增强、图像分割，最后使用开源可视化程序库VTK，实现目标三维成像。

所述的方法，声信号发射主要由MEMS换能器及单片机控制、存储电路组成，实现声信号发射的参数控制及时间记录；声波发射前，单片机控制电路启动高频脉冲发射电路产生超声脉冲，对准水下目标进行声波发射，控制电路同时记录发射时间t₁，并把t₁的值准确的记录在数据存储器RAM中；声波发射模块的MEMS换能器有很好的指向性，参数可根据实际需要调整，可以在控制电路的作用下工作。

所述的方法，声透镜波束形成：主要由声子晶体组成声透镜，接收水下目标发射的声波，进行聚焦并形成波束；按照声透镜成像模型拟定好水下目标在接收阵列中的成像位置，声波在水中传播，当遇到水下目标时反射声波，反射的水声信号由声子晶体构成的声透镜形成波束，并在焦点位置聚焦。

所述的方法，声透镜由声子晶体组成，声子晶体的材料是包覆软性的硅橡胶的铅球，直径约为1cm，以简单立方体晶格结构排列在环氧树脂基体中构成。

所述的方法，声透镜成像模型是根据负折射规律而建立的，并可以根据此规律拟定好水下目标在接收阵列中的成像位置，该位置是成像图像的二维坐标。

所述所述的方法，声信号接收和调理主要由基于介观压阻理论的新型水声传感器和信号调理、存储电路组成，在声透镜焦点位置放置声信号接收阵列，接收阵列可以实时接收、准确记录水声成像的三维数据；水声传感器在焦点位置接收发射的水声信号，通过单片机控制电路和计数电路，计算出反射时间t₂，并存储在数据存储器RAM中，同时水声传感器将微弱的水声信号转变为电信号，电信号的值即是反射声波的能量(幅值)记为E，按照声子晶体成像模型，即可获得成像区域的二维坐标，结合声波的在水中游历时间T(t₂-t₁)，即可获得水下目标的三维数据。

所述的方法，水声传感器由介观压阻效应的理论设计，有良好水声响应特性；水声传感器将微弱的水声信号转变为电信号，电信号的值即是反射声波的能量(幅值)记为E，该值对应的是水声图像的灰度值。

所述的方法，阵列由水声传感器阵列组成，水声阵列的大小关系到成像图像的大小，阵列的间距反映成像图像的分辨率，该阵列由1024个水声传感器组成。

所述的方法，水声图像的三维数据为E＝f(x，y，z)，其中(x，y)由声透镜成像模型得到，(z)由水中的游历时间T决定，E为目标图像的灰度值。

所述所述的方法，图像处理及显示模块可以把接收到的三维水声数据进行水声图像增强、图像分割，最终实现水下目标的三维显示；将得到的三维水声数据首先进行基于小波和模糊理论的图像增强方法，再采用三维自适应区域生长算法进行图像分割，使用光线投射算法有效的将处理后体数据表达，最后使用开源可视化程序库VTK，实现了水下监测目标的三维显示。

该成像方法原理科学、电路结构简单，减少了系统的硬件规模，很大的降低了系统的成本，采用可以实现亚波长分辨率成像的声子晶体构成的声透镜，利用介观压阻效应的水声传感器，有效的保证了水声数据的精确接收，后期的快速的图像处理方法实现了水下目标的三维识别与姿态分析。

本发明的有益效果是：反射声波通过声透镜聚焦并形成波束，大大减少普通成像系统的硬件电路，由于声子晶体的负折射特性实现了亚波长声成像；采用介观压阻的新型水声传感器，对水声信号有较好的响应特性，实现了微弱水声信号的有效转化；使用水声传感器阵列结合声子晶体成像规律实时得到了三维的水声成像数据，经过图像处理可以在显示器上直接读出监测目标的三维特性及相关数据，因此该系统的功能完善，性能稳定，成本低廉的设备，利于科学研究以及商业发展。

附图说明

图1水下亚波长分辨率三维成像方法示意图；

图2图像处理显示的流程图；

图3图像处理后的三维效果图；

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

水下三维成像方法由声信号发射、声透镜波束形成、水声信号接收、调理以及图像处理、显示等步骤组成，具体实施方式如下：

1、声信号发射。声信号发射主要由MEMS换能器组成的电声换能器阵列进行，发射换能器将电能转化为声能，使声波在空间形成一定的开角。电声换能器阵列对准监测目标发射声波，电声换能器水平指向性的主波束宽度为15°，垂直指向性的主波束宽度为15°。声波发射时，单片机控制电路启动高频脉冲发射电路产生超声脉冲，对准水下目标物体进行声波发射，控制电路同时记录好发射时间t₁，存储在数据存储器RAM中。

2、声透镜波束形成。水声信号打到监测目标表面后会产生反射回波。反射声波通过由声子晶体组成的声透镜形成波束，并在焦点位置聚焦成像。声子晶体出包裹橡胶的铅球在环氧树脂基体中组成。

不同位置的反射声波分别聚焦于不同的焦点，如图1所示，声传感器阵列上的基元按这些焦点位置布放，这些焦点组成了焦平面，接收阵与焦平面重合。换能器阵列发射声波照射到监测目标，监测目标表面反射出的声波经过声子晶体透镜的聚焦在声传感器阵列上形成照射面的二维图像。被探测目标在成像视场中被划分为多个基元，基元的划分决定了聚焦平面的分辨率，本系统的接收阵是32*32的1024个基元聚焦构成的平面，矩阵划分的越细致，接收到的二维图像就越清晰，同时设备处理的复杂度和时间也相应增加，为了说明方便，这里以7*7的基元划分为例，所示目标被划分成7*7的基元矩阵，基元矩阵分别经过声子透镜在接收阵上成像，且聚焦在接收阵上的基元与被探测目标的基元是呈X、Y轴几何镜像的关系，其他区域聚焦成像原理相似。由此就获得了三维目标的二维图像的坐标信息。

3、水声信号接收、调理。

水声信号接收阵列由介观压阻效应的水声传感器组成，介观压阻效应的水声传感器主要由量子阱薄膜和电阻连接成电路，在水声信号激励下直接产生模拟电流信号。当有沿Z轴方向的声信号作用于聚能腔时，聚能腔受声压的激励时，声压90％的能量集中在量子阱薄膜表面，薄膜在声压作用下，内部纳米带结构中的应力分布发生变化；一定条件下应力变化引起内建电场的产生；内建电场将导致纳米带结构中量子能级发生变化；量子能级变化会引起共振隧穿电流变化。所以该传感器可以微弱的水声激励产生模拟电流信号。

反射声波通过水声传感器后产生模拟电流信号，然后经过信号调理电路实现信号的放大、滤波产生适合后期处理的模拟电流输出信号。模拟聚能腔接收到的声能不一样，接收声能的大小不一样，产生的电流即不一样。激接收声能越大，产生的电流越大。电信号的值即是接收声波的能量(幅值)记为E。由于被监测目标的表面细节信息不一样，所以反射声波能量不一样，导致水声传感器接收声能不一样，所以利用接收声能值(幅值)E也就能够显示出被探测目标的表面细节信息。

把很多水声传感器按成像规律和焦点分布排成一个阵，即构成水声传感器阵列，各水声传感器就称为阵元或基元。某一方向的声波经过声透镜聚焦在一点(焦点)上，在此放置一个接收基元，即可以实现对该方向的波束接收，整个阵列则可以接收到不同方向的入射声波，不同采样时刻对应着不同的距离。水声传感器在焦点位置接收发射的水声信号，通过单片机控制电路和计数电路，计算出反射声波到达时间t₂，并存储在数据存储器RAM中。因为被探测目标表面不均匀导致反射波聚焦在接收阵上的时间不一致，所以在利用反射声波到达时间t₂可以计算声波的在水中游历时间T(t₂-t₁)，也就是监测目标的深度信号，结合声子晶体透镜的成像模型中成像区域的二维坐标和与之对应水声传感器接收声能值(幅值)E，即可获得水下目标的三维数据。

如图1所示，信号处理模块是由一块控制板和32块以32通道为单位进行数据采集的数据采集板组成，对声波接收基阵接收到的1024路模拟信号进行采集、处理，并将三维水声数据存储到RAM中，以便后期的图像处理使用。数据采集板接收来自接收阵的1024路模拟信号，每路的基本结构是相同的，可以采用模块化的方式进行设计。每一块采集板上有32路模拟输入，32个模拟信号处理单元，1个以FPGA和DSP为核心器件的控制处理单元，这样每块数据采集板完成32路信号的采集、处理和传输，共需要32块采集板同时工作

具体工作流程为：中央控制板在启动发射模块时，将给数据接收系统发送工作参数和启动采集的命令，该部分控制板根据相应的工作参数设置A/D转换器的采样时间，当声波到达接收模块时，控制板会同时启动32块数据采集板进行数据采集，当数据全部采集完毕后，控制板接收中断，产生片选信号，片选有模拟信号的单元进行信号调理，转换为符合AD转换器要求的信号并进行采样，控制板将数据保存在RAM中，为后期处理进行准备。

4、图像处理显示。

如图2所示，首先对原始图像进行时图像增强，采用基于小波和模糊理论的图像增强的算法对图像进行处理，可以分为以下四步来进行：步骤一：对原始图像进行小波变换(多尺度的分解)获得低频和高频系数；步骤二：对图像进行小波阈值去噪，选择合适的阈值及阈值函数把信号系数保留，使大部分噪声系数减少为零；步骤三：对低频系数进行了分段函数增强，主要是对图像的灰度范围进行调整，增强图像的对比度；步骤四：利用小波的多分辨率特性，对不同尺度、不同方向的高频系数分别采用模糊增强方法进行增强处理，使感兴趣的分量放大，而不需要的分量减少。

如图2所示，然后对图像增强后的成像数据利用自适应区域生长算法实现图像分割，具体步骤如下：步骤一：定义相关区域：设定R^[t]区域表示当前已生长区域，设定Ω(x)区域表示由与x点相邻像素构成的区域；步骤二：定义局部区域的平均灰度

和局部区域的平均梯度

这两个参数的计算主要依赖于像素点x、迭代次数t以及相关的局部区域；步骤三：根据这两个局部参数设定相似性判断准则，由于相似性判断准则完全是自适应的，允许像素点的灰度值与局部均值之间有一定变化的强度，而这个变化强度是基于局部梯度的一个函数，如果变化超出了这个范围，则像素点就会被认为是异常值，即该像素不属于同类区域，而被淘汰；步骤四：选取合适的种子点，在这里采用种子点的3×3邻域作为初始种子区域，这样可以适当避免种子点的误选和噪声的影响。

如图2所示，最后实现监测目标数据的三维显示，在这过程中首先要使用光线投射算法处理成像数据：具体实现步骤为：首先考虑体素被接触，并且在一个原始边界内封闭；要保证对最终图像的每个像素，都有一条光线穿过体素。再则在体的内部沿着光线的射线部分等距离选择采样点，样本点通常被置于体素中间，通过对周围的体素的样本点的值进行插值，使得体和表示光线的射线对齐；然后计算每个样本点的梯度，然后根据表面方向和实际的光源加阴影，着色加光照；最后在所有的样本点沿着光线复合，得到最终的每个被处理过的像素的颜色值。这个过程被不断重复。计算开始于视图中最远的样本点，并且结束于最近的一个。通过上面的算法步骤我们就可以对处理后的体数据进行表达，最后再使用开源可视化程序库VTK，实现监测目标的三维数据的显示，方便了对监测目标的三维判读和分析，如图3所示为监测目标的成像数据经过图像处理后的结果。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种水下亚波长分辨率三维成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)声信号发射：单片机控制电路启动高频脉冲发射电路产生超声脉冲，通过MEMS电声换能单元对准水下目标发射声波，同时记录发射时间并存储在数据存储器RAM中；

(2)声透镜波束形成：发射的声波遇到水下目标，在目标表面产生反射声波，反射声波通过由声子晶体声透镜，形成波束，并在声透镜焦点位置聚焦；

(3)声信号接收、调理：水声传感器在焦点位置接收声透镜聚焦的水声信号，将其转变为电信号，信号调理电路对该电信号进行放大、滤波，再利用转换器将处理后的模拟信号转换为数字信号，同时计算和记录反射声波到达时间并存储在数据存储器RAM中；

(4)图像处理及显示：根据声透镜的成像规律得到的二维数据，使用发射和接收的时间得到的距离数据，结合水声传感器的接收的电信号即可得到三维水声数据；将三维水声图像数据进行图像增强、图像分割，最后使用开源可视化程序库VTK，实现目标三维成像。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：声信号发射主要由MEMS换能器及单片机控制、存储电路组成，实现声信号发射的参数控制及时间记录；声波发射前，单片机控制电路启动高频脉冲发射电路产生超声脉冲，对准水下目标进行声波发射，控制电路同时记录发射时间t₁，并把t₁的值准确的记录在数据存储器RAM中；声波发射模块的MEMS换能器有很好的指向性，参数可根据实际需要调整，可以在控制电路的作用下工作。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：声透镜波束形成：主要由声子晶体组成声透镜，接收水下目标发射的声波，进行聚焦并形成波束；按照声透镜成像模型拟定好水下目标在接收阵列中的成像位置，声波在水中传播，当遇到水下目标时反射声波，反射的水声信号由声子晶体构成的声透镜形成波束，并在焦点位置聚焦。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：声透镜由声子晶体组成，声子晶体的材料是包覆软性的硅橡胶的铅球，直径约为1cm，以简单立方体晶格结构排列在环氧树脂基体中构成。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：声透镜成像模型是根据负折射规律而建立的，并可以根据此规律拟定好水下目标在接收阵列中的成像位置，该位置是成像图像的二维坐标。

6.根据权利要求1所述所述的方法，其特征在于：声信号接收和调理主要由基于介观压阻理论的新型水声传感器和信号调理、存储电路组成，在声透镜焦点位置放置声信号接收阵列，接收阵列可以实时接收、准确记录水声成像的三维数据；水声传感器在焦点位置接收发射的水声信号，通过单片机控制电路和计数电路，计算出反射时间t₂，并存储在数据存储器RAM中，同时水声传感器将微弱的水声信号转变为电信号，电信号的值即是反射声波的能量(幅值)记为E，按照声子晶体成像模型，即可获得成像区域的二维坐标，结合声波的在水中游历时间T(t₂-t₁)，即可获得水下目标的三维数据。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：水声传感器由介观压阻效应的理论设计，有良好水声响应特性；水声传感器将微弱的水声信号转变为电信号，电信号的值即是反射声波的能量(幅值)记为E，该值对应的是水声图像的灰度值。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：阵列由水声传感器阵列组成，水声阵列的大小关系到成像图像的大小，阵列的间距反映成像图像的分辨率，该阵列由1024个水声传感器组成。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：水声图像的三维数据为E＝f(x，y，z)，其中(x，y)由声透镜成像模型得到，(z)由水中的游历时间T决定，E为目标图像的灰度值。

10.根据权利要求1所述所述的方法，其特征在于：图像处理及显示模块可以把接收到的三维水声数据进行水声图像增强、图像分割，最终实现水下目标的三维显示；将得到的三维水声数据首先进行基于小波和模糊理论的图像增强方法，再采用三维自适应区域生长算法进行图像分割，使用光线投射算法有效的将处理后体数据表达，最后使用开源可视化程序库VTK，实现了水下监测目标的三维显示。

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