阅读说明：本技术 一种侧扫声呐海底线自动提取方法及装置 (Automatic extraction method and device for side-scan sonar sea bottom line ) 是由 于化鹏 沈同圣 李晶 李子圆 韩超 于 2020-04-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种侧扫声呐海底线自动提取方法及装置。该方法包括：获取回波数据的盲区边界；根据所述盲区的宽度及左、右舷的回波数据最大采样数,提取所有Ping扫描线的左、右舷回波数据,并消除左、右舷回波数据的异常点；利用消除异常点的左右舷回波数据检测海底点坐标；以及根据海底点坐标提取海底线。本发明在不需要人工干预设定海底线初值的条件下,能够克服较强噪声干扰,海底线提取准确率高,细节连续性好。(The invention discloses a method and a device for automatically extracting a side-scan sonar sea bottom line. The method comprises the following steps: acquiring a blind area boundary of echo data; extracting the port and starboard echo data of all Ping scanning lines according to the width of the blind zone and the maximum sampling number of the port and starboard echo data, and eliminating abnormal points of the port and starboard echo data; detecting the coordinates of the seabed points by using the port and starboard echo data for eliminating the abnormal points; and extracting a seabed line according to the seabed point coordinates. The method can overcome strong noise interference without manual intervention to set the initial value of the bottom line, and has high accuracy rate of the bottom line extraction and good detail continuity.)

一种侧扫声呐海底线自动提取方法及装置

技术领域

本发明涉及水声信号处理技术领域，具体涉及一种侧扫声呐海底线自动提取方法及装置。

背景技术

侧扫声呐(side scan sonar，SSS)利用回声测深原理记录海底后向散射回波强度，根据回波强度生成明暗不同的声呐图像的探测海底地貌和水下物体。在侧扫声呐图像中，水柱区和图像区之间有一条明显的交界线称之为海底线，它代表侧扫声呐到海底的距离，是海底地貌或水下物体量测、斜距改正及图像灰度均衡化的重要参数。

目前，侧扫声呐的工作方式主要体现在以采用拖鱼的拖曳式测量信息为主。例如，可以采用最大振幅法和梯度法进行海底线提取。但该方法为了在强噪声干扰下改善海底线提取效果，需要进行人工干预，设定海底线初值。

另外，针对在侧扫声呐水柱区图像受发射脉冲、海面回波、尾流及大面积悬浮物等干扰问题，提出了采用海底线最后峰值检测法和海底线修复方法，实现了复杂海洋噪声影响下海底线自动跟踪提取。但该算法计算过程复杂，提取海底线细节的连续性较差。

另外，还提出了采用套集海底追踪、斜距改正、拖鱼归位计算、地理编码、缝隙填补等技术为一体的综合方法。但该方法数据处理中忽略了声呐换能器阵列中间盲区的存在，且精度不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种侧扫声呐海底线自动提取方法及装置，以在不需要人工干预设定海底线初值的条件下，克服较强噪声干扰，使得海底线提取准确率高、细节连续性好。

根据本发明的一个方面，侧扫声呐海底线提取方法，包括：

获取回波数据的盲区边界；

根据所述盲区的宽度及左、右舷的回波数据最大采样数，提取所有Ping扫描线的左、右舷回波数据，并消除左、右舷回波数据的异常点；

利用消除异常点的左右舷回波数据检测海底点坐标；以及

根据海底点坐标提取海底线。

根据该方面另外的实施方式，所述获取回波数据的盲区边界，包括：分别检测左、右舷每一Ping扫描线的第一个小于盲区边界检测阈值的回波数据，根据左右对称原则确定回波数据的盲区宽度。

根据该方面另外的实施方式，采用中值滤波消除左、右舷回波数据的异常点。

进一步地，所述采用中值滤波消除左、右舷回波数据的异常点，包括：

计算左、右舷回波数据中，各Ping扫描线每一回波数据及其前后相邻Ping扫描线的若干个相邻回波数据的信号强度中值；

计算各Ping扫描线所述每一回波数据的信号强度绝对偏差，并根据该信号强度绝对偏差确定该每一回波数据的信号强度数值；以及

根据所述信号强度绝对偏差与设定值之间的关系，将所述信号强度中值或信号强度采样值作为所述每一线回波数据的信号强度数值。

根据该方面另外的实施方式，所述利用消除异常点的左右舷回波数据检测海底点坐标，包括：

将各Ping扫描线的左、右舷回波数据的两个时空数据序列进行匹配对齐；

对匹配对齐后的左、右舷回波数据取对数；

计算每一Ping扫描线的左、右舷回波数据的对数序列的标准差，以该标准差构建左、右舷回波数据的综合序列；

对左、右舷回波数据的综合序列进行极大值检测，获得极值点坐标；以及

根据极值点坐标获得左、右舷海底点坐标。

进一步地，基于所述两个时空数据序列的数据点之间的欧氏距离进行匹配对齐。

根据该方面另外的实施方式，所述根据海底点坐标提取海底线，包括：对所有Ping扫描线的左、右舷海底点坐标序列进行平滑滤波提取精确的海底线。

根据本发明的另一方面，提供了一种侧扫声呐海底线提取装置，该装置包括：

存储单元，用于存储计算机指令；

处理器，与所述存储单元通信耦合，用于执行所述计算机指令；当处理器执行所述计算机指令时，执行根据前述方案任一项所述的侧扫声呐海底线提取方法。

根据本发明的再一方面，提供了一种载体，包括分别布置在左、右舷的侧扫声呐声学系统，以及根据上述方案的侧扫声呐海底线提取装置。可选地，该载体为AUV。

本发明通过考虑实际应用中声呐换能器之间盲区的存在，首先对图像进行计算提取盲区参数及高频野值噪声去除，然后引入动态时间规整算法和极值检测方法获得海底点，在不需要人工干预设定海底线初值的条件下，能够克服较强噪声干扰，海底线提取准确率高，细节连续性好。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为侧扫声呐瀑布图；

图2为左右舷单独的侧扫声呐图像；

图3为侧扫声呐瀑布图像主要分布参数；

图4为单Ping扫描线的回波数据；

图5为根据本发明第一实施方式的侧扫声呐海底线自动提取方法流程；

图6为左右舷单独的不显示盲区的侧扫声呐图像；

图7为高频噪声消除后分左右舷单独的不显示盲区的侧扫声呐图像；

图8为左右舷单独标注海底线且不显示盲区的侧扫声呐图像；

图9为标注海底线且不显示盲区的侧扫声呐瀑布图；

图10为根据本发明第二实施方式的侧扫声呐海底线自动提取装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

侧扫声呐是一种主动声呐系统，其工作原理是向测量船航向的垂直方向一侧或两侧发射一个水平开角很小(约1度左右)，垂直开角很大的短声波脉冲，脉冲到达海底后，根据海底距换能器的远近，被不断反射，并按反射信号的强弱程度生成灰度变化不均的声呐图像。从声呐图像中可以观察出海底地貌变化，是否有碍航物和海底底质类型等信息。

当侧扫声呐发射脉冲在水体中传播遇到目标时，目标对声能向各个方向散射，其中换能器接收反向散射回波，而目标侧后方则声能难以到达，因此会产生盲区。声呐阵随载体不断前进，在前进过程中声呐不断发射、不断接收并形成声呐图像，在声呐图像上对应位置处出现目标(目标的强回波信号)及其阴影。

侧扫声呐系统主要包括侧扫声呐声学系统、外围辅助传感器、数据实时采集处理系统等。换能器作为侧扫声呐声学系统，是系统的核心部件，例如可以采用压电陶瓷结构，当一个电压加到发射换能器上时，引起其物理形态发生改变，将由发射机所产生的振荡电场转换成机械形变，这种形变传送到水中，在水中产生振荡压力，即声脉冲。同样，接收换能器用来接收回声信号，通过检测声压力变化，将这种压力变化转换成电能。通常，侧扫声呐系统在换能器设计时采用收发合一的线列阵。

自主水下航行器(Autonomous UnderwaterVehicle，AUV)作为一种广泛运用的无人海洋运载器，能够携带大量探测设备自动完成海洋测绘任务。因此，采用AUV作为测量船，将侧扫声呐安装到AUV上，依靠AUV自身良好的机动性能，能够很好地进行数据融合。

例如，可以采用Marine Sonic Technology公司的SeaARC SCOUT Mk-II进行海上测量，采集若干Ping原始数据。该设备工作参数设定为：工作频率为900kHz，斜距为10m。

图1表示某次测量得到的原始数据按256阶灰度级显示的灰度图像取反得到的瀑布图。图2(a)、(b)为相应的左右舷单独的侧扫声呐图像。图3截取了图1中扫描开始后的若干Ping回波数据的瀑布图，其中，A1表示海底线，A2表示海面线，A3表示盲区，A4表示水柱区，A5表示扫描图像区。图中，颜色越暗代表回波越强，反之，颜色越白(亮)代表回波越弱。

需要说明的是，本发明中如无特别说明，所示附图均为对原始数据(回波数据)按256阶灰度级显示的灰度图像取反。

图4示意性地表示了根据本发明第一实施方式的侧扫声呐海底线自动提取方法工作流程。如图4所示，该侧扫声呐海底线自动提取方法包括如下步骤：

步骤101、获取回波数据的盲区边界；

在提取海底线时，已有技术往往将声呐图像的几何问题做理想性假设，认为声呐换能器阵列中间不存在盲区，或认为盲区很小予以忽略。然而，根据图3可见，在侧扫声呐实际工作中，声呐换能器向两侧发射声波，声呐图像存在盲区，且盲区所占空间较大，不应被忽略。因此，本发明需要首先计算提取盲区参数。

图5示出了某单Ping扫描线的回波数据。如图5所示，盲区位于声呐正下方，Ping扫描线的回波数据从盲区到外侧发生突变，数值断崖式下降，据此可实现盲区边界检测。一般情况下，侧扫声呐正下方的回波是较强的正发射波，因此，可选地，本发明采用阈值法进行盲区边界检测。

对于选定的侧扫声呐，其Ping数据位数是固定的，例如8、16或32bit数据。设侧扫声呐的数据位数为Nbit，则根据测量环境条件，可设盲区边界检测阈值D_m为：

D_m＝2^N-2

从盲区到外侧，分别检测左舷、右舷每一Ping扫描线的第一个小于盲区边界检测阈值D_m的回波数据，分别记为K_左、K_右。由于侧扫声呐左舷、右舷换能器相对于载体中轴对称安装，则根据左右对称原则，该Ping扫描线的回波数据盲区宽度K_m确定为：

步骤102、根据所述盲区的宽度及左、右舷的回波数据最大采样数，提取所有Ping扫描线的左、右舷回波数据，并消除左、右舷回波数据的异常点；

对于每一Ping扫描线，令载体，例如AUV左、右舷的回波数据最大采样数分别为K_左max、K_右max，则可以提取所有Ping扫描线的左舷回波数据[K_m，K_左max]和右舷回波数据[K_m，K_右max]，如图6所示。

由图6可以看出，在复杂环境下，例如水柱区存在悬浮物等时，回波数据会出现较多异常点，这会对海底线提取造成干扰，甚至可能出现误检测。回波异常点本质上属于高频野值噪声，需要去除。

根据本发明可选的实施例，本发明中值滤波去除回波异常点，具体过程包括：

(1)计算左、右舷回波数据中，各Ping扫描线每一回波数据及其前后相邻Ping扫描线的若干个相邻回波数据的信号强度中值；

(2)计算各Ping扫描线所述每一回波数据的信号强度绝对偏差，并根据该信号强度绝对偏差确定该每一回波数据的信号强度数值。

其中，当信号强度绝对偏差大于设定值时，将所述信号强度中值作为所述每一回波数据的信号强度数值。否则，不进行去除异常点操作，该每一回波数据的信号强度数值即为测量值(采样值)。

所述设定值为一基于各Ping扫描线回波数据的信号强度测量值的计算值。

例如，对于左舷回波数据[K_m，K_左max]，令[i,j]表示第i次Ping扫描线的第j个回波采样数据的索引标识，I_ij表示第[i,j]个左舷回波数据的信号强度数值，P_max表示侧扫声呐Ping扫描的总次数，则：

对于满足1<i<P_max，K_m≤j<K_左max的所有[i,j]组合，均做以下数据处理：

(1)计算[i-1,j-1]、[i-1,j]、[i-1,j+1]、[i,j-1]、[i,j]、[i,j+1]、[i+1,j-1]、[i+1,j]、[i+1,j+1]个左舷回波数据的中值Z_ij，并计算绝对偏差E_ij＝abs(I_ij-Z_ij)；

该示例选择第i次Ping扫描线的第j个回波数据，及其前一次，即第i-1次Ping扫描线的3个相邻回波数据，即第j-1、j、j+1个回波数据，以及后一次，即第i+1次Ping扫描线的3个相邻回波数据，即第j-1、j、j+1个回波数据。然而本领域技术人员可以理解，无论是前后相邻的扫描线的数量，还是每次相邻扫描线相邻的回波数据的数量，都是可以根据实际需要进行选择的。同理，后续描述的右舷回波数据信号强度数值计算也是如此。

(2)判断绝对偏差E_ij；

如果E_ij>9.78+1.44×I_ij-8.86×10^-4×I_ij ²+2.95×10^-7×I_ij ³-3.26×10^-11×I_ij ²，则采用Z_ij作为第[i,j]个左舷回波数据的信号强度的新的数值；否则，不做任何处理。

对于左舷回波数据[K_m，K_右max]，令[i,l]表示第i次Ping扫描线的第l个回波采样数据的索引标识，I_il表示第[i,l]个右舷回波数据的信号强度数值。

对于满足1<i<P_max，K_m≤l<K_右max的所有[i,l]组合，均做以下数据处理：

(1)计算[i-1,l-1]、[i-1,l]、[i-1,l+1]、[i,l-1]、[i,l]、[i,l+1]、[i+1,l-1]、[i+1,l]、[i+1,l+1]个右舷回波数据的中值Z_il，并计算绝对偏差E_il＝abs(I_il-Z_il)；

(2)判断绝对偏差E_il；

如果E_il>9.78+1.44×I_il-8.86×10^-4×I_il ²+2.95×10^-7×I_il ³-3.26×10^-11×I_il ²，则采用Z_il作为第[i,l]个右舷回波数据的信号强度的新的数值；否则，不做任何处理。

图7示出了高频野值噪声消除后，左右舷单独的不显示盲区的侧扫声呐图像。对比图6可以看出，侧扫数据水柱区中的回波异常点可以得到一定程度的消除。并且其中，对于该次数据处理，左舷回波数据的回波异常点消除效果更好。

步骤103、利用消除异常点的左右舷回波数据检测海底点坐标；

根据海底线左右对称原则，侧扫声呐左舷、右舷换能器接收到的第一个回波均来自正下方海底，经历深度相同，两侧提取出的海底线关于航迹线对称。利用该原则，能够更好地进行海底点检测。

根据本发明可选的实施例，海底点检测包括如下步骤：

步骤1031、将各Ping扫描线的左、右舷回波数据的两个时空数据序列进行匹配对齐；

由于同一Ping扫描线中，经常出现左、右舷回波数据的最大采样数K_左max、K_右max不相等的问题，如图4所示，这导致l＝j时，左、右舷回波数据中的I_ij和I_il所蕴含的时间和空间信息不同。为了充分利用海底线左右对称原则，实现左-右舷综合进行提取对比，以尽量去除悬浮物的影响，首先要解决该问题。

本发明中，海底线提取主要关注水柱区数据和水柱区至图像区突变部分的数据，因此，为保持本发明的鲁棒性，可以视左、右舷回波数据为两个时空数据序列，进行匹配对齐。匹配对齐时，要保持水柱区至图像区突变时空信息的一致性。根据本发明可选的实施例，采用动态时间规整算法将两个序列在时空上进行匹配对齐，具体包括以下流程：

(1)对于每一Ping扫描线，包括两个时空数据序列，分别为左舷回波数据{I_ij，K_m≤j≤K_左max}和右舷回波数据{I_il，K_m≤l≤K_右max}。

在两个序列中分别各任取一点，计算两点之间的欧式距离D(I_ij,I_il)，其中K_m≤j≤K_左max，K_m≤l≤K_右max。

对序列中的所有数据点计算欧式距离，构建欧式距离表，如下表所示：

D(I<sub>iKm</sub>,I<sub>iKm</sub>)	D(I<sub>iKm</sub>,I<sub>iKm+1</sub>)	…	D(I<sub>iKm</sub>,I<sub>iK右max</sub>)
				D(I<sub>iKm+1</sub>,I<sub>iKm</sub>)	D(I<sub>iKm+1</sub>,I<sub>iKm+1</sub>)	…	D(I<sub>iKm+1</sub>,I<sub>iK右max</sub>)
…	…	…	…
				D(I<sub>iK左max</sub>,I<sub>iKm</sub>)	D(I<sub>iK左max</sub>,I<sub>iKm+1</sub>)	…	D(I<sub>iK左max</sub>,I<sub>iK右max</sub>)

(2)在所述欧式距离表中搜索最短路径；

在所述欧式距离表中，例如采用动态规划或贪婪搜索算法等，搜索D(I_iKm,I_iKm)到D(I_iK左max,I_iK右max)的最短路径。该最短路径需满足：假如当前节点是D(I_ij,I_il)，那么下一个节点必须是在D(I_ij+1,I_il)、D(I_ij,I_il+1)、D(I_ij+1,I_il+1)之间选择，并且路径必须是最短的。

(3)根据最短路径通过的欧式距离表节点，即可得到两个离散的序列经过对齐后的数据点对，且序列长度相同，记为K_max。

步骤1032、对匹配对齐后的左、右舷回波数据取对数；

对高频噪声消除处理后的左舷、右舷匹配对齐后的回波数据分别取对数，例如取以10为底的常用对数。

步骤1033、计算每一Ping扫描线的左、右舷回波数据的对数序列的标准差，以该标准差构建左、右舷回波数据的综合序列；

设定窗口为W，窗口的选取应尽量小以避免淹没数据的突变特征。对每一Ping扫描线的左舷、右舷回波数据的对数序列计算标准差，则得到两个标准差序列，分别记{L_iq，1≤q≤K_max-W+1}和{L_is，1≤s≤K_max-W+1}，且序列长度均为K_max-W+1。其中，W的数值也可按以下流程参考确定：

如图5中左舷回波数据中水柱区存在的回波异常点，在计算标准差序列时将导致水柱区标准差序列存在较大起伏变化，可能影响到后续极值检测方法的准确性。

因此，为了充分利用海底线左右对称原则，本发明进一步对每一Ping扫描线的左、右舷对数序列标准差取最小值，即：对任意s＝q，1≤q≤K_max-W+1，1≤s≤K_max-W+1，取L_ig＝min(L_iq,L_is)，进而利用所述最小值构建左、右舷回波数据的综合序列{L_ig，1≤g≤K_max-W+1}。

步骤1034、对左、右舷回波数据的综合序列进行极大值检测，获得极值点坐标；

根据侧扫声呐数据特征可知，海底线由每Ping扫描线中左右舷的第一个海底强回波序列组成，因此，水柱区至图像区的回波数据突变将导致左右舷综合序列{L_ig，1≤g≤K_max-W+1}中的第一个极大值。因此，通过对左右舷综合序列{L_ig，1≤g≤K_max-W+1}进行极大值检测，即可得到一个极值点坐标g_b。

步骤1035、根据极值点坐标获得左、右舷海底点坐标。

利用极值点坐标g_b，可以对应得到左、右舷回波数据对数的标准序列的坐标q_b和s_b，进而可以得到极值点对应的左、右舷匹配对齐后的回波数据序列的坐标q_b+W-1和对应的回波数据I_b左、s_b+W-1和对应的回波数据I_b右。

对于每一Ping扫描线，搜索左舷回波数据序列{I_ij，K_m≤j≤K_左max}，找到第一个与I_b左相等的回波数据，该回波数据坐标即为左舷海底点坐标j_b。同样地，搜索右舷回波数据序列{I_il，K_m≤l≤K_右max}，找到第一个与I_b右相等的回波数据，该回波数据坐标即为右舷海底点坐标l_b。

步骤104、根据海底点坐标提取海底线。

对通过计算得到的所有Ping扫描线的左舷海底点坐标序列{j_b}和右舷海底点坐标序列{l_b}进行平滑滤波，即可提取精确的海底线。

采用本发明公开的提取方法得到的分左右舷单独标注海底线且不显示盲区的侧扫声呐图像如图8所示，标注海底线且不显示盲区的侧扫声呐瀑布图如图9所示。

根据本发明的第二实施方式，还提供了一种侧扫声呐海底线自动提取装置，如图10所示，该装置包括：

存储单元10，用于存储计算机指令；

处理器20，与所述存储单元10通信耦合，用于执行所述计算机指令。当处理器20执行所述计算机指令时，执行前述侧扫声呐海底线的自动提取方法。

根据本发明的第三实施方式，还提供了一种用于搭载侧扫声呐系统的载体。

该载体包括分别布置在左、右舷的侧扫声呐声学系统，以及所述的侧扫声呐海底线提取装置。

所述载体可以为AUV。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。