CN104536005A - 一种基于盲区校正的多波束侧扫声呐斜距失真消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于盲区校正的多波束侧扫声呐斜距失真消除方法。包括以下几个步骤：读取侧扫声呐的图像信息、姿态信息中的距海底高度及斜距；计算侧扫声呐图像的水柱区斜距；计算当前分辨率；计算在当前分辨率下的盲区宽及水柱区宽；校正侧扫声呐图像的左右两部分像素点的空间坐标；绘制侧扫声呐图像。本发明将以往方法通常忽略掉的侧扫声纳盲区考虑到计算当中，使得图像斜距失真更准确地被校正，提高了显示精度。

Description

一种基于盲区校正的多波束侧扫声呐斜距失真消除方法

技术领域

本发明属于侧扫声呐数据处理领域，尤其涉及一种基于盲区校正的多波束侧扫声呐斜距失真消除方法。

背景技术

侧扫声呐测绘对于海底残骸搜索及目标识别定位有着举足轻重的意义，然而由于侧扫声呐的成图原理和数据量的庞大，声呐图像的几何精度很难达到较高水平。尤其是侧扫声呐的斜距失真效应，斜距失真导致了水柱区的存在，水柱区是换能器下水体宽度的直接表达。水柱区越宽表示水体越深。水柱区占用了图像空间，使得声呐图像在靠近水柱区部分图像被压缩，水柱区越宽压缩越严重，声呐图像中的目标和特征失去几何结构的真实性，其空间坐标也无法精确定位。

已有技术存在的问题：1.将声呐图像的几何问题做理想性假设，声呐换能器阵列中间不存在盲区，或盲区很小可忽略2.声呐换能器发射的最短距离波束为垂直向下。然而在实际工作中，声呐换能器向两侧发射声波，最短距离并不是垂直向下发射，因而声呐图像存在盲区，而盲区所占空间是不应被忽略的，已有技术简单地将水柱区空间移除，默认为盲区不存在，实际上是破坏了海底目标和特征的真实几何结构，这对于水下目标尤其是海底残骸搜救过程中的空间定位造成很大困扰。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高精度的基于盲区校正的多波束侧扫声呐斜距失真消除方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于盲区校正的多波束侧扫声呐斜距失真消除方法，包括以下几个步骤：

步骤一：读取侧扫声呐的图像信息、姿态信息中的距海底高度Alt及斜距Slant；

步骤二：计算侧扫声呐图像的水柱区斜距S_nadir，

$S_{\mathrm{nadir}}=\sqrt{{\mathrm{Alt}}^2+D_{\mathrm{nadir}}^2},$

其中，D为声呐的一侧盲区宽度；

步骤三：根据当前采样点计算当前分辨率Resolu_cur，

${\mathrm{Resolu}}_{\mathrm{cur}}=\frac{\mathrm{Samples}}{{\mathrm{Samples}}_{\max }}\×\mathrm{Resolu},$

其中Samples为当前采样点数，Samples_max为最大采样点数，Resolu为初始图像分辨率；

步骤四：计算侧扫声呐图像在当前分辨率Resolu_cur下的盲区宽Nadir及水柱区宽wacol；

$\mathrm{Nadir}=\frac{{\mathrm{Sam}}_{\mathrm{nadir}}}{{\mathrm{Sample}}_{\max }}\×{\mathrm{Resolu}}_{\mathrm{cur}}$

$\mathrm{wacol}=\frac{S_{\mathrm{nadir}}}{\mathrm{Slant}}\×{\mathrm{Resolu}}_{\mathrm{cur}}$

其中Sam_nadir为最大采样点下的盲区采样数，Sample_max为最大采样点数，Resolu_cur为当前分辨率，Slant为侧扫声呐斜距；

步骤五：根据当前分辨率Resolu_cur下的盲区宽Nadir及水柱区宽wacol，校正侧扫声呐图像的左右两部分像素点的空间坐标；

侧扫声呐图像的左部分像素点校正后的空间坐标(x₂₁,y₂₁)为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{21}=\sqrt{{\mathrm{Alt}}^2+{x_{11}}^2}-\mathrm{wacol}+\mathrm{Nadir}\\ y_{21}=y_{11}\end{array}\right.$

侧扫声呐图像的右部分像素点校正后的空间坐标(x₂₂,y₂₂)为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{22}=\sqrt{{\mathrm{Alt}}^2+{x_{12}}^2}+\mathrm{wacol}-\mathrm{Nadir}\\ y_{22}=y_{12}\end{array}\right.$

(x₁₁,y₁₁)为未校正侧扫声呐图像的左部分像素点空间坐标，(x₁₂,y₁₂)为未校正侧扫声呐图像的右部分像素点空间坐标；

步骤六：根据校正后的侧扫声呐图像的左右两部分像素点的空间坐标，绘制侧扫声呐图像。本发明的有益效果：

本发明的特点是：充分考虑侧扫声呐工作的实际情况，对声呐成像原理问题进行更贴近实际的分析。

本发明与现有技术相比的优势在于：针对多波束侧扫声纳的实际工作状况，充分利用声纳文件中记录的信息，摒弃了声纳波束最短传播路径为垂直向下发射声波的理想假设，因为侧扫声纳实际工作中，其发射的声波脉冲由于安装设定，并不是垂直向下发射，这就使得图像中除了水体反射的水柱区外，还包括有声纳未曾扫到的正下方盲区，并不存在数据，本发明根据实际盲区的存在计算出水柱区斜距，并以此计算出海底平面映射到图像空间的实际像素点坐标，更加精确，同时，由于声纳在工作过程中，量程是可变的，不同的量程对应不用的采样点数，使得声纳图像的分辨率并不唯一，本发明根据侧扫声纳当前及最大采样点来自适应确定当前采样点下的分辨率，避免了以往方法用单一分辨率因声纳量程设置改变造成的比例失调，经过如上操作，使得斜距效应造成的图像扭曲失真失真被更好地校正，提高了显示效果。

附图说明

图1盲区校正说明示例；

图2是本发明方法的基本流程图；

图3未进行斜距及盲区校正的侧扫声纳图像；

图4现有技术的斜距校正后侧扫声纳图像；

图5本发明方法校正后的侧扫声纳图像。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。

结合图1，本发明基于盲区校正的多波束侧扫声纳图像斜距失真消除方法的实际依据为：当侧扫声纳行进时，声纳向两侧海底发射脉冲波束，换能器接收海底的反向散射波，根据回波强度转换为图像灰度，形成二维声纳图像，当第一个波束返回时，由水体形成的微弱回波产生水柱区，然而，实际工作中，脉冲波束并不是垂直向下发射，而是有一定的角度，则在声纳正下方产生没有数据的盲区，因而在斜距校正时应给予充分考虑。声纳在行进时，根据需要切换斜距，即量程大小，则不同量程对应不同的采样点数，导致斜距校正时不同斜距下图像比例失真。

结合图2，本发明具体步骤如下：

第一步是解析多波束侧扫声纳文件，读取姿态信息中的距海底高度Alt及斜距Slant；

第二步是计算由于多波束侧扫声纳盲区存在导致的水柱区斜距，即多波束声纳距离海底最短声波传播距离S_nadir：

$S_{\mathrm{nadir}}=\sqrt{{\mathrm{Alt}}^2+D_{\mathrm{nadir}}^2}$

其中，Alt为声纳距离海底的垂直距离，D为一侧声纳盲区宽度；

第三步是根据多波束侧扫声纳最大采样点数，计算当前采样点下的分辨率Resolu_cur:

${\mathrm{Resolu}}_{\mathrm{cur}}=\frac{\mathrm{Samples}}{{\mathrm{Samples}}_{\max }}\×\mathrm{Resolu}$

其中Samples为当前采样点数，Samples_max为最大采样点数，Resolu为初始图像分辨率；

第四步是计算当前分辨率下的盲区宽Nadir及水柱区宽wacol：

$\mathrm{Nadir}=\frac{{\mathrm{Sam}}_{\mathrm{nadir}}}{{\mathrm{Sample}}_{\max }}\×{\mathrm{Resolu}}_{\mathrm{cur}}$

$\mathrm{wacol}=\frac{S_{\mathrm{nadir}}}{\mathrm{Slant}}\×{\mathrm{Resolu}}_{\mathrm{cur}}$

其中Sam_nadir为最大采样点设置下的盲区采样数，Sample_max为最大采样点数，Resolu_cur为当前分辨率，Slant为多波束侧扫声纳斜距；

第五步是计算左右两侧像素点的实际空间坐标：

左侧为：

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{\mathrm{Alt}}^2+{x_1}^2}-\mathrm{wacol}+\mathrm{Nadir}\\ y_1=y_2\end{array}\right.;$

右侧为：

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{\mathrm{Alt}}^2+{x_1}^2}=x_2-\mathrm{wacol}+\mathrm{Nadir}\\ y_1=y_2\end{array}\right.;$

其中，(x₁,y₁)为未校正图像数据的像素空间坐标位置，(x₂,y₂)为校正图像空间坐标位置。

第六步是通过以上公式反求出校正图像空间坐标后，进行赋值，就得到校正图像，斜距失真被消除。

通过仿真可以看出未进行斜距及盲区校正的侧扫声纳图像图3既包括盲区又包括水柱区；通过和现有技术的斜距校正后侧扫声纳图像图4对比发现本发明方法校正后的侧扫声纳图像图5，校正效果更好，精度更高。

Claims (1)

1.一种基于盲区校正的多波束侧扫声呐斜距失真消除方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤一：读取侧扫声呐的图像信息、姿态信息中的距海底高度Alt及斜距Slant；

步骤二：计算侧扫声呐图像的水柱区斜距S_nadir，

$S_{\mathrm{nadir}}=\sqrt{{\mathrm{Alt}}^2+D_{\mathrm{nadir}}^2},$

其中，D为声呐的一侧盲区宽度；

步骤三：根据当前采样点计算当前分辨率Resolu_cur，

${\mathrm{Resolu}}_{\mathrm{cur}}=\frac{\mathrm{Samples}}{{\mathrm{Samples}}_{\max }}\×\mathrm{Resolu},$

其中Samples为当前采样点数，Samples_max为最大采样点数，Resolu为初始图像分辨率；

步骤四：计算侧扫声呐图像在当前分辨率Resolu_cur下的盲区宽Nadir及水柱区宽wacol；

$\mathrm{Nadir}=\frac{{\mathrm{Sam}}_{\mathrm{nadir}}}{{\mathrm{Sample}}_{\max }}\×{\mathrm{Resolu}}_{\mathrm{cur}}$

$\mathrm{wacol}=\frac{S_{\mathrm{nadir}}}{\mathrm{Slant}}\×{\mathrm{Resolu}}_{\mathrm{cur}}$

其中Sam_nadir为最大采样点下的盲区采样数，Sample_max为最大采样点数，Resolu_cur为当前分辨率，Slant为侧扫声呐斜距；

步骤五：根据当前分辨率Resolu_cur下的盲区宽Nadir及水柱区宽wacol，校正侧扫声呐图像的左右两部分像素点的空间坐标；

侧扫声呐图像的左部分像素点校正后的空间坐标(x₂₁,y₂₁)为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{21}=\sqrt{{\mathrm{Alt}}^2+{x_{11}}^2}-\mathrm{wacol}+\mathrm{Nadir}\\ y_{21}=y_{11}\end{array}\right.$

侧扫声呐图像的右部分像素点校正后的空间坐标(x₂₂,y₂₂)为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{22}=\sqrt{{\mathrm{Alt}}^2+{x_{12}}^2}+\mathrm{wacol}+\mathrm{Nadir}\\ y_{22}=y_{12}\end{array}\right.$

(x₁₁,y₁₁)为未校正侧扫声呐图像的左部分像素点空间坐标，(x₁₂,y₁₂)为未校正侧扫声呐图像的右部分像素点空间坐标；

步骤六：根据校正后的侧扫声呐图像的左右两部分像素点的空间坐标，绘制侧扫声呐图像。