[发明专利]一种相控阵三维声学摄像声呐的噪声去除方法

说明书

技术领域

本发明涉及相控阵三维声学摄像声呐技术领域，具体涉及一种相控阵三维声学摄像声呐的噪声去除方法。

背景技术

相控阵三维摄像声呐系统是一种新型的水下三维声学成像系统，与通用的图像声呐(如侧扫声呐、多波束声呐)相比具有图像清晰、实时性好等优点，在港口实时监测、自动报警系统及蛙人水下作业保护等方面具有广泛的应用价值。

但是在声呐图像采集计算过程中，由于水下环境的复杂性及系统本身的影响，采集到的声呐图像不可避免地会带有噪声干扰，因此，在后续的声呐图像处理中，如3D重建，目标识别，必须首先去除噪声的干扰。

目前的大多数声学摄像声呐噪声去除方法在保持细节及计算量上仍然存在一定的限制，因此，研究相控阵三维摄像声呐噪声去除方法具有重要的工程实用价值和理论指导意义。

发明内容

本发明提供了一种相控阵三维声学摄像声呐的噪声去除方法，速度快、计算量小，易于实现，细节保留较好，可以避免数据收缩问题，对孤立点具有良好的鲁棒性。

一种相控阵三维声学摄像声呐的噪声去除方法，包括：

步骤1，获取声呐数据，将每帧声呐数据对应的声呐图像转换为全局坐标系下的点云数据；

步骤2，针对声呐图像中某个数据点，求取该数据点的邻域中的每个数据点的加权系数；

步骤3，根据加权系数，计算对应邻域的加权中心点；

步骤4，依据加权中心点，以及加权系数获得协方差矩阵，并依据协方差矩阵求得邻域中所有数据点的拟合平面方向，以及拟合平面的法向量；

步骤5，将邻域的加权中心点沿拟合平面的法向量方向偏移，偏移量为邻域中所有数据点与加权中心点的距离在拟合平面法向量方向上的投影长度；

步骤6，将偏移后的加权中心点沿拟合平面移动，得到拟合点，移动量为原始数据点到偏移后的加权中心点的距离在拟合平面上的投影长度；

步骤7，利用拟合点代替原数据点；

步骤8，对声呐图像中的所有数据点进行步骤2～步骤7的操作，完成噪声去除。

步骤1中，通过网络逐帧获取声呐数据，将每帧声呐数据对应的范围图像依据多波束相控阵系统的位置信息和状态信息转换为全局坐标系下的点云数据；

每帧声呐图像的点云数据中任意选取一个数据点p进行步骤2～步骤7的操作，利用步骤7得到的拟合点替代原始的数据点p，对每帧声呐图像中的所有数据点进行步骤2～步骤7的操作，完成噪声的去除。

步骤2中对每帧声呐图像中的每个数据点进行邻域划分，并进行标记，数据点的邻域大小依据实验进行选择。

作为优选，步骤2中，依据下式计算加权系数w_i：

式中，d_i表示数据点p_i到平均中心点的距离；

表示邻域中的所有数据点与平均中心点的距离和；

对邻域中所有数据点的坐标进行平均得到所述平均中心点。

作为优选，步骤3中，依据下式计算加权中心点

式中：w_i为数据点p_i的加权系数。

作为优选，步骤4中，协方差矩阵C_w如下：

式中，n为邻域中数据点的个数，T表示转置，w₁～w_n分别为数据点对应的权重系数。

作为优选，步骤4，计算协方差的特征值λ₁、λ₂、λ₃及对应的特征向量v₁、v₂、v₃，其中λ₁>λ₂>λ₃，v₁和v₂确定对应邻域的拟合平面方向，v₃为拟合平面的法向量。

作为优选，步骤5中，依据下式计算偏移后的加权中心点：

式中，表示偏移后的加权中心点；

n_p为拟合平面的单位法向量，由v₃归一化后得到；

d_m为邻域中各数据点与加权中心点的距离在n_p上的投影长度的平均值。

作为优选，步骤6中，依据下式计算拟合点

式中，p为步骤2中所针对的数据点；