[发明专利]一种相控阵三维声纳图像离线处理系统和方法

说明书

技术领域

本发明属于相控阵三维声纳技术领域，具体涉及一种相控阵三维声纳图像离线处理系统和方法。

背景技术

海洋科技是海洋产业的第一生产力，也是海洋军事的第一战斗力。海洋高新技术被公认为是世界新科技革命的主要领域之一，它的前沿性、独占性、带动性和综合性决定了它具有科技的战略制高点性质。随着海洋开发的日益深入，用于水下勘探的相关技术越来越受到人们重视。作为水下探测的一个重要分支，水下声纳成像技术在水下探测领域诸多场合发挥着不可替代的作用，侧扫声纳、多波束测深声纳、测深侧扫声纳、合成孔径声纳等声纳技术不断涌现。相控阵三维声学摄像声纳作为三维图像声纳，能够获得距离、水平、垂直三维空间的目标信息，与目前通用的图像声纳相比具有图像清晰、可视性好等特点。为了适应各种水下潜器的水下作业需要，必须同时获得距离、角度和深度三维信息的分辨能力。但由于技术难度较大，世界上只有少数国家开展了水下三维成像系统的研究工作，国际上比较先进的是挪威的Echoscope三维成像声纳系列。因此，研究相控阵三维声纳图像处理系统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纳图像离线处理系统和方法，结构谨严、高精度、图像清晰、交互方便、可扩展性强，有效地实现了三维声纳图像的离线处理功能。

一种相控阵三维声纳图像离线处理系统，包括：

(1)三维声纳图像数据读取模块，包括GPS坐标信息读取模块、姿态信息读取模块、以及声纳点数据读取和解析模块，用于以帧为单位从硬盘读取GPS坐标、姿态信息和声纳点数据，对声纳点数据进行解析，并将球面坐标转换为世界坐标系中的x，y，z三维坐标；

(2)单帧多层重建模块，包括网格搜索子模块和三角面片连接子模块；

所述的网格搜索子模块，用于确定三维声纳点所在的扫描波束和层数信息以及反射强度信息，并将每个扫描波束上的声纳点按照层数顺序进行排序，然后按照预设边长大小的网格搜索相邻声纳点；所述的预设的边长大小由重建精度确定，重建精度越高，预设的边长越小；

所述的三角面片连接子模块，用于将搜索到的声纳点依次连接成三角面片，便于后续插值处理；

(3)精确配准模块，包括重叠区域判断子模块、两两配准子模块和拟牛顿最优化子模块；

所述的重叠区域判断子模块，用于将单帧重建的图片两两配对组合，并获取每个配对组合中两帧图片的边界坐标信息，从而判断两帧图片之间是否有重叠部分，并对有重叠区域的配对组合进行光栅化插值，记录重叠区域内的声纳点的个数，以判断重叠区域的大小；

所述的两两配准子模块，用于对每个配对组合中两帧图片重叠区域内的声纳点进行最近邻点迭代处理，并对处于重叠区域边界的声纳点进行消除后处理，将每个配对组合中两帧图片进行配准，得到表征所述的两帧图片之间的旋转或平移关系的配准矩阵；

所述的拟牛顿最优化子模块，用于将所有的配准矩阵进行拟牛顿最优化处理，得到各帧图片相对于第一桢图片的全局最优配准矩阵，并作用于各帧图片(即根据所述的全局最优配准矩阵对各帧图片进行旋转或平移)，将各帧图片坐标配准到第一帧图片的坐标系下；

(4)拼接融合模块，包括分辨率设置子模块、光栅化采样子模块、高频成分去除子模块、两帧融合子模块，以及再重建与可视化子模块；

所述的分辨率设置子模块，用于设置分辨率，可以根据低精度快速显示和高精度精细显示的不同要求分别设置不同级别的分辨率；

所述的光栅化采样子模块，用于根据所设分辨率沿x，y，z三个方向依次对声纳点进行光栅化网格采样处理，得到各个采样点的位置、方向和权重信息；

所述的高频成分去除子模块，用于对同一帧中，方向相反，且在同一条光栅网格边上的两点删除其一，消除高频成分；

所述的两帧融合子模块，用于对分属于不同的两帧，但方向相同，并且位于所述的光栅化网格大小确定的距离范围内的两声纳点进行融合；

所述的再重建与可视化子模块，用于对融合完后的所有声纳点进行三角面片的重建，使多帧重建为一个整体，并进行三维可视化显示。

一种相控阵三维声纳图像离线处理方法，包括：

(1)三维声纳图像数据读取步骤：以帧为单位从硬盘读取GPS坐标、姿态信息和声纳点数据，对声纳点数据进行解析，并将球面坐标转换为世界坐标系中的x，y，z三维坐标；