一种二维扫描图像声呐距底高度快速、简易探测方法与流程

1.本发明涉及水下声呐测图方法和图像几何畸变处理领域，具体涉及二维扫描图像声呐的距底高度的确定方法，尤其涉及一种二维扫描图像声呐距底高度快速、简易探测方法。


背景技术：

2.二维扫描声呐在垂面内发射具有一定开角的波束，按等时间间隔记录回波，并通过云台旋转实现一定半径范围内床表目标的探测。其回波按极坐标方式形成扇形或圆形扫描图像，图像目标沿半径方向上至中心的距离为斜距，因此声呐图像存在倾斜畸变，如图1所示，造成目标形状尺寸和坐标量取产生误差，越靠近中心的近场目标畸变越明显。
3.消除倾斜畸变的常规方法是对二维扫描图像进行斜距改正，即根据声呐探头距离床表的高度将各回波的斜距转化为平距。为了确定声呐探头距离床表的高度，一般在回波图像上量取水体弱回波区域的径向宽度，近似代替声呐探头的距底高度，这种方法的使用前提是二维扫描声呐发射波束不存在盲区角，发射波束角的近场边界落在声呐探头的天底区域，此时水体区域的径向宽度与声呐探头的距底高度近似相等。当二维扫描声呐发射波束存在明显盲区角时，这种方法确定的声呐探头高度与实际偏差较大，难以消除图像上的倾斜畸变。
4.其次，声呐探头的距底高度还可借助外源测深数据确定，即根据实测水深减声呐探头的吃水深度得到。这种方法需要作业过程中配套测深装备，同时还需要量测探头的吃水深度。因此，这种方法除了增加测量设备成本外，也会造成作业方法复杂度增加。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明提供了一种二维扫描图像声呐距底高度快速、简易探测方法，基于载体平台实现，所述载体平台上固定安装二维扫描图像声呐和配套定位、测姿及测向传感器装置，主要包括以下步骤：
6.s1：二维扫描图像声呐位于待测床表上方，在待测床表上方布设有若干测站，当二维扫描图像声呐处于任一测站时，实时计算声呐探头中心处的地理坐标，并根据声呐探头采集待测床表的二维扫描声呐图像；
7.s2：当完成某一测站o1的二维扫描声呐图像的测量任务后，载体平台沿设计作业面移动一定距离，到达下一测站o2，根据两个测站中心的地理坐标，计算出站心平距和移动后一站o2相对于移动前一站o1的航迹方位角α
o1o2
；
8.s3：在相邻测站扫描图像的公共区域选择若干组共视目标，分别量取各共视目标在两幅图像上的像素坐标，计算各共视目标相对于图像中心的坐标方位角α
o1a
，并根据成图像素分辨尺寸计算各组共视目标相对于其各自图像中心的斜距l1和l2；
9.s4：根据上述步骤得到的l1、l2、α
o1a
及α
o1o2
，按勾股定理求得声呐探头距待
测床表底部的高度，即求得声呐探头距底高度；
10.s5：根据步骤s4得到的各组共视目标的声呐探头距底高度，得到最终的声呐探头距底高度，进而根据最终的声呐探头距底高度对上一测站的图像进行斜距改正，以消除近场的倾斜畸变。
11.进一步地，采用船体坐标系的方式来实时计算声呐探头中心处的地理坐标。
12.进一步地，采集的二维扫描声呐图像极坐标编码时，各扫描线以北方向为基准。
13.进一步地，载体平台沿设计作业面移动一定距离时，不超过单测站径向覆盖范围的50％。
14.进一步地，两个测站中心的地理坐标，即声呐探头位于每个测站时声呐中心处的地理坐标。
15.进一步地，在相邻测站扫描图像的公共区域均匀选择3～5组共视目标。
16.进一步地，对各组共视目标求得的声呐探头距底高度加和求平均值，所得到的即为最终的声呐探头距底高度。
17.本发明提供的技术方案带来的有益效果是：合理利用了相邻测站间声呐探头与共视目标之间的空间几何关系，当相邻测站范围不大，局部地形变化缓慢时，探测的声呐距底高度更加准确、可靠；探测原理具有严密的数学计算模型，可实现自动化处理。相较于直接使用水体区域径向宽度代替声呐高度办法，本方法具有更高的计算精度；相较于使用外源水深数据减声呐吃水的办法，本方法的成本更低，方法更加简单和高效。
附图说明
18.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
19.图1是本发明实施例中二维扫描图像声呐倾斜畸变产生机理的示意图；
20.图2是本发明实施例中一种二维扫描图像声呐距底高度快速、简易探测方法的流程图；
21.图3是本发明实施例中沿航迹线上共视目标与相邻测站声呐探头之间的三角关系图；
22.图4是本发明实施例中非航迹线上共视目标与相邻测站声呐探头之间的空间关系图；
23.图5是本发明实施例中二维扫描声呐相邻测站实测原始回波图像的示意图；
24.图6是本发明实施例中根据估算声呐探头高度进行斜距改正和重新编码处理后的效果图。
25.图1中标号说明如下：
26.1-声呐探头，2-波束开角，3-盲区角，4-待测床表，5-床表波束辐射范围，6-床表真实尺寸d，7-盲区，8-图像，9-床表回波图像范围，10-目标图像上径向尺寸d，11-盲区及水体区域，12-最大成像斜距。
具体实施方式
27.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
28.本发明的实施例提供了一种二维扫描图像声呐距底高度快速、简易探测方法。基于载体平台实现，所述载体平台上固定安装二维扫描图像声呐和配套定位、测姿及测向传感器装置等。
29.请参考图2，图2是本发明实施例中一种二维扫描图像声呐距底高度快速、简易探测方法的流程图，利用小范围内床表地形变化不大的特点，根据多站二维扫描声呐图像上的共视目标开展声呐探头距底高度的探测，该探测方法巧妙的利用了多站声呐探头及共视目标之间的空间三角关系，进而求出声呐探头相对于待测床表的高度。为了实现上述目的，主要采用以下原理和步骤：
30.1)声呐探头距底高度探测原理
31.距底高度是二维扫描图像声呐倾斜畸变改正的关键参数，二维扫描图像声呐采用静态扫描作业模式采集图像，扫描过程中声呐探头中心位置基本固定，可以由载体平台gnss定位数据按船体坐标系实时计算得到，因此相邻测站声呐探头的水平距离可求。图3给出了相邻测站扫描成图时，处于声呐探头移动航迹线上的目标a与两个声呐探头之间的斜距关系，图中两站声呐探头中心实测地理位置分别为o1(x1,y1)和o2(x2,y2)，根据两测站获得的扫描图像，分别从图上量取目标a至图像中心的径向距离l1和l2，q表示盲区角。由此，
△
ao1o2的三条边长均为已知量，声呐探头距底高度h为o1o2边上的高，根据三角形余弦定理，可求∠ao1o2为：
[0032][0033]
通过三角形解析几何，可求声呐探头距底高度h为：
[0034][0035]
当共视目标a不在两测站声呐探头连线的航迹线上时，共视目标a与两测站声呐探头及它们的天底位置，形成了空间结构关系如图4(a)所示。此时，根据式(2)求出的不再是声呐探头距底高度，而是图4(a)中的ad边长，此时根据三角形解析关系可求eo
′1：
[0036]
eo1′
＝do1＝l1cos∠ao1o2ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0037]
此外，根据共视目标a的图像坐标(xa,ya)以及o1(x1,y1)和o2(x2,y2)地理坐标，如图4(b)所示，可分别求出方向相对于北方向的方位角α
o1a
和α
o1o2
，进而可得：
[0038]
∠eo1′
a＝α
o1o2
π-α
o1a
ꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0039]
此时可求ae边长为：
[0040]
ae＝eo
′1·
tan∠eo
′1a
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0041]
在
△
aed中按勾股定理由ad和ae边长求解de，即为声呐探头距底高度。
[0042]
2)实施步骤
[0043]
基于上述声呐距底高度探测原理，给出二维扫描声呐距底高度简易探测方法的具体实施步骤：
[0044]
(1)在载体平台上固定安装二维扫描声呐，配套定位、测姿、测向等传感器装置，根据船体坐标系将定位接收机平面坐标归算至声呐探头中心处，在系统调试正常情况下，按照作业规范和设计要求采集二维扫描声呐图像，图像极坐标编码时，各方向回波应根据系
统初始方向的方位角归算至绝对北方向，即以北方向为基准。
[0045]
(2)当完成一测站二维扫描声呐图像的测量任务后，载体平台沿设计作业面移动一定距离，一般不超过单站径向覆盖范围的50％，这样既保证两测站图像之间具有一定的覆盖率，同时保证小范围内地形整体相对一致，根据两测站中心的地理坐标，可计算站心平距和后一站相对于前一站的航迹方位角α
o1o2
。
[0046]
(3)在相邻测站扫描图像的公共区域均匀选择3～5组共视目标点，分别量取各点在两幅图像上的像素坐标，计算各点相对于图像中心的坐标方位角α
o1a
，并根据成图像素分辨尺寸计算各组共视点相对于其图像中心的斜距l1和l2。
[0047]
(4)根据l1、l2、α
o1a
及α
o1o2
，按式(2～5)分别求图4空间结构中ad和ae边长，进而按勾股定理求得声呐探头距底高度de。
[0048]
(5)对各组共视目标求得的距底高度求均值，进而依此高度对上一测站的图像进行斜距改正，以消除近场的倾斜畸变。
[0049]
以二维扫描声呐在水下铺排检测为例，详细阐述本发明的实现过程。
[0050]
(1)测量准备
[0051]
在铺排船尾侧舷固定安装ms1000型二维扫描声呐，船体上配套安装gnss定位、mru船体姿态和航向等传感器系统，通过船体坐标系实时归算声呐探头的地理坐标。
[0052]
(2)数据采集
[0053]
根据作业规范和施工需求，每5～10m布设一个测站，采集二维扫描图像以观察排布下放、坐底情况及分布范围，数据采集过程中载体平台保持抛锚状态，扫描速度为0.225
°
～0.45
°
，扫描半径为30～50m，回波图像极坐标编码时，各扫描线的方位基准为北方向。图5为作业区相邻两测站采集的扫描图像。
[0054]
(3)共视目标点组选择
[0055]
从两测站扫描图像中选择3～5组特征明显的共视目标，图5中给出了三组共视目标a、b、c，分别量取各共视目标在扫描图像上的坐标，结合相邻两站站心坐标，计算声呐高度估计所需的边长和角度变量。
[0056]
(4)声呐距底高度计算
[0057]
对各组共视目标，按式(2～5)分别求图4空间结构中ad和de边长，进而按勾股定理由求得声呐探头距底高度，并取三组计算结果均值作为最终的声呐距底高度。
[0058]
(5)消除图像倾斜畸变
[0059]
根据估算的声呐距底高度，对图像进行斜距改正和重新编码，实现图像倾斜畸变的消除，如图6所示。
[0060]
本发明的有益效果是：合理利用了相邻测站间声呐探头与共视目标之间的空间几何关系，当相邻测站范围不大，局部地形变化缓慢时，探测的声呐距底高度更加准确、可靠；探测原理具有严密的数学计算模型，可实现自动化处理。相较于直接使用水体区域径向宽度代替声呐高度办法，本方法具有更高的计算精度；相较于使用外源水深数据减声呐吃水的办法，本方法的成本更低，方法更加简单和高效。
[0061]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。