一種水下亞波長分辨率三維成像方法技術

本發明專利技術公開了一種水下亞波長分辨率三維成像方法，包括以下步驟：(1)聲信號發射；(2)聲透鏡波束形成；(3)聲信號接收、調理；(4)圖像處理及顯示：根據聲透鏡的成像規律得到的二維數據，使用發射和接收的時間得到的距離數據，結合水聲傳感器的接收的電信號即可得到三維水聲數據；將三維水聲圖像數據進行圖像增強、圖像分割，最后使用開源可視化程序庫VTK，實現目標三維成像。反射聲波通過聲透鏡聚焦并形成波束，大大減少普通成像系統的硬件電路，由于聲子晶體的負折射特性實現了亞波長聲成像；采用介觀壓阻的新型水聲傳感器，對水聲信號有較好的響應特性，實現了微弱水聲信號的有效轉化。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術公開了一種水下三維聲成像方法，屬于水聲學成像系統研究領域，特別是公開了一種水下目標三維成像方法。
技術介紹
近年來水下聲成像系統研究，特別是實時三維水下聲成像系統研究引起了各國政府、機構和學者的廣泛關注。在我國由于海洋資源開發和環境監測以及軍事防衛等多方面的需求，對三維聲成像和水聲圖像處理技術的研究日益受到重視。水下聲學成像系統是通過處理海底或水中物體的反向散射回波進行成像的。在成像過程中可得到二維聲圖像、三維聲圖像以及二維三維鑲嵌的聲圖像。水下聲學成像系統研究由于其工作機理、獲取圖像方式以及應用場合的不同，可按照波束形成方式分為電子波束式(側掃聲納系統，合成孔徑聲納，前視聲納系統)和聲透鏡波束式(聲透鏡系統)。側掃聲納技術在國外已經相當成熟，其中比較有特點的包括Klein550系列多波束側掃聲納以及EdgeTech公司用于AUV的2200系列側掃聲納。近年來，中科院聲學與中船重工集團聯合研制成功國內首臺“高分辨測深側掃聲納”。在合成孔徑聲納方面國外已經取得了突破性的進展，分辨能力已從米、分米發展到厘米量級。而我國在合成孔徑方面已于 2005年對樣機進行了海上實驗，取得了階段性成果。在前視聲納系統研制方面，美國RESON 公司的SEABAT系列產品具有代表性。我國哈爾濱工程大學于“九五”期間曾研制成功某探雷成像聲納，目前用于水下目標探測、水壩裂縫檢測的高分辨多波束成像聲納也通過了湖上實驗。然而以上這些設備通常是機械裝置，靈活性較低，同時有較大的功耗并需要使用較多的數字或模擬器件，工作時需要高速采樣和信號處理電路才能形成波束，體積比較龐大， 應用成本高，實際應用也比較少，在各方面有較大的局限性。國內外文獻顯示在使用聲透鏡進行波束形成時，可以大大減小電路規模，簡化系統的復雜程度。透鏡成像聲納的研究在國內外都尚屬一個起步階段，但由于它的多種優點， 已引起了廣泛的關注，多種試驗型聲納已相繼問世。在聲透鏡系統研制方面，目前美國的UMIS、GLACIS和ABIS等聲納已成型。這些聲納可形成接近光學成像的圖像且功率都不高于30W。此外，丹麥MacArtney公司生產的透鏡聲納DIDSON于2006年已投入市場，該聲納可工作于I. IMHz或I. 8MHz兩個頻率，探測開角29°，兩個頻率下的角度分辨率分別為O. 6°和O. 3°，圖像傳輸速率5-20幀/秒。這些聲納均采用薄透鏡設計，與上述用復雜電路實現波束形成的成像聲納相比，可明顯看出聲透鏡系統的優點體積小、功耗低、圖像傳輸速度快、成像質量高。
技術實現思路
本專利技術是基于近年來隨著海洋開發、水下探測日益增加的需求，以及保護海洋戰略資源為目的開發的一種水下三維成像方法。，包括以下步驟(I)聲信號發射單片機控制電路啟動高頻脈沖發射電路產生超聲脈沖，通過 MEMS電聲換能單元對準水下目標發射聲波，同時記錄發射時間并存儲在數據存儲器RAM 中；(2)聲透鏡波束形成發射的聲波遇到水下目標，在目標表面產生反射聲波，反射聲波通過由聲子晶體聲透鏡，形成波束，并在聲透鏡焦點位置聚焦；(3)聲信號接收、調理水聲傳感器在焦點位置接收聲透鏡聚焦的水聲信號，將其轉變為電信號，信號調理電路對該電信號進行放大、濾波，再利用轉換器將處理后的模擬信號轉換為數字信號，同時計算和記錄反射聲波到達時間并存儲在數據存儲器RAM中；(4)圖像處理及顯示根據聲透鏡的成像規律得到的二維數據，使用發射和接收的時間得到的距離數據，結合水聲傳感器的接收的電信號即可得到三維水聲數據；將三維水聲圖像數據進行圖像增強、圖像分割，最后使用開源可視化程序庫VTK，實現目標三維成像。所述的方法，聲信號發射主要由MEMS換能器及單片機控制、存儲電路組成，實現聲信號發射的參數控制及時間記錄；聲波發射前，單片機控制電路啟動高頻脈沖發射電路產生超聲脈沖，對準水下目標進行聲波發射，控制電路同時記錄發射時間^，并把^的值準確的記錄在數據存儲器RAM中；聲波發射模塊的MEMS換能器有很好的指向性，參數可根據實際需要調整，可以在控制電路的作用下工作。所述的方法，聲透鏡波束形成主要由聲子晶體組成聲透鏡，接收水下目標發射的聲波，進行聚焦并形成波束；按照聲透鏡成像模型擬定好水下目標在接收陣列中的成像位置，聲波在水中傳播，當遇到水下目標時反射聲波，反射的水聲信號由聲子晶體構成的聲透鏡形成波束，并在焦點位置聚焦。所述的方法，聲透鏡由聲子晶體組成，聲子晶體的材料是包覆軟性的硅橡膠的鉛球，直徑約為1cm，以簡單立方體晶格結構排列在環氧樹脂基體中構成。所述的方法，聲透鏡成像模型是根據負折射規律而建立的，并可以根據此規律擬定好水下目標在接收陣列中的成像位置，該位置是成像圖像的二維坐標。所述所述的方法，聲信號接收和調理主要由基于介觀壓阻理論的新型水聲傳感器和信號調理、存儲電路組成，在聲透鏡焦點位置放置聲信號接收陣列，接收陣列可以實時接收、準確記錄水聲成像的三維數據；水聲傳感器在焦點位置接收發射的水聲信號，通過單片機控制電路和計數電路，計算出反射時間t2，并存儲在數據存儲器RAM中，同時水聲傳感器將微弱的水聲信號轉變為電信號，電信號的值即是反射聲波的能量(幅值)記為E，按照聲子晶體成像模型，即可獲得成像區域的二維坐標，結合聲波的在水中游歷時間T(t2-ti)，即可獲得水下目標的三維數據。所述的方法，水聲傳感器由介觀壓阻效應的理論設計，有良好水聲響應特性；水聲傳感器將微弱的水聲信號轉變為電信號，電信號的值即是反射聲波的能量(幅值)記為E， 該值對應的是水聲圖像的灰度值。所述的方法，陣列由水聲傳感器陣列組成，水聲陣列的大小關系到成像圖像的大小，陣列的間距反映成像圖像的分辨率，該陣列由1024個水聲傳感器組成。所述的方法,水聲圖像的三維數據為E = f (X, y, z),其中(x, y)由聲透鏡成像模型得到，⑴由水中的游歷時間T決定，E為目標圖像的灰度值。所述所述的方法，圖像處理及顯示模塊可以把接收到的三維水聲數據進行水聲圖像增強、圖像分割，最終實現水下目標的三維顯示；將得到的三維水聲數據首先進行基于小波和模糊理論的圖像增強方法，再采用三維自適應區域生長算法進行圖像分割，使用光線投射算法有效的將處理后體數據表達，最后使用開源可視化程序庫VTK，實現了水下監測目標的三維顯示。該成像方法原理科學、電路結構簡單，減少了系統的硬件規模，很大的降低了系統的成本，采用可以實現亞波長分辨率成像的聲子晶體構成的聲透鏡，利用介觀壓阻效應的水聲傳感器，有效的保證了水聲數據的精確接收，后期的快速的圖像處理方法實現了水下目標的三維識別與姿態分析。本專利技術的有益效果是反射聲波通過聲透鏡聚焦并形成波束，大大減少普通成像系統的硬件電路，由于聲子晶體的負折射特性實現了亞波長聲成像；采用介觀壓阻的新型水聲傳感器，對水聲信號有較好的響應特性，實現了微弱水聲信號的有效轉化；使用水聲傳感器陣列結合聲子晶體成像規律實時得到了三維的水聲成像數據，經過圖像處理可以在顯示器上直接讀出監測目標的三維特性及相關數據，因此該系統的功能完善，性能穩定，成本低廉的設備，利于科學研究以及商業發展。附圖說明圖I水下亞波長分辨率三維成像方法示意圖2圖像處理顯示的流程圖3圖像處理后的三維效果圖；具體實施方式以下結合具體本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種水下亞波長分辨率三維成像方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)聲信號發射：單片機控制電路啟動高頻脈沖發射電路產生超聲脈沖，通過MEMS電聲換能單元對準水下目標發射聲波，同時記錄發射時間并存儲在數據存儲器RAM中；(2)聲透鏡波束形成：發射的聲波遇到水下目標，在目標表面產生反射聲波，反射聲波通過由聲子晶體聲透鏡，形成波束，并在聲透鏡焦點位置聚焦；(3)聲信號接收、調理：水聲傳感器在焦點位置接收聲透鏡聚焦的水聲信號，將其轉變為電信號，信號調理電路對該電信號進行放大、濾波，再利用轉換器將處理后的模擬信號轉換為數字信號，同時計算和記錄反射聲波到達時間并存儲在數據存儲器RAM中；(4)圖像處理及顯示：根據聲透鏡的成像規律得到的二維數據，使用發射和接收的時間得到的距離數據，結合水聲傳感器的接收的電信號即可得到三維水聲數據；將三維水聲圖像數據進行圖像增強、圖像分割，最后使用開源可視化程序庫VTK，實現目標三維成像。

【技術特征摘要】
1.一種水下亞波長分辨率三維成像方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)聲信號發射單片機控制電路啟動高頻脈沖發射電路產生超聲脈沖，通過MEMS電聲換能單元對準水下目標發射聲波，同時記錄發射時間并存儲在數據存儲器RAM中； (2)聲透鏡波束形成發射的聲波遇到水下目標,在目標表面產生反射聲波,反射聲波通過由聲子晶體聲透鏡，形成波束，并在聲透鏡焦點位置聚焦； (3)聲信號接收、調理水聲傳感器在焦點位置接收聲透鏡聚焦的水聲信號，將其轉變為電信號，信號調理電路對該電信號進行放大、濾波，再利用轉換器將處理后的模擬信號轉換為數字信號，同時計算和記錄反射聲波到達時間并存儲在數據存儲器RAM中； (4)圖像處理及顯示根據聲透鏡的成像規律得到的二維數據，使用發射和接收的時間得到的距離數據，結合水聲傳感器的接收的電信號即可得到三維水聲數據；將三維水聲圖像數據進行圖像增強、圖像分割，最后使用開源可視化程序庫VTK，實現目標三維成像。2.根據權利要求I所述的方法，其特征在于聲信號發射主要由MEMS換能器及單片機控制、存儲電路組成，實現聲信號發射的參數控制及時間記錄；聲波發射前，單片機控制電路啟動高頻脈沖發射電路產生超聲脈沖，對準水下目標進行聲波發射，控制電路同時記錄發射時間t1;并把h的值準確的記錄在數據存儲器RAM中；聲波發射模塊的MEMS換能器有很好的指向性，參數可根據實際需要調整，可以在控制電路的作用下工作。3.根據權利要求I所述的方法，其特征在于聲透鏡波束形成主要由聲子晶體組成聲透鏡，接收水下目標發射的聲波，進行聚焦并形成波束；按照聲透鏡成像模型擬定好水下目標在接收陣列中的成像位置，聲波在水中傳播，當遇到水下目標時反射聲波，反射的水聲信號由聲子晶體構成的聲透鏡形成波束，并在焦點位置聚焦。4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于聲透鏡由聲子晶體組成，聲子晶體的材料是包覆軟性的硅橡膠的鉛球，直徑約為1cm，以簡單立方體晶格...

【專利技術屬性】
技術研發人員：韓建寧，溫廷敦，許麗萍，李永紅，沈軼聞，張弛，楊鵬，韓露，
申請(專利權)人：中北大學，
類型：發明
國別省市：