CN114266819B - 一种船只吃水深度计算方法和装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种船只吃水深度计算方法，包括：从合成孔径雷达图像中截取船只及所述船只与水面相互作用的散射区域，得到第一图像；获取所述船只的几何参数和合成孔径雷达的系统参数；旋转所述第一图像，得到第二图像；沿所述第二图像的二次散射线方向将图像灰度值进行累加，得到所述第二图像对应的一维距离向叠加信号；根据所述几何参数、所述系统参数和所述一维距离向叠加信号计算所述船只的吃水深度。

Description

一种船只吃水深度计算方法和装置

技术领域

本发明涉及船舶运输技术领域及合成孔径雷达图像目标特征提取与参数反演技术领域，更具体地涉及一种船只吃水深度求解方法、装置、设备、介质和程序产品。

背景技术

船只的吃水深度是指船的底部至船体与水面相连处的垂直距离。吃水深度是检测大型船只运输安全性和运输效率的重要指标。船只吃水深度检测技术广泛应用于船舶的港口装载等领域。目前常用的方法是采用人工水尺检测。但是人工水尺测量依赖于图像分割的精度及数据采集的精度，并且自动化程度较低，需要数据采集、水尺图像识别等多个步骤，效率不高。

近年来，合成孔径雷达图像获取技术飞速发展，分辨率不断提高，合成孔径雷达图像包含地物的信息越来越丰富。由于合成孔径雷达的侧视成像特征，合成孔径雷达图像能够较好的反映地物侧面特征，针对船只目标的合成孔径雷达图像，船体与水面相互作用会有较强的多次散射特征，利用船体散射特征可以有效地估计船只目标的几何参数。

目前没有文献论述基于高分辨率合成孔径雷达图像估计船只吃水深度的方法。

发明内容

鉴于上述问题，本公开提供了提高一种基于高分辨率合成孔径雷达图像的船只吃水深度求解方法、装置、设备、介质和程序产品。

根据本公开的第一个方面，提供了一种船只吃水深度计算方法，其特征在于，包括：从合成孔径雷达图像中截取船只及所述船只与水面相互作用的散射区域，得到第一图像；获取所述船只的几何参数和合成孔径雷达的系统参数；旋转所述第一图像，得到第二图像；沿所述第二图像的二次散射线方向将图像灰度值进行累加，得到所述第二图像对应的一维距离向叠加信号；根据所述几何参数、所述系统参数和所述一维距离向叠加信号计算所述船只的吃水深度。

优选地，获取所述船只的几何参数和合成孔径雷达的系统参数包括：获取所述船只的船舷高度和船体倾角，并从所述第一图像中提取所述船只的船只朝向角，其中，所述船舷高度、所述船体倾角和所述船只朝向角为所述船只的几何参数；获取所述合成孔径雷达的轨道倾角和波束中心入射角度作为所述合成孔径雷达的系统参数。

优选地，旋转所述第一图像，得到第二图像包括：根据所述轨道倾角和所述船只朝向角计算旋转矩阵；利用所述旋转矩阵对所述第一图像进行旋转，得到所述第二图像。

优选地，根据所述轨道倾角和所述船只朝向角计算旋转矩阵包括：根据公式：

计算所述旋转矩阵T，其中，δ为所述合成孔径雷达的轨道倾角，α为所述船只的船只朝向角。

优选地，根据所述几何参数、所述系统参数和所述一维距离向叠加信号计算所述船只的吃水深度包括：获取所述一维距离向叠加信号中两个峰值区域之间的距离；获取所述两个峰值区域中距离向较远的峰值区域的主瓣宽度；根据所述几何参数、所述系统参数、所述两个峰值区域之间的距离、所述主瓣宽度和所述波束中心入射角度计算所述船只的吃水深度。

优选地，所述根据所述几何参数、所述两个峰值区域之间的距离、所述主瓣宽度和所述波束中心入射角度计算所述船只的吃水深度包括：根据

计算所述船只的吃水深度h，其中，H为所述船只的船舷高度，β为所述船只的船体倾角，L为所述一维距离向叠加信号中两个峰值区域之间的距离，W为所述一维距离向叠加信号中距离向最远的主瓣宽度，θ为所述合成孔径雷达的波束中心入射角度。

本公开的第二方面提供了一种船只吃水深度计算装置，包括：图像获取模块，用于从合成孔径雷达图像中截取船只及所述船只与水面相互作用的散射区域，得到第一图像；参数获取模块，用于获取所述船只的几何参数和合成孔径雷达的系统参数；图像旋转模块，用于旋转所述第一图像，得到第二图像；叠加模块，用于沿所述第二图像的二次散射线方向将图像灰度值进行累加，得到所述第二图像对应的一维距离向叠加信号；计算模块，根据所述几何参数、所述系统参数和所述一维距离向叠加信号计算所述船只的吃水深度。

本公开的第三方面提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序，其中，当一个或多个程序被一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器执行上述船只吃水深度方法。

本公开的第四方面还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有可执行指令，该指令被处理器执行时使处理器执行上述船只吃水深度方法。

本公开的第五方面还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述船只吃水深度方法。

从上述技术方案可以看出，本公开建立船只的合成孔径雷达图像散射特征与船只吃水深度之间的关联，为吃水深度计算建立全新的计算思路。相比于传统的人工水尺测量方法，在自动化和效率上大大提高。且可以做到当一幅合成孔径雷达图像包含多艘船只时，可以同时实现多艘船只的吃水深度的估计，以节省计算资源。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述内容以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示意性示出了根据本公开实施例的船体侧剖面及水面关系示意图；

图2示意性示出了根据本公开实施例的一种船只吃水深度计算方法的流程图；

图3示意性示出了根据本公开实施例的一种第二图像示意图；

图4示意性示出了根据本公开实施例的一种船只吃水深度计算装置的结构框图；以及

图5示意性示出了根据本公开实施例的适于实现船只吃水深度计算方法的电子设备的方框图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释（例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等）。

图1示意性示出了本公开实施例的船体侧剖面及水面关系示意图。如图1所示：h为 吃水深度，H为船舷高度，

是船体倾角，即：倾斜船舷与竖直方向的夹角。

本公开的实施例提供了一种船只吃水深度计算方法，计算方法包括：从第一图像中提取船只的几何参数；旋转第一图像，得到第二图像；沿第二图像的二次散射线方向将图像灰度值累加，得到第二图像对应的一维距离向叠加信号；根据几何参数和一维距离向叠加信号计算船只的吃水深度。

图2示意性示出了根据本公开实施例的船只吃水深度计算方法的流程图。

如图2所示，该实施例的船只吃水深度计算方法包括操作S210～操作S250。

在操作S210，从合成孔径雷达图像中截取船只及船只与水面相互作用的散射区域，得到第一图像。

根据本公开实施例，一副合成孔径雷达图像中，船只可能占图像很少一部分位置，也可能存在多艘船只，所以需要先处理合成孔径雷达图像。针对包含船只的高分辨率合成孔径雷达图像，截取包含船只本身及其周围区域，得到第一图像。

在操作S220，获取船只的几何参数和合成孔径雷达系统参数。

根据本公开实施例，船只的几何参数包括船舷高度、船体倾角和船只朝向角数，合成孔径雷达的系统参数包括轨道倾角和波束中心入射角度。

船舷高度和船体倾角可以从船只本身数据中直接得到。船只的船只朝向角则是从第一图像中测量得到的，朝向角表示船只主轴与合成孔径雷达方位向所夹锐角。

轨道倾角和波束中心入射角度可以从合成孔径雷达系统上直接得到。

在操作S230，旋转第一图像，得到第二图像。

具体步骤为，根据轨道倾角和船只朝向角计算旋转矩阵；利用旋转矩阵对第一图像进行旋转，得到第二图像。

根据本公开实施例，根据轨道倾角和船只朝向角计算旋转矩阵。计算旋转矩阵T的具体公式为：

其中，

为合成孔径雷达的轨道倾角，

为船只的船只朝向角。

根据旋转矩阵T，旋转第一图像

，得到第二图像

。旋转过程为：

在第二图像中，方位向和距离向、船只主轴对应关系如图3所示。

在操作S240，沿第二图像的二次散射线方向将图像灰度值进行累加，得到第二图像对应的一维距离向叠加信号。

第二图像的灰度值表示信号的幅度。如图3所示，将第二图像沿着图像中的二次散射线方向进行图像灰度值的累加，可以得到的一维距离向叠加信号S(y)。假设第二图像的大小为M x N，则一维距离向叠加信号S(y)大小为1 x N。

根据本公开实施例，如图3所述，一维距离向叠加信号

存在两个峰值区域。从 一维距离向叠加信号中可以获取两个峰值区域之间的距离，并获取距离较远且峰值为3dB 的峰值区域的主瓣宽度。

在操作S250，根据几何参数、系统参数和一维距离向叠加信号计算船只的吃水深度。

在操作S210~S240中已经获取了船舷高度、船体倾角、两个峰值区域之间的距离、主瓣宽度和波束中心入射角度计算船只的吃水深度。吃水深度h的计算公式为：

其中，计算船只的吃水深度h，其中，H为船只的船舷高度，β为船只的船体倾角，L为一维距离向叠加信号中两个峰值区域之间的距离，W为一维距离向叠加信号中距离向最远的主瓣宽度，θ为合成孔径雷达的波束中心入射角度

本公开建立船只的合成孔径雷达图像散射特征与船只吃水深度之间的关联，为吃水深度计算建立全新的计算思路。相比于传统的人工水尺测量方法，在自动化和效率上大大提高。且可以做到当一幅合成孔径雷达图像包含多艘船只时，可以同时实现多艘船只的吃水深度的估计，以节省计算资源。

基于上述船只吃水深度计算方法，本公开还提供了一种船只吃水深度计算装置。以下将结合图4对该装置进行详细描述。

图4示意性示出了根据本公开实施例的船只吃水深度计算装置的结构框图。

如图4所示，该实施例的船只吃水深度计算装置400包括：图像获取模块410、参数获取模块420、图像旋转模块430、叠加模块440和计算模块450。

图像获取模块410用于从合成孔径雷达图像中截取船只及所述船只与水面相互作用的散射区域，得到第一图像。

参数获取模块420用于获取所述船只的几何参数和合成孔径雷达的系统参数。

图像旋转模块430用于旋转所述第一图像，得到第二图像。

叠加模块440用于沿所述第二图像的二次散射线方向将图像灰度值进行累加，得到所述第二图像对应的一维距离向叠加信号。

计算模块450根据所述几何参数、所述系统参数和所述一维距离向叠加信号计算所述船只的吃水深度。

根据本公开的实施例，图像获取模块410、参数获取模块420、图像旋转模块430、叠加模块440和计算模块450中的任意多个模块可以合并在一个模块中实现，或者其中的任意一个模块可以被拆分成多个模块。或者，这些模块中的一个或多个模块的至少部分功能可以与其他模块的至少部分功能相结合，并在一个模块中实现。根据本公开的实施例，图像获取模块410、参数获取模块420、图像旋转模块430、叠加模块440和计算模块450中的至少一个可以至少被部分地实现为硬件电路，例如现场可编程门阵列（FPGA）、可编程逻辑阵列（PLA）、片上系统、基板上的系统、封装上的系统、专用集成电路（ASIC），或可以通过对电路进行集成或封装的任何其他的合理方式等硬件或固件来实现，或以软件、硬件以及固件三种实现方式中任意一种或以其中任意几种的适当组合来实现。或者，图像获取模块410、参数获取模块420、图像旋转模块430、叠加模块440和计算模块450中的至少一个可以至少被部分地实现为计算机程序模块，当该计算机程序模块被运行时，可以执行相应的功能。

图5示意性示出了根据本公开实施例的适于实现……方法的电子设备的方框图。

如图5所示，根据本公开实施例的电子设备500包括处理器501，其可以根据存储在只读存储器（ROM）502中的程序或者从存储部分508加载到随机访问存储器（RAM）503中的程序而执行各种适当的动作和处理。处理器501例如可以包括通用微处理器（例如CPU）、指令集处理器和/或相关芯片组和/或专用微处理器（例如，专用集成电路（ASIC））等等。处理器501还可以包括用于缓存用途的板载存储器。处理器501可以包括用于执行根据本公开实施例的方法流程的不同动作的单一处理单元或者是多个处理单元。

在RAM 503中，存储有电子设备500操作所需的各种程序和数据。处理器 501、ROM502以及RAM 503通过总线504彼此相连。处理器501通过执行ROM 502和/或RAM 503中的程序来执行根据本公开实施例的方法流程的各种操作。需要注意，程序也可以存储在除ROM502和RAM 503以外的一个或多个存储器中。处理器501也可以通过执行存储在一个或多个存储器中的程序来执行根据本公开实施例的方法流程的各种操作。

根据本公开的实施例，电子设备500还可以包括输入/输出（I/O）接口505，输入/输出（I/O）接口505也连接至总线504。电子设备500还可以包括连接至I/O接口505的以下部件中的一项或多项：包括键盘、鼠标等的输入部分506；包括诸如阴极射线管（CRT）、液晶显示器（LCD）等以及扬声器等的输出部分507；包括硬盘等的存储部分508；以及包括诸如LAN卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分509。通信部分509经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器510也根据需要连接至I/O接口505。可拆卸介质511，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器510上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分508。

本公开还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是上述实施例中描述的设备/装置/系统中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该设备/装置/系统中。上述计算机可读存储介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被执行时，实现根据本公开实施例的方法。

根据本公开的实施例，计算机可读存储介质可以是非易失性的计算机可读存储介质，例如可以包括但不限于：便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦式可编程只读存储器（EPROM或闪存）、便携式紧凑磁盘只读存储器（CD-ROM）、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本公开中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。例如，根据本公开的实施例，计算机可读存储介质可以包括上文描述的ROM 502和/或RAM 503和/或ROM 502和RAM 503以外的一个或多个存储器。

本公开的实施例还包括一种计算机程序产品，其包括计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。当计算机程序产品在计算机系统中运行时，该程序代码用于使计算机系统实现本公开实施例所提供的物品推荐方法。

在该计算机程序被处理器501执行时执行本公开实施例的系统/装置中限定的上述功能。根据本公开的实施例，上文描述的系统、装置、模块、单元等可以通过计算机程序模块来实现。

在一种实施例中，该计算机程序可以依托于光存储器件、磁存储器件等有形存储介质。在另一种实施例中，该计算机程序也可以在网络介质上以信号的形式进行传输、分发，并通过通信部分509被下载和安装，和/或从可拆卸介质511被安装。该计算机程序包含的程序代码可以用任何适当的网络介质传输，包括但不限于：无线、有线等等，或者上述的任意合适的组合。

在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分509从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质511被安装。在该计算机程序被处理器501执行时，执行本公开实施例的系统中限定的上述功能。根据本公开的实施例，上文描述的系统、设备、装置、模块、单元等可以通过计算机程序模块来实现。

根据本公开的实施例，可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本公开实施例提供的计算机程序的程序代码，具体地，可以利用高级过程和/或面向对象的编程语言、和/或汇编/机器语言来实施这些计算程序。程序设计语言包括但不限于诸如Java，C++，python，“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。在涉及远程计算设备的情形中，远程计算设备可以通过任意种类的网络，包括局域网（LAN）或广域网（WAN），连接到用户计算设备，或者，可以连接到外部计算设备（例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接）。

附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行的执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (6)

1.一种船只吃水深度计算方法，其特征在于，包括：

从合成孔径雷达图像中截取船只及所述船只与水面相互作用的散射区域，得到第一图像；

获取所述船只的几何参数和合成孔径雷达的系统参数，其中，所述获取所述船只的几何参数和合成孔径雷达的系统参数包括：获取所述船只的船舷高度和船体倾角，并从所述第一图像中提取所述船只的船只朝向角，其中，所述船舷高度、所述船体倾角和所述船只朝向角为所述几何参数，获取所述合成孔径雷达的轨道倾角和波束中心入射角度，作为所述系统参数；

根据所述轨道倾角和所述船只朝向角计算旋转矩阵，利用所述旋转矩阵对所述第一图像进行旋转，得到第二图像；

沿所述第二图像的二次散射线方向将图像灰度值进行累加，得到所述第二图像对应的一维距离向叠加信号；

获取所述一维距离向叠加信号中两个峰值区域之间的距离，获取所述两个峰值区域中距离向较远的峰值区域的主瓣宽度，根据所述几何参数、所述系统参数、所述两个峰值区域之间的距离、所述主瓣宽度和所述波束中心入射角度计算所述船只的吃水深度。

2.根据权利要求1所述的船只吃水深度计算方法，其特征在于，根据所述轨道倾角和所述船只朝向角计算旋转矩阵包括：

根据公式：

计算所述旋转矩阵T，其中，δ为所述合成孔径雷达的轨道倾角，α为所述船只的船只朝向角。

3.根据权利要求1所述的船只吃水深度计算方法，其特征在于，所述根据所述几何参数、所述两个峰值区域之间的距离、所述主瓣宽度和所述波束中心入射角度计算所述船只的吃水深度包括：

根据

计算所述船只的吃水深度

，其中，H为所述船只的船舷高度，β为所述船只的船体倾角，L为所述一维距离向叠加信号中两个峰值区域之间的距离，W为所述一维距离向叠加信号中距离向较远的峰值区域的主瓣宽度，θ为所述合成孔径雷达的波束中心入射角度。

4.一种船只吃水深度计算装置，包括：

图像获取模块，用于从合成孔径雷达图像中截取船只及所述船只与水面相互作用的散射区域，得到第一图像；

参数获取模块，用于获取所述船只的几何参数和合成孔径雷达的系统参数，其中，所述获取所述船只的几何参数和合成孔径雷达的系统参数包括：获取所述船只的船舷高度和船体倾角，并从所述第一图像中提取所述船只的船只朝向角，其中，所述船舷高度、所述船体倾角和所述船只朝向角为所述几何参数，获取所述合成孔径雷达的轨道倾角和波束中心入射角度，作为所述系统参数；

图像旋转模块，用于根据所述轨道倾角和所述船只朝向角计算旋转矩阵，利用所述旋转矩阵对所述第一图像进行旋转，得到第二图像；

叠加模块，用于沿所述第二图像的二次散射线方向将图像灰度值进行累加，得到所述第二图像对应的一维距离向叠加信号；

计算模块，用于获取所述一维距离向叠加信号中两个峰值区域之间的距离，获取所述两个峰值区域中距离向较远的峰值区域的主瓣宽度，根据所述几何参数、所述系统参数、所述两个峰值区域之间的距离、所述主瓣宽度和所述波束中心入射角度计算所述船只的吃水深度。

5.一种电子设备，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序，

其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行根据权利要求1~3中任一项所述的方法。

6.一种计算机可读存储介质，其上存储有可执行指令，该指令被处理器执行时使处理器执行根据权利要求1~3中任一项所述的方法。

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