CN107942316A - 一种基于多波束声呐波束输出信号的水中浓悬浮体运动速度估计方法 - Google Patents
一种基于多波束声呐波束输出信号的水中浓悬浮体运动速度估计方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于多波束声呐波束输出信号的水中浓悬浮体运动速度估计方法，属于信号处理领域，利用多波束声呐向水中浓悬浮体发射声波，并采集多通道的回波信号数据；对多通道回波信号进行多波束形成处理得到波束输出信号，按波束角度排列波束输出信号形成时间方位二维图像；将相邻测量周期的两幅时间方位图像以块匹配原理估计浓悬浮体在时间方位二维直角坐标系下的运动速度向量；对时间方位二维坐标系下的运动速度向量进行坐标转换，得到以水平距离、垂直距离为坐标轴的平面直角坐标系下的运动速度向量。本发明有利于浓悬浮体运动估计声呐系统平台的实时实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于多波束声呐波束输出信号的水中浓悬浮体运动速度估计方法，属于信号处理领域。
背景技术
海水或河水中的悬浮沉积物、海底管线泄漏的天然气等都以大量浓悬颗粒的形式悬浮存在于水体中，因此也称为浓悬浮体。这些浓悬浮体对港口航道的淤积、石油及通信管线、海上开发平台等海洋工程设施都产生了很大的安全隐患影响，因此需要对其流向、流速等动力过程进行及时观测。
目前对浓悬浮体运动方向的监测通常采用的方法是利用多波束声呐获取的水体图像并结合互相关等图像目标运动估计技术得到。而多波束声呐水体图像获取时，需要进行多种声学与图像处理手段。具体来说，多波束声呐采集的多通道回波信号经波束形成技术得到波束输出信号后，还需要进行回波强度的空间归位计算来估计不同时刻回波强度数据在以水平距离与垂直深度为坐标轴的平面直角坐标系中的位置，最后通过栅格、内插、量化等处理得到以灰度或伪彩图像形式存在的多波束声呐水体图像，而这些信号处理过程计算量较大、消耗了大量的声呐系统硬件平台资源。因此传统的在水体图像数据的基础上再估计浓悬浮体运动速度的方法通常是数据的后处理完成，难以实时实现。
为了使多波束声呐系统可以实时获取浓悬浮体运动速度信息，本方法在多波束声呐系统得到波束输出信号的基础上直接按波束角度排列形成时间方位二维图像，并采用原理与处理过程简练的匹配运动估计方法实现浓悬浮体的运动速度估计，减少了空间归位、栅格、内插、量化等水体图像处理过程所带来的用时消耗，有利于实际工程的实时实现。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种基于多波束声呐波束输出信号的水中浓悬浮体运动速度估计方法，是一种提高并行处理能力，可以工程实时实现的多波束声呐水中浓悬浮体运动速度估计方法。
本发明的目的是这样实现的：步骤如下：
步骤一：利用多波束声呐向水中浓悬浮体发射声波，并采集多通道的回波信号数据；
步骤二：对多通道回波信号进行多波束形成处理得到波束输出信号，按波束角度排列波束输出信号形成时间方位二维图像；
步骤三：将相邻测量周期的两幅时间方位图像以块匹配原理估计浓悬浮体在时间方位二维直角坐标系下的运动速度向量；
步骤四：对时间方位二维坐标系下的运动速度向量进行坐标转换，得到以水平距离、垂直距离为坐标轴的平面直角坐标系下的运动速度向量。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.步骤三具体是：
步骤三中时间方位二维直角坐标系下的运动速度向量是以相邻测量周期的多波束声呐时间方位图像为基础，采用块匹配运动估计得到，且匹配准则采用均方差准则，该准则的均方差函数F表示为：
式中：(t,θ)为图像中匹配块内部像素点的坐标，t表示双程回波时间，θ表示方位角度，(u,v)为搜索块分别在回波时间与方位角度方向上的相对位移，P(t,θ)表示为当前帧图像在(t,θ)坐标点处的回波强度值，Q(t+u,θ+v)表示为参考帧图像在(t+u,θ+v)坐标点处的回波强度值，M和N分别为匹配块在回波时间和方位角度方向上的像素尺寸；
提取F达到最小时的(u,v)值得到时间方位二维坐标系下的运动速度向量，且表示为
式中：ut,vθ分别表示为浓悬浮体在回波时间与方位角方向上的运动速度值，T为多波束声呐相邻测量周期的时间间隔。
2.步骤四具体是：
以水平距离、垂直距离为坐标轴的二维平面直角坐标系下的运动速度向量估计方法如下：
式中：ux与vy分别表示浓悬浮体在以水平距离与垂直距离方向上的运动速度值，t、θ、u、v取值为F达到最小时所对应的值大小，T为多波束声呐相邻测量周期的时间间隔，c为水中声速大小。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在多波束声呐系统得到波束输出信号的基础上直接应用匹配运动估计方法实现浓悬浮体的运动速度估计，计算过程简单，有利于实际的工程实现，且可与多波束声呐其他信号处理任务并行处理实现多种探测信息的联合显示，进一步提升多波束声呐的水下目标综合探测能力。
本发明中减少了空间归位、栅格、内插、量化等图像处理过程，从而简化了多波束声呐水中浓悬浮体运动速度估计的数据处理流程，有利于实际的工程实时实现。
附图说明
图1是基于多波束声呐波束输出信号的水中浓悬浮体运动方向估计方法流程图；
图2是多波束声呐时间方位二维图像；
图3是多波束声呐浓悬浮体运动速度矢量图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1至图3，本发明的目的是通过以下步骤实现的：
(1)利用多波束声呐向水中浓悬浮体发射声波，并采集多通道的回波信号数据；
(2)对多通道回波信号进行多波束形成处理得到波束输出信号，按波束角度排列波束输出信号形成时间方位二维图像；
(3)将相邻测量周期的两幅时间方位图像以块匹配原理估计浓悬浮体在时间方位二维直角坐标系下的运动速度向量；
(4)对时间方位二维坐标系下的运动速度向量进行坐标转换，得到以水平距离、垂直距离为坐标轴的平面直角坐标系下的运动速度向量。
步骤(3)中时间方位二维直角坐标系下的运动速度向量是以相邻测量周期的多波束声呐时间方位图像为基础，采用块匹配运动估计得到，且匹配准则采用均方差准则，该准则的均方差函数F表示为：
式中，(t,θ)为图像中匹配块内部像素点的坐标，t表示双程回波时间，θ表示方位角度，(u,v)为搜索块分别在回波时间与方位角度方向上的相对位移，P(t,θ)表示为当前帧图像在(t,θ)坐标点处的回波强度值，Q(t+u,θ+v)表示为参考帧图像在(t+u,θ+v)坐标点处的回波强度值，M和N分别为匹配块在回波时间和方位角度方向上的像素尺寸。提取F达到最小时的(u,v)值得到时间方位二维坐标系下的运动速度向量，表示为
式中，ut,vθ分别表示为浓悬浮体在回波时间与方位角方向上的运动速度值，T为多波束声呐相邻测量周期的时间间隔。
步骤(4)中以水平距离、垂直距离为坐标轴的二维平面直角坐标系下的运动速度向量估计方法如下：
式中，ux与vy分别表示浓悬浮体在以水平距离与垂直距离方向上的运动速度值，t、θ、u、v的取值为F达到最小时所对应的值大小，T的定义与步骤(3)表述相同，为多波束声呐相邻测量周期的时间间隔，c为水中声速大小。
基于多波束声呐波束输出信号的水中浓悬浮体运动方向估计方法的总体流程图如图1所示。下面结合实施案例，对本发明的方法作进一步详细描述。
1、利用多波束声呐向水中浓悬浮体发射声波，并采集多通道的回波信号数据。
试验设备为浅水多波束声呐，该系统工作频率为300kHz，采样频率48kHz，接收基阵为均匀直线阵，且接收信号通道数为64。试验中，声呐换能器基阵端固定安装在测量平台，采集回波数据时，平台不动，相邻测量周期时间间隔为0.05s。测量时，水中的浓悬浮体由气瓶在水中释放气体后形成的气泡群构成。
2、对多通道回波信号进行多波束形成处理得到波束输出信号，按波束角度排列波束输出信号形成时间方位二维图像。
如图2所示为一幅时间方位二维图像，该图像是由一组64通道回波信号经FFT波束形成得到的512个波束输出信号后按波束角度排序形成的时间方位图像。
3、将相邻测量周期的两幅时间方位图像以块匹配原理估计浓悬浮体在时间方位二维直角坐标系下的运动速度向量。
具体过程是提取相邻测量周期的两幅时间方位图像，分别称为当前帧与参考帧图像，并将这两帧图像分别划分成若干个大小相同的块，其中当前帧图像中的块称为当前块，参考帧图像中的块称为参考块。对当前帧图像中的每个当前块分别在参考帧图像中的一定区域(称为搜索窗)内，按照一定的匹配准则搜索与之最接近的参考块。其中，使用的匹配准则采用均方差准则，该准则的均方差函数F表示为：
式中，(t,θ)为图像中匹配块内部像素点的坐标，t表示双程回波时间，θ表示方位角度，(u,v)为搜索块分别在回波时间与方位角度方向上的相对位移，P(t,θ)表示为当前帧图像在(t,θ)坐标点处的回波强度值，Q(t+u,θ+v)表示为参考帧图像在(t+u,θ+v)坐标点处的回波强度值，M和N分别为匹配块在回波时间和方位角度方向上的像素尺寸，试验中M与N的取值均为7，搜索窗大小为16×16像素。
在搜索窗中，从原点(0,0)出发，按顺时针方向由近及远，在搜索窗中对所有可能的候选位置计算F的值，从中找出F值最小的点，提取F达到最小时的(u,v)值，并基于此值得到时间方位二维坐标系下的运动速度向量，表示为
式中，ut,vθ分别表示为浓悬浮体在采样时间与方位角方向上的运动速度值，而T为多波束声呐相邻测量周期的时间间隔，本试验中为0.05s。
4、对时间方位二维坐标系下的运动速度向量进行坐标转换，得到以水平距离、垂直距离为坐标轴的平面直角坐标系下的运动速度向量，估计方法如下：
式中，ux与vy分别表示浓悬浮体在以水平距离与垂直距离方向上的运动速度值，t、θ、u、v的取值为F达到最小时所对应的值大小，c为水中声速大小，这里取值1500m/s。如图3所示为经本方法处理后得到的一组水中气泡群类浓悬浮体运动速度矢量图，箭头指向为运动方向，箭头长短表示了运动速度的大小。
综上，本发明具体涉及一种基于多波束声呐波束输出信号的水中浓悬浮体运动速度估计方法。本发明包括：利用多波束声呐向水中浓悬浮体发射声波，并采集多通道的回波信号数据；对多通道回波信号进行多波束形成处理得到波束输出信号，按波束角度排列波束输出信号形成时间方位二维图像；将相邻测量周期的两幅时间方位图像以块匹配原理估计浓悬浮体在时间方位二维直角坐标系下的运动速度向量；对时间方位二维坐标系下的运动速度向量进行坐标转换，得到以水平距离、垂直距离为坐标轴的平面直角坐标系下的运动速度向量。本方法避免了多波束声呐水体图像生成过程，因此不需要空间归位、栅格、内插、量化等图像处理流程，减少了计算量，有利于浓悬浮体运动估计声呐系统平台的实时实现。
Claims (3)
1.一种基于多波束声呐波束输出信号的水中浓悬浮体运动速度估计方法，其特征在于：步骤如下：
步骤一：利用多波束声呐向水中浓悬浮体发射声波，并采集多通道的回波信号数据；
步骤二：对多通道回波信号进行多波束形成处理得到波束输出信号，按波束角度排列波束输出信号形成时间方位二维图像；
步骤三：将相邻测量周期的两幅时间方位图像以块匹配原理估计浓悬浮体在时间方位二维直角坐标系下的运动速度向量；
步骤四：对时间方位二维坐标系下的运动速度向量进行坐标转换，得到以水平距离、垂直距离为坐标轴的平面直角坐标系下的运动速度向量。
2.根据权利要求1所述的一种基于多波束声呐波束输出信号的水中浓悬浮体运动速度估计方法，其特征在于：步骤三具体是：
步骤三中时间方位二维直角坐标系下的运动速度向量是以相邻测量周期的多波束声呐时间方位图像为基础，采用块匹配运动估计得到，且匹配准则采用均方差准则，该准则的均方差函数F表示为：
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<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
</mrow>
式中：(t,θ)为图像中匹配块内部像素点的坐标，t表示双程回波时间，θ表示方位角度，(u,v)为搜索块分别在回波时间与方位角度方向上的相对位移，P(t,θ)表示为当前帧图像在(t,θ)坐标点处的回波强度值，Q(t+u,θ+v)表示为参考帧图像在(t+u,θ+v)坐标点处的回波强度值，M和N分别为匹配块在回波时间和方位角度方向上的像素尺寸；
提取F达到最小时的(u,v)值得到时间方位二维坐标系下的运动速度向量，且表示为
<mrow>
<mfenced open = "(" close = ")">
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</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
</mrow>
式中：ut,vθ分别表示为浓悬浮体在回波时间与方位角方向上的运动速度值，T为多波束声呐相邻测量周期的时间间隔。
3.根据权利要求2所述的一种基于多波束声呐波束输出信号的水中浓悬浮体运动速度估计方法，其特征在于：步骤四具体是：
以水平距离、垂直距离为坐标轴的二维平面直角坐标系下的运动速度向量估计方法如下：
<mrow>
<mfenced open = "(" close = ")">
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式中：ux与vy分别表示浓悬浮体在以水平距离与垂直距离方向上的运动速度值，t、θ、u、v取值为F达到最小时所对应的值大小，T为多波束声呐相邻测量周期的时间间隔，c为水中声速大小。
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