[发明专利]一种舰船尾流声呐图像处理方法

说明书

本发明公开了一种舰船尾流声呐图像处理方法，针对现有的采用声呐采集舰船的尾流声呐图像受海面混响及旁瓣干扰严重的问题，通过亮环干扰消除技术机利用预设窗函数对海面混响的旁瓣干扰进行抑制的方法，快捷、准确地解决现有的在海面混响背景下尾流声呐图像失真的问题；并且通过基于canny边缘检测算子和非极大值抑制相结合的边缘检测方法，提取精确清晰的舰船尾流声呐图像，为后续精确地分析尾流的产生、持续时间和空间分布、尾流中气泡浮升速度及气泡的散射与吸收特征等提供了较好地基础数据。

技术领域

本发明属于图像处理的设计领域，尤其涉及一种舰船尾流声呐图像处理方法。

背景技术

海洋面积辽阔，资源丰富，能够为人类的生活生产提供丰富的物质基础，舰船是人类探索海洋、开发海洋资源最主要和有效的交通工具之一，航行中的舰船螺旋桨所产生的一条含气泡湍流，称作尾流^[1]。舰船尾流是舰船航行所产生的重要特征之一，尾流的特性由舰船尺寸、航速、螺旋桨类型和海况等诸多因素共同决定。舰船尾流特性具有十分广泛的应用价值，其研究最初是在尾流自导鱼雷、舰船消隐等军事需求的推动下展开的，近年来已在民用领域迅速延伸，并日益受到各有关学科与技术研究领域的高度重视。

尾流的产生原因包括螺旋桨空化、壳体侧壁与水摩擦、溶入水中的空气及舰船运动时卷入水中的空气搅拌破碎等。舰船尾流会导致各种物理场变化，如声场、温度场和磁场，根据尾流的多种物理场特性，利用有效的测量方法，可以判断尾流的有无，并作为跟踪并识别舰船形状、速度等特征的依据。目前，舰船尾流的主要探测手段有光学探测、热学探测、电磁探测和声学探测，光学探测通过光学摄影方法，直观地获得舰船尾流中气泡形状、大小以及密度分布等，采用图像处理方法剔除如藻类、沙砾等非气泡悬浮物的干扰，由于尾流区环境复杂，从已发表的文献中未发现有进行尾流区实测的光学摄像(照相)设备；热学探测利用高灵敏度和高分辨率的温度传感器测量尾流温度变化，热尾流是由于舰艇螺旋桨扰动和船体本身引起的船壳涡流破坏尾流区中原有的温度梯度结构，而形成明显的冷的或热的温度变化，热尾流测量装置体积小，重量轻，是一种有效的探测方法；电磁探测通过测量舰船尾流引起的电磁场的变化进行探测，为检测尾流产生的电磁场信息，通常需要高灵敏度的磁力仪进行测量；声学探测采用声纳设备利用尾流不同于水的声学特性进行探测。这几种探测手段各有其适用条件和优缺点，可作为研究辅助手段予以相互支撑。声学探测是水下探测最有效的手段之一，一方面，声学探测更适于进行水下探测，从探测设备来说，声纳设备的发展更加完善，当光学探测由于水域浑浊而无法探测时，声纳依然可以工作；另一方面，声学探测能够在尾流区域外进行遥测，而其它探测手段的有效作用范围较小。因此，舰船尾流声学特性理论和试验研究一直是国内外的研究热点。

研究各类舰船尾流的声学特性，包括对尾流的产生、持续时间和空间分布、尾流中气泡浮升速度及气泡的散射与吸收特征、水下声学尾流成像等方面，将有助于更高性能尾流自导鱼雷的研发。利用多波束声呐坐底布放测量舰船尾流是当前有效的研究方法，但在复杂海洋环境下，多波束声呐坐底测量的尾流声呐图像存在以下问题：

海面混响干扰严重。混响是水体中众多散射体对主动声呐声源散射和反射信号的总和。由于海面对声波的强反射作用，使得海面混响是多波束声呐尾流探测的主要干扰，也是影响声呐探测性能的主要因素之一。

旁瓣效应。声呐设备波束形成时，除了在较窄的主瓣上形成极大值以外，其旁瓣会在较宽的范围内接收信号，因此，当某一回波较强时，其附近波束的同一距离上会形成一条回波亮环，海面是大于尾流目标的干扰源，在声呐图像中呈现旁瓣干扰。

由于海面环境多变，且尾流目标随时间不断变化导致每帧图像数据的目标都是动态变化的，其尾流目标强度小于海面回波强度，在这特殊背景下，利用常见的边缘检测法的图像声呐降噪方法并不适用，无法在海面的强干扰亮环中提取出尾流声呐图像。因此，寻找一种实用的海面混响背景下的舰船尾流声呐图像处理方法成为目前研究的重点。

发明内容