專利名稱：基于多波束聲納數(shù)據(jù)的水下三維地形重建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種多波束聲納圖像處理方法，尤其是涉及一種基于多波束聲納
數(shù)據(jù)的水下三維地形重建方法。
背景技術(shù)：
多波束聲納系統(tǒng)是一種由多傳感器組成的進行水底地形地貌測繪的復(fù)雜系統(tǒng)，能
直觀地提供海底形態(tài)的聲成像，目前廣泛應(yīng)用于水下目標的探測、海底地質(zhì)地貌的勘測、船
舶導(dǎo)航等。而在水下探測、地形測量等研究中，針對多波束聲納系統(tǒng)采集的測深數(shù)據(jù)來重建
更高空間分辨率的三維地形一直是重點和難點，也是迫切需要解決的問題。 對于用數(shù)據(jù)處理方法來提高多波束聲納系統(tǒng)所采集測深數(shù)據(jù)的空間分辨率，從而
重建水下三維地形的方法，國內(nèi)外主要用內(nèi)插算法，包括樣條內(nèi)插、分形內(nèi)插、等高線內(nèi)插
等來進行研究。內(nèi)插算法雖然可以提高空間分辨率來重建水下三維地形，但這些方法由于
沒有設(shè)定合適的約束條件，重建的水下三維地形不能判定與真實地形是否接近。而利用正
則化方法提高空間分辨率，雖然設(shè)定了約束條件，但這種方法在復(fù)雜海底難以獲得好的微
地貌結(jié)果?，F(xiàn)有重建水下三維地形的方法沒有解決這些問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對已有技術(shù)存在的問題，提供一種基于多波束聲納數(shù)據(jù)的水 下三維地形重建方法，該方法能提高測深數(shù)據(jù)的空間分辨率，重建的水下三維地形也更接 近真實地形。 為達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案 —種基于多波束聲納數(shù)據(jù)的水下三維地形重建方法，其特征在于 首先對多波束聲納系統(tǒng)采集的測深數(shù)據(jù)進行內(nèi)插，計算得到各點的波束與水平線
之間的夾角和波束入射角，建立由多波束聲納系統(tǒng)采集的回波強度數(shù)據(jù)與波束入射角之間
的定量關(guān)系，根據(jù)回波強度數(shù)據(jù)和波束入射角來擬合反射模型的模型參數(shù)，利用有限差分
法校正波束與水平線之間的夾角，使估算出的回波強度數(shù)據(jù)最接近采集的回波強度數(shù)據(jù)，
以此作為約束條件，滿足條件則計算此時的測深數(shù)據(jù)，重建水下三維地形，否則就迭代擬合
模型參數(shù)來估算回波強度數(shù)據(jù)。
其具體操作步驟如下 (1)、利用多波束聲納系統(tǒng)采集回波強度數(shù)據(jù)，同時測取測深數(shù)據(jù)； (2)、對測深數(shù)據(jù)進行線性內(nèi)插，獲得與回波強度數(shù)據(jù)相同空間分辨率的測深數(shù)
據(jù)； (3)、計算測深數(shù)據(jù)各點的波束與水平線之間的夾角及射程；
(4)、逐點計算測深數(shù)據(jù)上各點的波束入射角； (5)、根據(jù)回波強度數(shù)據(jù)和波束入射角來擬合反射模型的模型參數(shù)，校正波束與水 平線之間的夾角；
(6)、由模型參數(shù)及波束入射角估算回波強度數(shù)據(jù)； &7)、設(shè)定約束條件為迭代次數(shù)^使估算出的回波強度數(shù)據(jù)與采集的回波強度數(shù) 據(jù)平均相對誤差絕對值最?。? (8)、計算最小平均相對誤差絕對值時的測深數(shù)據(jù)，重建水下三維地形。 上述步驟(4)中所述的逐點計算測深數(shù)據(jù)上各點波束入射角，其計算方法如下 設(shè)測深數(shù)據(jù)中某一像元Zx,y，下標x， y為像元在數(shù)據(jù)中的行列號，轉(zhuǎn)為柱坐標的形
式，波束入射角a值的推導(dǎo)過程如下
i cos p(及，力
(1)
J sin 力
其中p-p(及，力為波束與水平線之間的夾角，R為射程，
及=
海底曲面的法向量—
^ !向:
0
(2)
各點波束入射角的余弦值有 i巧
COS Of =
(3)
1
推導(dǎo)出的偏微分方程(tan"y ^ = 7
(4) 式中^、A、R均已先得，波束入射角a值即可獲得。 上述步驟(5)中所述的根據(jù)回波強度數(shù)據(jù)和波束入射角來擬合反射模型的模型
參數(shù)，校正波束與水平線之間的夾角，其具體如下 在不同的水下環(huán)境采用不同的反射模型， 常用Lambertian反射模型 Rs = Rs ( a ， p ) = p cos a (5) 其中，P為模型參數(shù) 聲納系統(tǒng)設(shè)定總是以101g的形式表達聲強，回波強度Is = _101g(Rs)，已知回波
強度數(shù)據(jù)Is，反推得對應(yīng)的Rs值。根據(jù)反射模型中Rs值和波束入射角a之間的關(guān)系，使用
最小二乘擬合法，擬合反射模型的模型參數(shù)； 校正波束與水平線之間的夾角p值 利用有限差分方法，分別列出兩個差分方程 離散前向差分方程^
=1 — 離散后向差分方程A =^
tanar
1
i 2
tan or
+
+
卞
X，少

、2、 2、
(6)
(7) 式中，AR、 Ay分別是在方向R、 y上像元的間隔大小由上兩式結(jié)合得各點的波束
5與水平線之間的夾角p值
<formula>formula see original document page 6</formula> 式中，由離散前向方程得p/，而db則是與最近y方向上的數(shù)據(jù)點之間的距離；同 理，％由離散后向方程所得，df則是與最近_y方向上的數(shù)據(jù)點之間的距離。
上述步驟(6)中所述的由模型參數(shù)及波束入射角估算回波強度數(shù)據(jù)，其估算回波 強度數(shù)據(jù)公式為:IS = -lOlgOU 上述步驟(7)中所述的設(shè)定約束條件為迭代次數(shù)N，使估算出的回波強度數(shù)據(jù)與 采集的回波強度數(shù)據(jù)平均相對誤差絕對值最小。 估算各點的回波強度數(shù)據(jù)IsOU，估算出的回波強度數(shù)據(jù)與采集的回波強度數(shù)據(jù) 平均相對誤差絕對值方程為 隨著迭代的進行，判斷平均相對誤差絕對值X (P)是否為最小，若平均相對誤 差絕對值x (p)為最小，則轉(zhuǎn)步驟8)，否則轉(zhuǎn)步驟(4)，直至迭代N次結(jié)束，求得最小的 x (P)，此時擬合的模型參數(shù)P ，即為最接近的模型參數(shù)。 本發(fā)明的一種基于多波束聲納數(shù)據(jù)的水下三維地形重建方法與現(xiàn)有技術(shù)相比較 具有的優(yōu)點與積極效果是 本發(fā)明設(shè)定約束條件能提高測深數(shù)據(jù)的空間分辨率，重建的水下三維地形與現(xiàn)有 的內(nèi)插算法所重建的三維地形結(jié)果相比，其精度更高、更接近真實地形；該方法能在不同的 水下環(huán)境運用不同的反射模型，重建三維地形的同時還能推導(dǎo)出整個區(qū)域的模型參數(shù)，該 模型參數(shù)能顯示海底不同的地物特性；該方法在水下物質(zhì)勘探，三維可視化和水下目標檢
1 w ;Kp) = 72]
(9)
J等方面具有重要意義'


圖1為本發(fā)明的基于多波束聲納數(shù)據(jù)的水下三維地形重建方法的流程圖； 圖2為美國加利福尼亞海岸地區(qū)水下三維地形圖； 圖3為美國加利福尼亞海岸地區(qū)同步獲取的回波強度數(shù)據(jù)圖像； 圖4為美國加利福尼亞海岸地區(qū)重建后的水下三維地形圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例結(jié)合附圖詳細說明如下 本發(fā)明的實施例用R/V Melville測量船裝載的Seabeam2000多波束聲納系統(tǒng)于 1992年在加利福尼亞海岸采集的測深數(shù)據(jù)和回波強度數(shù)據(jù)，參見圖2及圖3，其出示了本實 施例所要研究數(shù)據(jù)的圖，即美國加利福尼亞海岸地區(qū)的水下三維地形圖(截取圖)及美國 加利福尼亞海岸地區(qū)同步獲取的回波強度數(shù)據(jù)圖像。 參見圖1 ，本發(fā)明的基于多波 聲納數(shù)據(jù)的水下三維地形重建方法的流程圖，其具 體步驟如下
(1)、利用多波束聲納系統(tǒng)采集回波強度數(shù)據(jù)，同時測取測深數(shù)據(jù)； (2)、對采集的測深數(shù)據(jù)進行線性內(nèi)插，使內(nèi)插后的空間分辨率與回波強度數(shù)據(jù)的
空間分辨率相同； (3)、計算測深數(shù)據(jù)各點的波束與水平線之間的夾角及射程； (4)、逐點計算測深數(shù)據(jù)上各點的波束入射角，其計算方法如下 設(shè)測深數(shù)據(jù)中某一像元Zx,y，下標x， y為像元在數(shù)據(jù)中的行列號，轉(zhuǎn)為柱坐標的形
式，波束入射角a值的推導(dǎo)過程如下
及cos
(i)
其中p-^i ,力為波束與水平線之間的夾角，R為射程 海底曲面的法向:
t— 忍必向量^ =
n =——X——
w 辦 各點波束入射角的余弦值有CGS^
0 及.《
(2)
(3)推導(dǎo)出的偏微分方程(tana)2^ -《=
(4) 式中^、^、R均已先得，波束入射角a值即可獲得； (5)、根據(jù)回波強度數(shù)據(jù)和波束入射角來擬合反射模型的模型參數(shù)，校正波束與水
平線之間的夾角；其具體如下 采用Lambertian反射模型 Rs = Rs ( a ， p ) = p cos a (5) 其中，P為模型參數(shù) 聲納系統(tǒng)設(shè)定總是以101g的形式表達聲強，回波強度Is = _101g(Rs)，已知回波 強度數(shù)據(jù)Is，反推得對應(yīng)的Rs值。根據(jù)反射模型中Rs值和波束入射角a之間的關(guān)系，使用 最小二乘擬合法，擬合反射模型的模型參數(shù)；
校正波束與水平線之間的夾角p值如下
利用有限差分方法，分別列出兩個差分方程 離散前向差分方程 離散后向差分方程A
<formula>formula see original document page 7</formula>

式中，AR、 Ay分別是在R、y方向上像元的間隔大小 由上兩式結(jié)合可得各點的波束與水平線之間的夾角P值<formula>formula see original document page 8</formula>(8) 式中，P/是由離散前向方程計算得到，而db則是與最近y方向上數(shù)據(jù)點之間的距
離；同理，％由離散后向方程所得，df則是與最近_y方向上數(shù)據(jù)點之間的距離； (6)、由模型參數(shù)及波束入射角估算回波強度數(shù)據(jù)，其具體如下 由步驟(5)所擬合的模型參數(shù)P及步驟(4)所獲得的波束入射角a ，用Rs =
P cos a 、 Is = -l()lg(Rs)來估算回波強度數(shù)據(jù)Is ; (7)、設(shè)定約束條件為迭代次數(shù)N，使估算出的回波強度數(shù)據(jù)與采集的回波強度數(shù) 據(jù)平均相對誤差絕對值最小，其具體估算式為
1 7(A) = ^:I]
(9) 隨著迭代的進行，判斷平均相對誤差絕對值x (P)是否為最小，若平均相對誤
差絕對值x (p)為最小，則轉(zhuǎn)步驟(8)，否則轉(zhuǎn)步驟(4)，直至迭代N次結(jié)束，求得最小的
x (P)，此時擬合的模型參數(shù)P ，即為最接近的模型參數(shù)。 (8)、以最小平均相對誤差絕對值時的測深數(shù)據(jù)，重建水下三維地形。 步驟(8)中，由z:i sinp，逐點計算測深數(shù)據(jù)，重建水下三維地形，并可以顯示水
下三維地形圖，如圖4所示。 實施例本實驗估算的回波強度數(shù)據(jù)與采集的回波強度數(shù)據(jù)平均相對誤差絕對值
x (P )在迭代過程中的值(% )分別為:0. 125，0. 079，0. 069，0. 062，0. 070，0. 067......，可
知由本算法估算的回波強度數(shù)據(jù)趨近真實值且逐步穩(wěn)定。這說明本算法所得數(shù)據(jù)的整體誤 差小。為更深入分析細節(jié)，選取起伏較大的三個測深數(shù)據(jù)點單獨列出(40，10)， (80,20)， (150,30)。在線性內(nèi)插時的誤差(m)分別為5.9，7.6，5.6，經(jīng)過本發(fā)明重建地形后的誤差 (m)分別為0.7，7. 1，1.8?？梢钥闯霰舅惴ㄔ诓煌瑪?shù)據(jù)點的計算上同樣比線性內(nèi)插算法誤 差小，效果好。
權(quán)利要求
一種基于多波束聲納數(shù)據(jù)的水下三維地形重建方法，其特征在于，首先對多波束聲納系統(tǒng)采集的測深數(shù)據(jù)進行內(nèi)插，計算得到各點的波束與水平線之間的夾角和波束入射角，建立由多波束聲納系統(tǒng)采集的回波強度數(shù)據(jù)與波束入射角之間的定量關(guān)系，根據(jù)回波強度數(shù)據(jù)和波束入射角來擬合反射模型的模型參數(shù)，利用有限差分法校正波束與水平線之間的夾角，使估算出的回波強度數(shù)據(jù)最接近采集的回波強度數(shù)據(jù)，以此作為約束條件，滿足條件則計算此時的測深數(shù)據(jù)，重建水下三維地形，否則就迭代擬合模型參數(shù)來估算回波強度數(shù)據(jù)，其具體步驟如下(1)、利用多波束聲納系統(tǒng)采集回波強度數(shù)據(jù)，同時測取測深數(shù)據(jù)；(2)、對測深數(shù)據(jù)進行線性內(nèi)插，獲得與回波強度數(shù)據(jù)相同空間分辨率的測深數(shù)據(jù)；(3)、計算測深數(shù)據(jù)各點的波束與水平線之間的夾角及射程；(4)、逐點計算測深數(shù)據(jù)上各點的波束入射角；(5)、根據(jù)回波強度數(shù)據(jù)和波束入射角來擬合反射模型的模型參數(shù)，校正波束與水平線之間的夾角；(6)、由模型參數(shù)及波束入射角估算回波強度數(shù)據(jù)；(7)、設(shè)定約束條件為迭代次數(shù)N，使估算出的回波強度數(shù)據(jù)與采集的回波強度數(shù)據(jù)平均相對誤差絕對值最小；(8)、計算最小平均相對誤差絕對值時的測深數(shù)據(jù)，重建水下三維地形。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多波束聲納數(shù)據(jù)的水下三維地形重建方法，其特征在于，上述步驟(4)中所述的逐點計算測深數(shù)據(jù)上各點波束入射角，其計算方法如下設(shè)測深數(shù)據(jù)中某一像元Zx, y，下標x， y為像元在數(shù)據(jù)中的行列號，轉(zhuǎn)為柱坐標的形式，波束入射角a值的推導(dǎo)過程如下 ' (1)<formula>formula see original document page 2</formula>p(i 力為波束與水平線之間的夾角，R為射程，海底曲面的法向量"-"^x;(2)各點波束入射角的余弦值有<formula>formula see original document page 2</formula>(3)推導(dǎo)出的偏微分方程<formula>formula see original document page 2</formula>(4)式中,<formula>formula see original document page 2</formula>均已先得，波束入射角a值即可獲得。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于多波束聲納數(shù)據(jù)的水下三維地形重建方法，其特征在于，上述步驟(5)中所述的根據(jù)回波強度數(shù)據(jù)和波束入射角來擬合反射模型的模型參數(shù)，校正波束與水平線之間的夾角，其具體如下在不同的水下環(huán)境采用不同的反射模型，常用Lambertian反射模型<formula>formula see original document page 3</formula> (5)其中，P為模型參數(shù)聲納系統(tǒng)設(shè)定總是以101g的形式表達聲強，回波強度Is = -101g(Rs)，已知回波強度 數(shù)據(jù)Is，反推得對應(yīng)的Rs值，根據(jù)反射模型中Rs值和波束入射角a之間的關(guān)系，使用最小 二乘擬合法，擬合反射模型的模型參數(shù)；校正波束與水平線之間的夾角P值利用有限差分方法，分別列出兩個差分方程離散前向差分方禾<formula>formula see original document page 3</formula>式中，AR、 Ay分別是在方向R、y上像元的間隔大小 由上兩式結(jié)合得各點的波束與水平線之間的夾角P值<formula>formula see original document page 3</formula>式中，由離散前向方程得^V，而db則是與最近y方向上的數(shù)據(jù)點之間的距離；同理，％由 離散后向方程所得，df則是與最近-y方向上的數(shù)據(jù)點之間的距離。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于多波束聲納數(shù)據(jù)的水下三維地形重建方法，其特征在 于，上述步驟(6)中所述的由模型參數(shù)及波束入射角估算回波強度數(shù)據(jù)，其估算回波強度公式為<formula>formula see original document page 3</formula>
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于多波束聲納數(shù)據(jù)的水下三維地形重建方法，其特征在 于，上述步驟(7)中所述的設(shè)定約束條件為迭代次數(shù)N，使估算出的回波強度數(shù)據(jù)與采集的 回波強度數(shù)據(jù)平均相對誤差絕對值最小，其具體估算為估算各點的回波強度數(shù)據(jù)IsOU，估算出的回波強度數(shù)據(jù)與采集的回波強度數(shù)據(jù)平均相對誤差絕對值方程為<formula>formula see original document page 3</formula>隨著迭代的進行，判斷平均相對誤差絕對值x (p)是否為最小，若平均相對誤差絕對 值x (p)為最小，則轉(zhuǎn)步驟(8)，否則轉(zhuǎn)步驟(4)，直至迭代N次結(jié)束，求得最小的x (P)， 此時擬合的模型參數(shù)P ，即為最接近的模型參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于多波束聲納數(shù)據(jù)的水下三維地形重建方法，該方法包括步驟(1)采集回波強度數(shù)據(jù)，同時測取測深數(shù)據(jù)；(2)對測深數(shù)據(jù)進行線性內(nèi)插，獲得與回波強度數(shù)據(jù)相同空間分辨率的測深數(shù)據(jù)；(3)計算測深數(shù)據(jù)各點的波束與水平線之間的夾角及射程；(4)逐點計算測深數(shù)據(jù)各點的波束入射角；(5)根據(jù)回波強度數(shù)據(jù)來擬合反射模型的模型參數(shù)，校正波束與水平線之間的夾角；(6)由模型參數(shù)及波束入射角估算回波強度數(shù)據(jù)；(7)設(shè)定迭代次數(shù)N，估算回波強度數(shù)據(jù)與采集的回波強度數(shù)據(jù)平均相對誤差絕對值最?。?8)計算測深數(shù)據(jù)，重建水下三維地形。該方法能提高測深數(shù)據(jù)的空間分辨率，重建的水下三維地形也更接近真實地形，在水下物質(zhì)勘探，三維可視化和水下目標檢測等方面具有重要意義。
文檔編號G01S7/539GK101788666SQ20101012658
公開日2010年7月28日 申請日期2010年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月17日
發(fā)明者唐麟, 曹阿娜, 李先華, 顧晨, 黃微 申請人:上海大學(xué)