多子陣波束域高分辨水聲成像技術(shù)研究.pdf

1、有效地開展海洋資源開發(fā)、海洋工程以及相關(guān)領(lǐng)域研究的前提是獲取可靠的水下場景信息,而反應(yīng)這些信息最直觀的手段就是水聲圖像。因此,具有三維地形測量能力的多波束測深儀和二維地貌成像能力的側(cè)掃聲納成為上述領(lǐng)域使用最為廣泛的海洋勘查儀器,而國際上這兩類儀器又都朝著相互融合能夠同時提供地形和地貌信息的方向發(fā)展。本文以國家863計劃海洋技術(shù)領(lǐng)域目標(biāo)導(dǎo)引類課題“淺水寬覆蓋多波束測深系統(tǒng)”和黑龍江省中小企業(yè)創(chuàng)新基金資助項目“高分辨淺水多波束測深系統(tǒng)”等科

2、研項目為背景,在多波束測深儀的理論基礎(chǔ)上研制具有水下場景二維/三維成像能力的高分辨海底地形地貌探測系統(tǒng),并對其相關(guān)技術(shù)展開研究,因此論文的研究內(nèi)容可以分為理論研究和工程實踐兩大部分。理論研究部分主要包括多子陣波束域海底探測算法實現(xiàn)對海底散射回波信號的方位-強度聯(lián)合估計以及在海底地形地貌探測中的適用性研究和基于MRF模型的聲納圖像分割方法的研究。工程實踐部分主要包括:多子陣波束域海底探測算法實時實現(xiàn)以及高分辨海底地形地貌探測系統(tǒng)的設(shè)計、實

3、現(xiàn)和試驗驗證。
　　 首先,在對水下聲學(xué)圖像處理相關(guān)領(lǐng)域的研究進展分析的基礎(chǔ)上,探討了實現(xiàn)高分辨地形地貌探測所需解決的關(guān)鍵問題。隨后針對海底散射回波信號的方位-強度聯(lián)合估計問題,引入兩種新的信號處理方法,多子陣波束域CAATI(Multiple Sub-array Beamspace-CAATI,簡稱MSB-CAATI)算法和多子陣波束域求根MUSIC(Multiple Sub-array Beamspace-Root-MUSI

4、C,簡稱MSB-RMU)。通過計算機仿真研究了兩種算法在低信噪比和小快拍數(shù)情況下的方位和強度估計性能,并利用根據(jù)IHO測量規(guī)范建立水下場景和實際海試數(shù)據(jù)驗證算法的實用性。
　　 在聲納圖像分割方面,針對傳統(tǒng)的基于Markov隨機場模型的圖像分割方法存在模型參數(shù)估計不準(zhǔn)確、求解速度慢、且容易陷入局部最優(yōu)解等缺陷,提出一種固定參數(shù)的簡化模型,通過對合成的紋理圖像和實際聲納圖像分割對算法的可行性和分割效果進行了理論分析。
　　

5、 在工程實踐方面,針對直接影響算法并行實現(xiàn)效率的兩個因素,即并行處理平臺的結(jié)構(gòu)和算法的可并行性,展開研究。在并行處理平臺結(jié)構(gòu)方面,在對k元n立方網(wǎng)絡(luò)研究的基礎(chǔ)上提出了一種適用性更廣的廣義K元n立方網(wǎng)絡(luò),并對新網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫再|(zhì)和路由算法進行研究。在算法可并行性方面,通過對MSB-RMU算法運算量的分析確定平均協(xié)方差矩陣的特征分解是運算量相對集中的部分,為此研究了基于并行Jacobi方法的特征值分解方法以及在FPGA上的實現(xiàn)方案,設(shè)計并實現(xiàn)了