本发明专利技术提供了一种基于垂直宽波束图像声纳的目标三维成像方法及系统，包括：步骤S1：图像声纳对目标物体进行俯仰扫描，得到多帧二维图像；步骤S2：利用基于宽波束声纳的Carving方法处理采集到的多帧二维图像重建目标三维像。本发明专利技术提出的基于宽波束图像声纳的目标三维重构技术，继承宽波束图像声纳具有探测范围大和可实施快速扫描的潜在优点，俯仰扫描机制具有避免水下机器人运动扫描引起图像质量不佳等问题的作用。等问题的作用。等问题的作用。
【技术实现步骤摘要】
基于垂直宽波束图像声纳的目标三维成像方法及系统
[0001]本专利技术涉及声呐信号处理
，具体地，涉及基于垂直宽波束图像声纳的目标三维成像方法及系统，适用于小型水下无人平台的探测技术。
技术介绍
[0002]图像声纳是水下目标探测的主要手段。三维成像相比二维图像具有更多的目标信息，能够更清晰直观地解释水下目标。实现水下三维成像的传统方式包括二维阵列(面阵、T型阵)和发射线阵垂直扫描。其中，二维阵列体积、重量均比较大，不适用于安装在小型无人平台上。另外，采用发射线阵在垂直方向上扫描获得目标的深度信息，将多帧二维图像通过合适的后处理算法重建三维像。其图像质量与垂直方向波束宽度有关。因此，为了形成垂直方向窄波束，声纳设计时要求换能器垂直方向是大孔径基元。然而，为了配合小型水下无人平台的探测需求，先进图像声纳大多遵循宽波束设计原则从而扩大探测范围。另外，由于无人平台自身运动的不稳定性以及外部水体环境因素(海流、风浪等)的影响，成像质量进一步恶化。
[0003]因此，提出一种适用于小型水下无人平台的目标三维成像技术，能够解决宽波束图像声纳的三维成像问题，以及消除水下机器人运动误差带来图像质量不佳等问题。
[0004]专利文献CN103744085B(申请号：201410022662.9)公开了一种水下机器人五分量测距声纳斜井三维成像系统及成像方法，包括水下机器人、水面光端机、水面上位机，水下机器人上设有4个水平分量测距声纳和1个垂直分量测距声纳，其中4个水平分量测距声纳的相互之间方位差为90度；水下机器人上还设有光纤陀螺仪。通过4个水平分量测距声纳可获得斜井的一帧二维图像序列，水面上位机对一系列二维图像序列进行数据处理，通过对斜井的几何尺寸和4个水平分量测距声纳数据进行处理，使二维图像序列垂直轴向上对齐，通过光纤陀螺仪测得的艏向角度使二维图像序列水平方向对齐，再结合垂直分量测距声纳测得的机器人到水面垂直距离，实时绘制出斜井的二维和三维图像。
技术实现思路
[0005]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于垂直宽波束图像声纳的目标三维成像方法及系统。
[0006]根据本专利技术提供的一种基于垂直宽波束图像声纳的目标三维成像方法，包括：
[0007]步骤S1：图像声纳以步态的俯仰角度对目标物体进行俯仰扫描，得到多帧二维图像；
[0008]步骤S2：利用基于宽波束声纳的Carving方法处理采集到的多帧二维图像重建目标三维像。
[0009]优选地，所述步骤S1采用：
[0010]步骤S1.1：当图像声纳以俯仰角度α发射声波并接收回波后，波束形成得到二维图像I
α
(r,θ)；
[0011]步骤S1.2：改变俯仰角度α，重复触发步骤S1.1至步骤S1.2，直至完成目标区域扫描，得到多帧二维图像。
[0012]优选地，所述步骤S1.1采用：
[0013][0014]其中，r表示声纳到目标物体中心的探测距离；R表示目标物体半径；图像声纳检测物体的最小俯仰扫描范围是φ1到φ2表示垂直开角范围；β(φ)表示波束在垂直开角范围内幅度响应；V
i,j,k
表示反射系数；γ表示目标物体上某点的法线方向和声波发射方向的夹角。
[0015]优选地，所述步骤S2采用：
[0016]步骤S2.1：通过单次探测的二维图像I
α
(r,θ)计算图像声纳探测所覆盖的三维区域内各离散成像点的反射系数f
i,j,k
；
[0017][0018]其中，是积分域Φ
i
的面积；φ
i
是Φ
i
的中点；
[0019]步骤S2.2：利用Carving方法将图像声纳探测得到的二维图像内单个距离
‑
方向单元描述为垂直波束方向内预设各散射体反射波叠加形成，因此，成像空间内单个单元的辐射值不大于二维图像对应点的成像值；
[0020]因为三维成像空间是等间距划分的，假设为等于1的常量；
[0021][0022]步骤S2.3：对于多次扫描数据，空间内一点的成像值由照射到该点的所有扫描图像的最小值决定；
[0023][0024]优选地，三维重构技术的水平方向分辨率由图像声纳水平检测分辨率决定，而垂直方向分辨率只与俯仰扫描步长有关。
[0025]根据本专利技术提供的一种基于垂直宽波束图像声纳的目标三维成像系统，包括：
[0026]模块M1：图像声纳以步态的俯仰角度对目标物体进行俯仰扫描，得到多帧二维图像；
[0027]模块M2：利用基于宽波束声纳的Carving方法处理采集到的多帧二维图像重建目标三维像。
[0028]优选地，所述模块M1采用：
[0029]模块M1.1：当图像声纳以俯仰角度α发射声波并接收回波后，波束形成得到二维图像I
α
(r,θ)；
[0030]模块M1.2：改变俯仰角度α，重复触发模块M1.1至模块M1.2，直至完成目标区域扫
描，得到多帧二维图像。
[0031]优选地，所述模块M1.1采用：
[0032][0033]其中，r表示声纳到目标物体中心的探测距离；R表示目标物体半径；图像声纳检测物体的最小俯仰扫描范围是φ1到φ2表示垂直开角范围；β(φ)表示波束在垂直开角范围内幅度响应；V
i,j,k
表示反射系数；γ表示目标物体上某点的法线方向和声波发射方向的夹角。
[0034]优选地，所述模块M2采用：
[0035]模块M2.1：通过单次探测的二维图像I
α
(r,θ)计算图像声纳探测所覆盖的三维区域内各离散成像点的反射系数f
i,j,k
；
[0036][0037]其中，是积分域Φ
i
的面积；φ
i
是Φ
i
的中点；
[0038]模块M2.2：利用Carving方法将图像声纳探测得到的二维图像内单个距离
‑
方向单元描述为垂直波束方向内预设各散射体反射波叠加形成，因此，成像空间内单个单元的辐射值不大于二维图像对应点的成像值；
[0039]因为三维成像空间是等间距划分的，假设为等于1的常量；
[0040][0041]模块M2.3：对于多次扫描数据，空间内一点的成像值由照射到该点的所有扫描图像的最小值决定；
[0042][0043]优选地，三维重构技术的水平方向分辨率由图像声纳水平检测分辨率决定，而垂直方向分辨率只与俯仰扫描步长有关。
[0044]与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：
[0045]1、本专利技术提出的基于宽波束图像声纳的目标三维重构技术，继承宽波束图像声纳具有探测范围大和可实施快速扫描的潜在优点，俯仰扫描机制具有避免水下机器人运动扫描引起图像质量不佳等问题的作用；
[0046]2、从仿真和试验得到的三维图像可以看到：本发本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于垂直宽波束图像声纳的目标三维成像方法，其特征在于，包括：步骤S1：图像声纳以步态的俯仰角度对目标物体进行俯仰扫描，得到多帧二维图像；步骤S2：利用基于宽波束声纳的Carving方法处理采集到的多帧二维图像重建目标三维像。2.根据权利要求1所述的基于垂直宽波束图像声纳的目标三维成像方法，其特征在于，所述步骤S1采用：步骤S1.1：当图像声纳以俯仰角度α发射声波并接收回波后，波束形成得到二维图像I
α
(r,θ)；步骤S1.2：改变俯仰角度α，重复触发步骤S1.1至步骤S1.2，直至完成目标区域扫描，得到多帧二维图像。3.根据权利要求2所述的基于垂直宽波束图像声纳的目标三维成像方法，其特征在于，所述步骤S1.1采用：其中，r表示声纳到目标物体中心的探测距离；R表示目标物体半径；图像声纳检测物体的最小俯仰扫描范围是φ1到φ2表示垂直开角范围；β(φ)表示波束在垂直开角范围内幅度响应；表示反射系数；γ表示目标物体上某点的法线方向和声波发射方向的夹角。4.根据权利要求1所述的基于垂直宽波束图像声纳的目标三维成像方法，其特征在于，所述步骤S2采用：步骤S2.1：通过单次探测的二维图像I
α
(r,θ)计算图像声纳探测所覆盖的三维区域内各离散成像点的反射系数f
i,j,k
；其中，是积分域Φ
i
的面积；φ
i
是Φ
i
的中点；步骤S2.2：利用Carving方法将图像声纳探测得到的二维图像内单个距离
‑
方向单元描述为垂直波束方向内预设各散射体反射波叠加形成，因此，成像空间内单个单元的辐射值不大于二维图像对应点的成像值；因为三维成像空间是等间距划分的，假设为等于1的常量；步骤S2.3：对于多次扫描数据，空间内一点的成像值由照射到该点的所有扫描图像的最小值决定；
5.根据权利要求1所述的基于垂直宽波束图像声纳的目标三维成像方法，其特征在于，三维重构技术的水平方向分辨率由图像声纳水平检测分辨率决定，而垂直方向分辨率只与俯仰扫描步长有关。6.一种基于垂直宽波束图像声...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐琰锋，刘锦剑，潘谢帆，
申请(专利权)人：上海船舶电子设备研究所中国船舶重工集团公司第七二六研究所，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。