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(chǎng)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(cè)量能力的多波束測(cè)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(guó)際上這兩類儀器又都朝著相互融合能夠同時(shí)提供地形和地貌信息的方向發(fā)展。本文以國(guó)家863計(jì)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(cè)深系統(tǒng)”和黑龍江省中小企業(yè)創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目“高分辨淺水多波束測(cè)深系統(tǒng)”等科

2、研項(xiàng)目為背景,在多波束測(cè)深儀的理論基礎(chǔ)上研制具有水下場(chǎng)景二維/三維成像能力的高分辨海底地形地貌探測(cè)系統(tǒng),并對(duì)其相關(guān)技術(shù)展開研究,因此論文的研究?jī)?nèi)容可以分為理論研究和工程實(shí)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(cè)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)海底散射回波信號(hào)的方位-強(qiáng)度聯(lián)合估計(jì)以及在海底地形地貌探測(cè)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(shí)踐部分主要包括:多子陣波束域海底探測(cè)算法實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)以及高分辨海底地形地貌探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)

3、現(xiàn)和試驗(yàn)驗(yàn)證。
　　 首先,在對(duì)水下聲學(xué)圖像處理相關(guān)領(lǐng)域的研究進(jìn)展分析的基礎(chǔ)上,探討了實(shí)現(xiàn)高分辨地形地貌探測(cè)所需解決的關(guān)鍵問題。隨后針對(duì)海底散射回波信號(hào)的方位-強(qiáng)度聯(lián)合估計(jì)問題,引入兩種新的信號(hào)處理方法,多子陣波束域CAATI(Multiple Sub-array Beamspace-CAATI,簡(jiǎn)稱MSB-CAATI)算法和多子陣波束域求根MUSIC(Multiple Sub-array Beamspace-Root-MUSI

4、C,簡(jiǎn)稱MSB-RMU)。通過計(jì)算機(jī)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(qiáng)度估計(jì)性能,并利用根據(jù)IHO測(cè)量規(guī)范建立水下場(chǎng)景和實(shí)際海試數(shù)據(jù)驗(yàn)證算法的實(shí)用性。
　　 在聲納圖像分割方面,針對(duì)傳統(tǒng)的基于Markov隨機(jī)場(chǎng)模型的圖像分割方法存在模型參數(shù)估計(jì)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(jiǎn)化模型,通過對(duì)合成的紋理圖像和實(shí)際聲納圖像分割對(duì)算法的可行性和分割效果進(jìn)行了理論分析。
　　

5、 在工程實(shí)踐方面,針對(duì)直接影響算法并行實(shí)現(xiàn)效率的兩個(gè)因素,即并行處理平臺(tái)的結(jié)構(gòu)和算法的可并行性,展開研究。在并行處理平臺(tái)結(jié)構(gòu)方面,在對(duì)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(duì)新網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫再|(zhì)和路由算法進(jìn)行研究。在算法可并行性方面,通過對(duì)MSB-RMU算法運(yùn)算量的分析確定平均協(xié)方差矩陣的特征分解是運(yùn)算量相對(duì)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(shí)現(xiàn)方案,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了