一种侧扫声呐增益补偿判断模型的建模方法技术

本发明专利技术公开了一种侧扫声呐增益补偿判断模型的建模方法，属于机械振动或超声波、声波或次声波的测量技术领域，用于侧扫声呐的增益补偿判断，包括，选取待测区域内的图像作为样本图像f(x,y)；对f(x,y)进行灰度增强，得到增强图像g(x,y)；根据g(x,y)提取灰度直方图；对灰度直方图做二次拟合，对二次拟合后的函数二次项系数做判断；若二次项系数大于0，判定当前工作状态需要进行增益补偿，若二次项系数小于0，需判断样本图像是否属于特殊图像；若样本图像不属于特殊图像，判定当前工作状态不需要进行增益补偿，若样本图像属于特殊图像，对样本图像做海底线检测后做划区处理，返回S6重新判断是否属于特殊图像。断是否属于特殊图像。断是否属于特殊图像。

【技术实现步骤摘要】
一种侧扫声呐增益补偿判断模型的建模方法


[0001]本专利技术公开了一种侧扫声呐增益补偿判断模型的建模方法，属于机械振动或超声波、声波或次声波的测量


技术介绍

[0002]在海洋探测领域中，侧扫声呐以其高精度、高效率、成像分辨率高、对目标区域海底可实现全覆盖扫测等优势被广泛应用。不同的海底和目标物有不同的回波特征，坚硬的、粗糙的、凸起并正对声波传播方向的海底回波强，松软的、平坦的、下凹并偏离声波传播方向的海底回波弱，被凸起海底遮挡部分（声影区）的海底没有回波，所以回波信号是与海底特性相关、幅度随时间变化的脉冲串。
[0003]由于海洋环境的复杂性，声波信号在传播过程中会发生衰减，这将导致换能器接收到的回波信号不能准确的反映海底真实情况，形成图像的质量相对较差，特别是在图像细节方面会出现对比度低、边缘模糊、亮度不均等情况，这对水下目标识别、分类等产生了极大的影响。为了消除距离对回波强度的影响，得到一张灰度均匀的声图，操作者需要根据声呐图像的视觉效果进行增益补偿。目前现有的解决方案中，在数据采集过程中操作人员可以借助声呐系统的控制单元或计算机实时调整声呐系统的回波增益，尽管侧扫声呐在硬件系统中一般都会配备相应的增益补偿措施，但这种实时调整增益的方法依赖操作人员的主观判断，受到观察者本身的从业经验、对仪器操作的熟练程度以及在采集数据过程中的海况等多方面因素影响，为侧扫声呐的实际应用增加难度，不能及时调整合适的增益值，导致声呐成像质量不佳。在内业的数据处理中，TENG Huizhong等人在《Real/>‑
time enhancing technique for sea
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bottom sonar image》中对低通与高通滤波器结合进行侧扫声呐图像滤波，然后在图像的横向上通过直方图均衡化的方法进行图像灰度校正（Sheng
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Quan LI.Real
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bottom sonar image[J]. Applied Acoustics, 2006,25:284
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290.）。邓莹莹在《侧扫声纳图像拼接系统研究》中提出基于改进的曲波变换的方法进行侧扫声呐图像滤波（邓莹莹. 侧扫声纳图像拼接系统研究[D]. 哈尔滨工程大学, 2014）。Chaparro L F等人在《Adaptive Fuzzy Morphological Filtering of Impulse Noise in Images》中利用自适应的模糊形态滤波方法，对侧扫声呐图像进行滤波处理（Oh J ,Chaparro L F.Adaptive Fuzzy Morphological Filtering of Impulse Noise in Images[J]. Multidimensional Systems and Signal Processing, 2000, 11(3):233
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256.），上述三种方法受到图像的影响较大，效果不具有普适性。李胜全等人在《侧扫声纳图像实时增强技术》一文中根据统计学原理提出了平均灰度增益补偿的方法（李胜全,滕惠忠,凌勇,刘雁春,严晓明.侧扫声纳图像实时增强技术[J].应用声学,2006(05):284
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289.）。这种方法有效地弥补了因为距离变化而导致声呐图像灰度值失衡的问题。但是这种方法需要对不同的图像进行不同的滑窗分块，再进行斜坡加权平均求出补偿方程，操作起来比较复杂，经过补偿的图像还有可能出现灰度值突变的现象。许剑在《侧扫声呐图像镶嵌与分割关键技术研究》中提出平均振幅增益方法进行增益补偿，这种方法是根据侧扫
声呐的回波信号强度能量权值相等的原则对增益进行补偿修正（许剑.侧扫声呐图像镶嵌与分割关键技术研究[D].东华理工大学,2017.）。对原始声呐瀑布图进行平均振幅增益后，图像灰度分布更均匀。但是，这种平均振幅增益补偿方法会导致侧扫声呐图像中产生新噪声，并且还可能导致部分图像增益补偿过大。王杰英在《侧扫声呐图像的三维重构》中提出了一种自动增益补偿的方法（王杰英. 侧扫声呐图像的三维重构[D].浙江大学,2018.）。该方法首先选取图像中一处较平坦的区域分为四块同长度子区域，然后根据每一区域的均值自动生成一条四线段式补偿曲线，最后对整幅图像进行增益补偿。经过这种方法补偿后的图像无明显灰度值突变，视觉效果较好，但也增加了内业数据处理的计算量。

技术实现思路

[0004]一种侧扫声呐增益补偿判断模型的建模方法，包括，S1.选取待测区域内的图像作为样本图像f(x,y)；S2.对f(x,y)进行灰度增强，得到增强图像g(x,y)；S3.根据g(x,y)提取灰度直方图；S4.对灰度直方图做二次拟合，对二次拟合后的函数二次项系数做判断；S5.若二次项系数大于0，判定当前工作状态需要进行增益补偿，若二次项系数小于0，需判断样本图像是否属于特殊图像；S6.若样本图像不属于特殊图像，判定当前工作状态不需要进行增益补偿，若样本图像属于特殊图像，对样本图像做海底线检测后做划区处理，重新判断是否需要进行增益补偿。
[0005]优选地，S1中，选取侧扫声呐系统开始工作后采集到的200Ping内的图像作为f(x,y)。
[0006]优选地，S2中的灰度增强具体为：使用同态滤波方法实现图像增强，同态滤波器选用二阶巴特沃斯滤波器，同态滤波器的表达式为：，其中，u,v表示频域上的两个坐标轴，代表高频增益，代表低频增益，取>1且<1；D(u，v)表示频率(u，v)距滤波器中心()的距离；表示滤波器的截止频率，常数c控制滤波器的陡峭程度，c值的选取与图像的增强效果无关。
[0007]优选地，S4中，对图像灰度直方图进行二次拟合具体为：假定有n个观测数据点，i=0,1,2,
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,n，利用二次多项式表达观测数据点，其中，表示拟合后的二次多项式各项系数，表示拟合后的多项式函数，把二次多项式在所算得的值与观测函数值之间的差称为误差或剩余量，用来表示，表示含有x的指数项，即，可得到3个误差方程：
令误差的平方和达到最小值，根据求极小值方法，令误差平方和为，使为极小的需适合下列方程组：下列方程组：为系数，来表示,，从而得到方程组：，通过求解3个误差方程得到未知数，将代入式，得到所求的二次函数拟合曲线的多项式表达式。
[0008]优选地，S6包括以下子步骤：S6.1.判断样本图像是否属于特殊图像，假设拖鱼左右两侧的灰度均值分别为M、N，按照人眼能分辨的灰度级规律，若M与N差的绝对值大于10，样本图像两侧的回波强度会出现明显的不同，此样本图像即为特殊图像；S6.2.若样本图像属于特殊图像，对图像做海底线检测，选用Canny边缘检测算法，使用高斯滤波器来减轻噪声的影响，对图像进行卷积处理，滤除图像中的噪声，选用的高斯分布函数为：，式中，为高斯滤波器的参数，将原图像I(x,y本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种侧扫声呐增益补偿判断模型的建模方法，其特征在于，包括，S1.选取待测区域内的图像作为样本图像f(x,y)；S2.对f(x,y)进行灰度增强，得到增强图像g(x,y)；S3.根据g(x,y)提取灰度直方图；S4.对灰度直方图做二次拟合，对二次拟合后的函数二次项系数做判断；S5.若二次项系数大于0，判定当前工作状态需要进行增益补偿，若二次项系数小于0，需判断样本图像是否属于特殊图像；S6.若样本图像不属于特殊图像，判定当前工作状态不需要进行增益补偿，若样本图像属于特殊图像，对样本图像做海底线检测后做划区处理，重新判断是否需要进行增益补偿。2.根据权利要求1所述的一种侧扫声呐增益补偿判断模型的建模方法，其特征在于，S1中，选取侧扫声呐系统开始工作后采集到的200Ping内的图像作为f(x,y)。3.根据权利要求2所述的一种侧扫声呐增益补偿判断模型的建模方法，其特征在于，S2中的灰度增强具体为：使用同态滤波方法实现图像增强，同态滤波器选用二阶巴特沃斯滤波器，同态滤波器的表达式为：，其中，u,v表示频域上的两个坐标轴，代表高频增益，代表低频增益，取>1且<1；D(u，v)表示频率(u，v)距滤波器中心()的距离；表示滤波器的截止频率，常数c控制滤波器的陡峭程度，c值的选取与图像的增强效果无关。4.根据权利要求3所述的一种侧扫声呐增益补偿判断模型的建模方法，其特征在于，S4中，对图像灰度直方图进行二次拟合具体为：假定有n个观测数据点，i=0,1,2,
…
,n，利用二次多项式表达观测数据点，其中，表示拟合后的二次多项式各项系数，表示拟合后的多项式函数，把二次多项式在所算得的值与观测函数值之间的差称为误差或剩余量，用来表示，表示含有x的指数项，即，可得到3个误差方程：令误差的平方和达到最小值，根据求极小值方法，令误差平方和为，使为极小的需适合下列方程组：
为系数，来表示,，从而得到方程组：，通过求解3个误差方程得到未知数，将代入式，得到所...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐博阳，王方旗，周兴华，王磊，丁继胜，
申请(专利权)人：自然资源部第一海洋研究所，
类型：发明
国别省市：