[发明专利]基于多波束相控阵声纳系统的三维声纳可视化处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及图像数据处理领域，具体涉及一种基于多波束相控阵声纳系统的三维声纳可视化处理方法。

背景技术

多波束相控阵三维成像声纳系统是近几年来在水下应用领域较为先进，应用较为广泛的系统。该系统采用单频声纳脉冲，运用相控阵技术，同时产生上万个波束信号，透射整个观测场景，通过由多个传感器单元构成的接收面阵及高速信号处理后端(FPGA的信号处理系统)，实时获得水下三维点阵的范围图像。这些范围图像构成的三维场景图以10帧/秒到20帧/秒的速度更新图像，满足实时监测的需求。配合从GPS(Global Position System)获得的声纳系统的位置信息和船舶姿态传感器（如陀螺仪，多普勒速度仪等）上获得的声纳系统的状态信息，通过坐标变换将三维点阵的范围图像转换到全局坐标系下，随着船舶的移动，可以完成对整个场景的三维重建，以及对运动目标的监测及跟踪等复杂任务。

多波束相控阵水下三维声纳成像系统在蛙人的探测及跟踪、水雷及水雷类目标的识别监测、湖泊及海滩大陆架（浅水<200米）的海图构建、水下遥控航行器(ROV)及水下自动航行器(AUV)的避障及导航、海上工程实施监控、海港桥梁的墙壁检查、海底管道检查等多方面应用上具有广泛的应用前景。

如图1所示，多波束相控阵水下三维声纳可视化处理系统，由舰船携载的多波束相控阵三维声纳传感器100，对水下目标及区域进行主动声纳扫描，然后将获得的声纳数据通过网络传送到上位机三维声纳可视化处理系统101，进行实时的处理显示，同时船舰上携带了姿态传感器102和GPS全球定位系统103，与卫星104实时通讯定位多波束相控阵水下三维声纳系统的位置。

在水下三维声纳可视化处理系统中，国内外已经存在很多研究性质，或是商业性质的系统。比如英国Coda Octopus公司的Echoscope系列产品配套一个同时产生16,000个波束的相控阵声纳，检测固定目标或者运动目标。提供实时场景观测，高分辨率多角度的场景等功能。

水下三维声纳系统的数据具有数据量大，信息量大，处理复杂，受采集环境、噪声影响明显等特征。因此，研究开发基于多波束相控阵水下三维声纳的可视化处理系统，实现在复杂水下环境中便捷快速的探索和监控，具有很大的工程实用价值和理论意义。

发明内容

本发明提供了一种基于多波束相控阵声纳系统的三维声纳可视化处理方法，实现声纳数据的在线和离线处理，处理速度快，得到的三维场景图像精度高。

一种基于多波束相控阵声纳系统的三维声纳可视化处理方法，包括以下步骤：

（1）采集声纳数据，并通过网络发送。

（2）通过网络逐帧获取声纳数据，将每一帧声纳数据对应的范围图像依据多波束相控阵声纳系统的位置信息和状态信息转化为全局坐标系下的点云数据；位置信息由GPS传感器提供，状态信息由船舶携带的姿态传感器提供。

（3）对步骤（2）中获得的点云数据进行过滤，将过滤得到的点云数据连接成三角面片，并计算每个三角面片的法向量和顶点的法向量；可以依据点云数据的强度信息或者深度信息，对点云数据进行过滤。

三角面片构成三维场景图像的数据骨架，将未连接成三角面片的孤立点剔除，提高三维场景图像的清晰度和可读性。

（4）将当前帧与前一帧进行配准，将配准后的当前帧和前一帧中的点云数据进行马赛克化处理，然后利用遍历交叉点算法将马赛克化后的当前帧和前一帧的点云数据进行融合，并进行三维场景图像模型点集的更新。

在线实时处理时，采用反向投影算法和重采样方法进行配准，提高配准速度。

离线处理时，采用精度更高的ICP算法进行配准，利用奇异值分解（SVD）方式获得最佳配准矩阵，或者采用基于概率的X84边界排出方法进行配准（F.R.Hampel,P.J.Rousseeuw,E.M.Ronchetti,and W.A.Stahel.Robust Statistics:theApproach Based on Influence Functions.Wiley Series in probability and mathematicalstatistics.John Wiley&Sons,1986）。

在离线处理时的融合过程中，记录当前帧和前一帧的融合点的数量以及每个融合点相关的所有帧的信息，依据所记录的当前帧和前一帧的融合点的数量以及与每个融合点相关的所有帧的信息，将配准所造成的累积误差分配到各对配准的帧中，目的是将所有相邻帧的配准统一到相同的参考系中，减小成对配准造成的累积误差。