声纳检测

2024-10-18

声纳检测（共7篇）

声纳检测篇1

1、引言

伴随着声纳技术的进步和发展, 由于海洋环境的复杂多变性和应用目的多种多样性使得声纳系统变得越来越复杂。与此形成对比的是声纳探测性能的检测发展相对滞后, 进行合理有效的性能检测逐渐成为各国声纳系统研发者普遍关心的问题。

本文结合固定阈值法进行声纳信号检测性能分析。固定阈值法是基于蒙特卡洛统计试验方法, 它是以一个概率模型为基础, 按照这个模型所描绘的过程, 把模拟试验得出结果, 作为问题的近似解。利用以上理论模型针对瑞利分布混响中接收机的探测性能进行仿真, 验证了固定阈值法在声纳信号检测性能分析中的可行性。

2、声纳探测性能检测理论模型

2.1 假设检验[1]

从统计检测理论的角度看, 声纳检测问题可以用下面的二元检测问题来描述

这里T是用来做判据的阈值, 成为似然函数, 称为似然比, 有

考虑以下两种情况:

2.2 接收机工作特性曲线[2]

虚警概率和发现概率是确定系统性能的唯一参数, 以系统输出端信噪比为参量可以得到一组关于虚警概率和发现概率的曲线, 即接收机工作特性曲线 (ROC) 。当系统输出为具有不同概率密度分布函数的噪声和具有不同的概率密度分布函数的信号加噪声时, 接收机工作曲线是不同的。

假设接收机输出端的噪声和信号加噪声均为正态分布的情况下, 建立接收机的工作特性曲线。设系统输出噪声均值和方差分别为M0、σ0, 信号加噪声的均值和方差分别为M1、σ1, 输出功率信噪比为d, 则虚警概率和发现概率分别为:

将公式 (4) (5) 进行简化, 可得

假设单独存在噪声时的均值M0=0, 且一般为远距离探测, 可得。

由以上公式, 可建立声纳的PD、PFA与信噪比d的关系。现给定信噪比, 给定不同的PFA可得到一组PD-PFA的曲线。图2是正态分布噪声下的接收机工作特性曲线, 其中信噪比d分别为20, 10和1。从图中可以看出, 随着信噪比d的增大, 接收机的检测性能明显提高。

2.3 固定阈值法

前面介绍了声纳信号检测的理想模型, 并得出正态分布情况下接收机工作特性曲线。固定阈值法是典型的声纳信号检测方法。图3和图4分别描绘了主动声纳和被动声纳性能探测过程的流程。

图3和图4中的检测模块是阈值检测。判决准则为:

其中, ir为阈值检测的输入, iz为阈值检测的输出, T为满足指定虚警概率的检测阈值。

根据固定阈值法的检测过程, 在已知的输入噪声功率以及期望的输入噪声概率密度函数的情况下, 当系统只有噪声信号输入时设定阈值, 然后通过已知条件和设定的阈值可以得出虚警概率。调整检测阈T以达到期望的虚警概率。同样地要测量检测概率, 可以重复同样的试验并将信号叠加到噪声上作为输入来获得指定的检测概率。

3、蒙特卡洛统计试验模型

接收机工作特性曲线必须在信号和噪声的分布函数已知的情况下才能获得。但是, 在声纳系统中, 由于各种条件的影响信号或噪声的概率密度分布函数并不服从某种特定的分布并且不太容易获得, 此时在接收机工作特性分析时存在大量繁琐的公式推导。因此我们采用蒙特卡罗方法分析计算声纳信号检测中接收机工作特性。

(其中, 图a、图b仿真次数分别为1000和4000)

基本思想:

首先对噪声进行滤波, 并考虑其输出幅度的最大值。结合指定的虚警概率PFA, 可以得到检测门限T.然后对回波的信号加噪声进行匹配滤波, 若输出幅度的最大值大于门限T, 则认为是检测到信号, 此时可以通过多次试验计算得到检测概率PD。

根据上面定义的检测准则, 考虑恒虚警概率下的检测, 给定虚警概率PFA, 信噪比SNR, 蒙特卡洛次数M。

3.1 根据给定的虚警概率PFA和蒙特卡洛次数M, 得到门限阈值T

如图5所示, 首先对系统输入M次噪声, 然后对噪声进行滤波得到每次滤波后的最大值。将M次试验后得到的最大值按照由大到小的原则进行排序。所需要的门限阈值T就是排序后第 (PFA*M) 次地试验值。

3.2 根据给定的信噪比SNR和得到的门限阈值T, 得到检测概率PD

对系统输入M次信号 (包含有用信号和噪声) , 对信号进行滤波后, 将滤波后的信号的最大值与门限阈值T进行比较。如果输出最大值大于门限阈值T, 可判定为检测到信号;反之若小于, 可判定为未检测到信号。然后统计大于门限阈值T的次数m, 检测概率PD就等于m/M。

4、仿真分析

根据上面的声纳信号检测性能理论分析和蒙特卡洛统计试验分析模型, 我们可以通过计算机仿真得出接收机工作特性曲线。图5是瑞利分布混响背景下的接收机工作特性曲线, 其中蒙特卡洛试验次数分别为1000和4000次, 虚警概率为0.01。从图6中可以看出, 次数越多, 蒙特卡洛方法逼近理论值的效果越好。

5、结语

本文在对声纳信号检测性能理论模型和蒙特卡洛方法进行分析的基础上, 建立了声纳信号检测性能蒙特卡洛统计试验分析模型。并在此基础上, 进行了仿真分析。结果表明:声纳信号检测性能蒙特卡洛统计试验分析模型具有可行性, 只需要信噪比以及噪声的统计特性就能很好的得到接收机的工作特性曲线。

摘要：本文首先介绍了声纳信号检测性能理论模型, 主要包括假设检验, 接收机工作性能曲线和固定阈值法, 然后结合蒙特卡洛理论, 建立声纳信号检测性能的统计分析模型, 并进行了仿真分析。

关键词：固定阈值法,蒙特卡洛法,信号检测

参考文献

[1]李启虎.声纳信号处理引论[M].海洋出版社, 2000.1.

[2]田坦, 刘国枝, 孙大军.声纳技术[M].哈尔滨工程大学出版社, 2003.1.

[3]Whalen, AD., DetectionofSinglesinNoise[J], Wiley, 1971.

[4]Urick, RJ, PrinciplesofUnderwaterSound[M], 2ndEdition, 1975.

[5]张伟峰.数字声纳接收机信号处理教学实验软件设计[D], 海军工程大学, 2005, 3.

声纳检测篇2

关键词：声纳发射装置,状态,简易,检测方法

1 引言

声纳是实现对水中目标探测、定位、跟踪、识别、测速、通讯等的重要水声装备,主要由电源模块、发射模块和接收模块等组成。对于发射装置故障,常规的故障检测方法主要有基于物理模型的故障诊断方法[1]和通过实验校核的故障诊断方法。前者存在诸如必须在特定高压条件下进行检测,检测单元较多时过程繁琐等危险和不便;后者对实验环境、设备和技术人员要求较高,且周期较长,耗费较大,多在基地级校核检修时采用,不便于部队在日常使用保养时进行常规检测。

配备某艇的声纳系统由于工作性质特殊,通常只在执行任务时下水作业,其性能维护与检测均在岸上完成。以往对其发射系统的检测部队常常需要将装备吊装至相应水域,设置检测目标,通过功能测试来确定其工作状态好坏,如图1所示即为实际测试的接收回波显示。但此种方法耗时耗力,通常需数名技术人员半天时间方可完成,不便于部队平时在岸上组织实施。我们在对此型声纳系统进行仔细研究后,基于故障相关性的诊断策略,提出了一种发射装置故障的简便检测方法。此方法具有原理简单、操作简便、实用有效等特点,大大减少了检测所需时间人员,经实际试验与应用,满足了部队日常维护保养的需要。

2 声纳发射装置故障诊断的简易检测方法

2.1 声纳发射装置的工作过程

某型声纳系统发射装置如图2所示,声纳探测箱产生发射脉冲振荡激励信号并将其送至声纳换能器,此信号将改变换能器内部储能元件的电磁场,从而对机械系统产生力的作用,使之进入振动状态,进而向水介质中辐射出声波信号[2]。

2.2 基于超声检测方法的探讨

基于故障相关性的原理,结合声纳系统的工作过程,我们可知:若能在检测出换能器正常工作时的发射声波,则说明声纳探测箱至换能器工作链路之中的设备在发射状态均工作正常。

(1)检测方案

由于此型声纳换能器发射声波频率位于超声中低频段(如图3所示A-B频段即为此型声纳换能器工作频段),并在透射后频率基本不变,而在空气环境中,噪声能量多集中在可听声频段且分布无指向性,超声频段干扰分量较少,据此设想采用手持式简易超声检测设备对发射声波进行检测,可避免空气中噪声信号干扰,同时由于发射波束的指向性,在其他方向上无超声信号,通过改变手持式检测仪的方向,只有在某特定方向可检测到超声分量,排除信号为环境中超声干扰分量的可能,从而说明检测到得超声信号为换能器发射信号,声纳系统工作正常。检测方案示意图如图4。

(2)声纳发射声波的衰减特性

上述检测方案中,我们设想的基础在于频率的不变性,但是由于声纳系统工作性质的特殊,其封装于海水室中,故我们还必须考虑发射声波在经历海水室海水、空气中的衰减,以及在两介质界面所发生的折射、透射等对我们检测的影响,确定在海水透声窗外声波在一定范围内仍可被检测到。

我们从此超声频段信号的传播特性入手,对其衰减、折射(透射)规律进行分析:超声波与声波的本质相同,都是物体的机械振动在弹性介质中传播所形成的机械纵波;其传播都必须依赖介质,在真空中则不能传播。由于超声波的波长短、不易衍射,可以聚集成狭小的发射线束直线传播,故传播具有一定的方向性。超声波在传播时其强度随传播距离的增加而减弱,这说明超声波的能量被介质吸收。超声波的能量吸收通常可用吸收系数衡量,一般情况下其与超声波频率的平方成正比。图5(a)显示的是声波在空气中的衰减系数随频率变化的曲线,图5(b)显示海水中的声波的衰减系数随频率变化的曲线[3],注意:衰减系数的单位分别为Np/m和dB/km,1Np=8.686dB。分析声纳工作频率下,发射声波在空气、海水中的衰减情况可知,声波在海水室中衰减远小于在空气中的衰减约为其千分之一,因此在检测方案中我们认为声波在海水室中的能量衰减相对较小。

(3)声波由海水向空气中传播的模型

下面考虑声波经海水室并在空气、海水两介质界面折射、透射后的能量能否满足检测需要。由于透射窗本身材料的特殊性和厚度较薄,在这里我们忽略透射窗对声波的吸收作用,而仅考虑声波由海水室向空气中传播时,在两介质界面所发生的透射、折射(如图6)。

根据Snell声波反射与折射定律,可推导出下式

由于声纳换能器与海水室距离较近,发射声波到达两介质界面处为球面波,参考文献[4]中相关研究得到声强透射系数公式:

常温下,取海水密度ρw为1000kg/m3,声速cw为1500m/s,空气密度ρa为1.3kg/m3,声速ca为330m/s,因为ρwcw垌ρaca,故式(2)可简化为

得到TL≈30dB

即声波在由海水传播至空气中的过程损失约30dB。

综合以上讨论,可得到如下结论:

在上述检测方案中,声纳发射声波共经历海水衰减,界面反射、折射和空气衰减三部分损失;

在三项损失中,海水衰减由于距离较短,衰减系数相对空气较小,在实际传播过程中可不予考虑;而折射、透射部分能量损失较大,约为30dB左右,考虑到声纳发射功率不可能小于30dB,故经过折射后必然还有能量透射进入空气;

声波在空气中的衰减远高于海水衰减,因此在实际检测过程中应尽量将检测仪靠近透射窗体;

此外,在实际运用上述检测方案时,还需注意,由于摩擦也会导致部分超声分量,因此应在检测时注意避免其影响。

3 试验

图7为实际检测过程的图片。首先选择合适频段的简易超声检测设备,然后给声纳系统通电并给其开机指令;声纳探测箱灯频闪,说明其自检通过,开始工作;将简易超声检测设备紧靠近海水室透声窗,若声纳发射装置工作正常,接收到发射声波,则显示灯亮;若灯不亮,则说明未接收到发射声波,声纳发射装置工作不正常。注意,由于空间环境中可能存在部分超声分量,导致检测灯亮,而发射声波具有方向性,因此在检测过程中,通过改变检测设备的检测方向即可对其进行辨别。

4 结语

通过某型声纳声波传播特性的研究,提出了一种简便的检测此型声纳发射装置的方法,经实际试验使用中验证,可以大大简化部队在日常使用维护的硬件和技术要求,具有一定的应用价值。

参考文献

[1]林锋.多路声纳换能器绝缘电阻及等效电容智能检测仪研究[J].中国修船,2009,22(6):33-35.

[2]路德明.水声换能器原理[M].青岛:青岛海洋大学出版社,2001.

[3]马大猷,等.现代声学理论基础[M].北京:科学出版社,2004.

基于前视声纳的水下管线跟踪算法篇3

通常, 对于水下电缆和管线的检测与监控是通过远程遥控潜水器ROV (Remotely Operatedunderwater Vehicle) 进行的。操作者通过手柄远程操控, 并通过ROV上的摄像头进行实时观测。这个工作单调而耗时, 对于操作人员具有较高的要求。此外, 由于ROV易受到水流影响造成运动不稳定等因素, 更增加了检测的难度。针对这个问题, 文献通过计算机视觉的方法对于水下管线进行检测, 在检测中实现对管线的自主跟踪, 同时提取出管线的信息, 从而提高了检测的精度, 并降低了人为操作强度。然而, 在混浊的水中, 光学摄像头是无法有效成像, 即使采用补光的方法也无法较好地获取水下景物, 对于本系统不适合采用光学设备。

在本系统中, 采用的前视声纳为DIDSON, 其被安装在ROV上。ROV受水流冲击的影响, 运动不稳定性, 使得得到声纳图像具有一定的畸变, 导致认为识别困难。图1为本系统的DIDSON声纳获取的图像, 从图中可以看出声纳图像噪声大, 对比度较低及分辨率较低, 并存在着一定的畸变, 不容是辨认。本文采用了一系列的声纳图像处理算法, 实现自动提取管线的特征。

1 声纳视觉系统

声纳图像的成像的原理与光学图像不同。它是通过声波的回波信息进行成像的。声纳图像的检测区域一般为扇形平面。本系统前视声纳DIDSON水平视角为范围为28.8°, 成像范围较窄, 使后续图像处理的难度大大增加。

1.1 声纳的成像原理

声纳成像原理如图2所示, 在XYZO坐标系下, 空间点p (x, y, z) 点在声纳DIDSON成像点的坐标为 (u, v) , 根据声纳的成像原理, 其成像坐标变换为:

1.2 声纳图像处理

为增强声纳图像管线的特征, 本文采用Gabor滤波器对其进行处理;在进行图像增强后, 本文对其进行阈值分割以及形状过滤, 从而得到二值化图像;最后通过边缘检测以及霍夫变换得到管线的位置和角度。其基本流程为:

两维Gabor小波滤波器在频率和方向上对图像的表示特征与人类视觉系统非常相似, 所以Gabor滤波器在不同的视觉领域都有所应用, 如边缘检测, 图像纹理分析, 人脸识别等等。

两维的Gabor滤波器可以表示为被高斯函数调制的复正弦信号。一个两维的Gabor滤波器可以用下面的公式表示:

其中σx和σy分别表示二维高斯变换沿两个坐标轴方向的方差, x, y表示空间像素的位置, ω0为中心频率, θ表示Gabor小波的方向。

Gabor小波具有频率和方向的可变性, 通过不同频率和方向对图像进行滤波可以得到许多有价值的信息。Gabor和图像是通过卷积运算进行滤波的。假设声纳图像用I (x, y) 表示, 那么图像在 (x0, y0) 位置的Gabor小波变换为与公式 (1) 的卷积, 可以表示为如下公式:

其中∆x和∆y为采样的间隔。

由于Gabor小波是非正交的, 因此图像滤波后会有一些的冗余信息。因此在设计Gabor滤波器是要考虑选择规模合适的频率和方向。由于管线特征为一条直线, 通过Gabor滤波的变换, 可以使管线特征更加明显。根据实验, 选取了10个方向和2个不同频率, 共计20个Gabor滤波器组, 在Gabor中的σ有如下公式来确定:

其中φ表示不同的频率下, Gabor滤波器的带宽。

图像分别和多个Gabor滤波进行卷积, 最终通过加权L2范数计算出最终的滤波图像。图4 (a) 为原始的声纳图像, (b) 是经过Gabor滤波后结果。图4 (b) 经过二值化后, 得到的图像为图4 (c) 。图4 (c) 通过canny边缘提取后, 可以得到管线的轮廓特征, 如图4 (d) 所示。图4 (d) 经过霍夫变换后可提取图像中的直线, 如图4 (e) 所示

霍夫变换对于提取边界间断连接的直线是非常有效的, 它对噪声不敏感, 而且允许中间有中断, 是一种比较简单有效的直线提取算法。在参数正则化的霍夫变换下, 一条直线的法向量同x轴的夹角, 以及这条直线到原点的距离是一定的[12]。对于给定的直线的任意一点可以用下面的公式来表示:

对与上面canny边缘提取后的图像, 边缘点 (xi, yi) 就是上式中直线上面的点, 这里需要做的就是要求出直线方程的 (ρ, θ) 。

但是在提取过程中, 会在管线周围出现多条类似的直线。图4 (f) 为图4 (e) 中白色的框放大后的图像。从该放大图可以看出, 在管线的位置上, 有多条直线通过, 甚至有很多分叉。通过统计的方法, 可计算出管线在声纳图像的直线方程, 即计算出 (ρ, θ) 。

2 管线的跟踪

由上诉一系列图像处理算法可以得到管线的位置和方向, 为降低运算量, 应该对管线进行了实时跟踪。对管线的跟踪是基于管线的参数在相邻图像之间的变化是连续的, 通过预测管线的位置以及给定一个允许的运动范围, 可确定一个搜索区域, 可以减少图像处理的范围。为了预测管线的参数, 系统使用了线性卡尔曼滤波。由于ROV受到操控和水流的影响, 前视声纳传感器的运动是未知的, 下面给出了卡尔曼滤波器的模型如下:

其中v, w分别为系统误差和观测误差。

经过计算可以得到预测值, 并考虑到一定的容差∆X= (∆ρ, ∆θ) , 得到的新的管线搜索范围为:

在下一帧中在R (t+) 1中搜索管线, 减少了图像处理的范围, 降低了运算量。

3 实验验证

为了验证算法的可行性, 本文在ROV进行了相关实验, 图5 (a) 中本系统中所用的ROV, 其中前视声纳DIDSON安装在其中心位置。图5 (b) 为收放装置, 就是通过该设备将声纳由ROV放入水中。

本文的实验为:通过在不同距离和方位下对管线进行了提取, 结果显示本文提出的算法能够有效的实现对于管线的探测, 检测的结果如图6所示。由于声纳设备采集图像的帧率小于10帧/秒, 在这个情况下, 管线探测算法能够达到实时的要求。

4 结论

为了提高管线提取的效率, 本文对水下管线进行了实时跟踪。在这里采用卡尔曼滤波对管线的走向和位置进行预测, 减少了图像搜索的面积, 减少了处理时间。本文将上述算法在课题组自行研制的ROV平台上进行了相关实验验证, 实验结果表明该算法对于水下管线探测具有较好地精度以及实时性。

参考文献

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[4]J.Antich and A.Ortiz.Abehaviour-based control architecture for visually guiding an underwater calble tracker.In Proceeding of the IFAC Workshop GCUV, 2003

[5]Marani, G., Song Choi.Underwater Target Localization[J].IEEE Robotics&Automation Magazine.2010, 17 (1) :64-70.

对探潜声纳模拟仿真的技术实现篇4

对声纳音频信号的模拟, 我们采用了以声卡为硬件基础, 运用D i r e c t X中的DirectSound技术实现对声音的模拟, 从而获得所需要的音频信号。

对声纳视频信号的模拟方法, 我们运用DirectX中的Directdraw技术实现对实装系统中声纳余辉显示的模拟。

1 建模思路

声纳模拟器要求从视频和音频两个方面来模拟声纳的实际工作情况。因为模拟器中没有信号发生器, 没有信号处理系统, 模拟的原始信号只能是现成的, 而不是实时产生的。我们采用了建立数据库的方法来模拟声纳的典型工作状态, 数据库用来存储和管理录制的全部水声信号。这一数据库的建立与水声资料的多少密切相关。水声资料越丰富, 数据库就越全面, 模拟器所达到的效果与实际越接近。

从音频系统来说, 主动声纳接收到的信号可分为两种, 一种是噪声信号 (这里把海洋混响与海洋噪声统称为噪声信号) , 一种是海洋中各种目标对发射信号的反射。声纳员通过对接收信号的侦听, 可以确定声纳系统是否探测到在声纳的有效作用距离内有目标存在。有目标存在时与没有目标存在时, 音频信号的频率成份显然不同, 回波的声源级也有很大的变化。

从视频系统来看, 显示器上的视频显示是声纳员选定的方位范围内的信号, 这种信号即包括噪声信号 (背景信号) , 也包括处在声纳有效作用距离内的目标反射信号的视频信号。

从已确定的终端性的模拟思路出发, 可以用下面的数学模型作为仿真处理对象:

式中O (w) 为仿真对象, E (w) 为噪声对象, N (w) 为目标对声信号的反射。把处理好后的E (w) 信号与N (w) 信号叠加到一起, 即为我们所需的O (w) 信号。

2 在建立水声模型时我们主要考虑以下主要因素

2.1 声速

海洋中的声速及其分布是一个重要的物理性质, 对于声音的传播及声纳设备的性能起着很重要的作用。影响海水中声速值的因素主要有海水的温度, 盐度, 压力。乌德公式较为简单而又保持了一定精度地反映了它们对声速的影响

上式中, 各物理量的意义和单位如下:

T——温度, ℃, 其范围在-4℃

P——压力, 公斤 (平方厘米, 其范围在1公斤 (平方厘米

S——盐度, ‰, 其范围为0‰

C——声速, 米/秒。

实际工作中, 因为海水温度是不均匀的, 我们所关心的只是海区中的声速分布。从对实装的使用情况来看, 我们认为浅海海区的声速分布是均匀的, 声速的值可取1500米/秒。

2.2 声强与声强级

单位时间内, 通过一个与指定方向垂直的单位面积上的平均声能, 水声学中用声强来描述这一概念。

一个声波的声强级 (IL) 等于这个声波的强度I与基准强度In比值的常用对数乘以1 0, 可用下面的公式表示出来:

2.3 声线和声音在海水中的传播

声线是用来表述声音传播方向的一个形象、直观的概念, 就如同用磁力线描述磁场一样。影响声音在海水中传播方向的因素很多, 这里, 我们只关心海水温度对它的影响。

典型的海水温度分布可分为表面层 (混合层) , 主跃层, 深海等温层。在跃变层以下到海底, 一般全部都是深海等温层。主要模型如下:

(1) 传播的模型;在主动工作方式下, 声纳发射机发出一定频率的声信号在水中传播, 遇到目标后反射回来, 被声纳接收机接收。因此主动声信号在水中是双程传输的。

在被动工作方式下, 目标在水中产生一个噪声信号, 被声纳接收机接收的声信号是单程的。

不论单程还是双程, 在水中, 声信号的传输都要受到海水温度、盐度和深度等因素的影响。严重的温度梯度将显著地影响声纳的作用距离:如果声纳探头和目标处在同一温层, 声纳的作用距离就会大大改善, 反之, 则可能会大大下降。

另一方面, 由于声信号在传播过程中的几何扩散和海水对声波的吸收, 声信号在传输过程中会衰减。

距声源一定距离处的声信号强度可用的下面公式计算:

I:检测处的声信号强度

I01:声源中心的声信号强度

L:检测处至声源中心的距离

α:吸收系数

β:声漏系数

(2) 目标信号检测的模型;主动方式下, 根据声纳方程, 声纳要能检测到目标, 必须满足以下条件:

S L:发射声源级;

N L:环境噪声级;

DI:声纳基阵的指向性系数;

D T:声纳的检测阈;

TL:声信号的传播损失;

TS:目标的信号强度;

上式中, SL、DI和DT的具体值与声纳本身的性能有关。

环境噪声级用如下公式计算:

In:一赫兹带宽的噪声强度,

I m:参考声强。

声信号的传播损失用如下公式计算

信号强度可用下式计算:

I01:距目标声学中心一米处的入射声强

Ir:距目标声学中心一米处的反射声强

3 音频信号的模拟

本系统中对声音信号的模拟是采用DirectX中DirectSound技术实现的。具体实现方法是:首先我们建立离限声音素材库, 主要包括各种海洋噪声、各类潜艇、各类水面舰艇、沉船和礁石等。其次, 经过仿真模型的计算获取需要播放的声音文件的索引号, 然后调用不同的声音文件由DirectSound实施合成并送计算机后台进行音频播放。

利用这种方法模拟其好处是声音比较逼真, 但需要依赖提供较多的声音素材, 声音素材越丰富, 则模拟得越逼真。其实现的结构图如1所示。

4 视频信号的模拟

本系统中对视频信号的模拟是采用DirectX中DirectDraw的显示技术实现的。因为在实装的视频显示中有余辉效果, 而我们用于视频显示的监视器没有余辉, 为了实现这个效果, 我们运用DirectDraw提供的页面交换和屏幕的光珊操作来模拟余辉效果, 以提高显示的逼真度。为此先简单介绍一下DirectDraw。

DirectDraw是DirectX SDK大家族中的一员, 也是其中最主要的一个部件。DirectDraw允许程序员直接的操作显存、硬件位图映射以及硬件覆盖和换页技术。它在提供这些功能的同时, 也使其与现在的基于Microsoft Windows的应用程序和设备驱动程序相兼容。

DirectDraw是一个软件接口, 它在提供直接访问显示设备的同时, 与Windows图形设备接口 (GDI) 相兼容。DirectDraw不是一个高层的图形程序编程接口, 它为游戏和Windows子系统软件 (例如:3D图形包和数字视频编码) 提供了一种与设备无关的途径, 以获得访问特定的显示设备的某些高级特性的能力。

DirectDraw适用于种类众多的的显示设备, 从简单的S V G A显示器到提供裁剪、缩放、和支持非R G B颜色格式的高级硬件实现设备。设计这样的接口是为了让你的应用程序能够列举低层硬件的能力, 并且对那些支持的硬件加速特性加以利用。那些在硬件设备中不能实现的特性, DirectX将仿真出来。

DirectDraw提供了以下几个优点, 这些好处在以前只有那些专为特定显示设备所写的软件才能利用。持双缓冲和换页图形;访问、控制显示卡的位图映射支持3D z-buffers (z缓存) ;支持z方向 (zordering) 硬件辅助覆盖。访问图形缩放硬件;仿真访问标准的和增强的显示设备内存空间;D i r e c t D r a w的任务是用与设备无关的途径来提供依赖于设备的访问显示内存的方法。本质上, D i r e c t D r a w管理显示内存。你的应用程序只需要懂得那些一般的关于硬件与设备有关的知识, 比如R G B和Y U V色彩格式和两条光栅线之间的pitch (宽距) 。

在需要利用位转换或操作调色板寄存器时, 你不需要为调用过程中的细节而烦恼。使用DirectDraw, 你可以方便的操作显示内存, 充分的利用不同类型的显示设备的位转换和颜色压缩能力, 而不需要依赖于某一个特定的硬件。DirectDraw给运行于Windows 95和Windows NT 4.0或更高版本的计算机提供了一个高性能的的游戏图象引擎。

主动合成孔径声纳几种算法比较篇5

海洋开发、水下地形地貌观测、水下物体搜索、航道疏浚工程、海洋权益划分都需要有高效的水下观察手段。图像和声音[1]是人获取信息的主要来源,图像传递的信息更丰富、更生动、更直观,陆地上常用的光波和无线电在水中衰减很快,声波是目前在海洋中惟一能够远距离传播的能量辐射形式[2],作为信息载体,主动声纳正是利用其在水下传播的特性发射信号对水下目标进行探测、定位、跟踪、识别。

海洋开发发展和反潜战的需求成为推动声纳技术发展的主要动力[3],声纳探测距离受探测频率、基阵尺寸、工程实现等方面的限制。主动合成孔径声纳(Active Synthetic Aperture Sonar,ASAS)利用小孔径声纳基阵的移动形成虚拟大孔径[4],通过成像算法得到目标区域高分辨图像。用虚拟的孔径代替真实的孔径,既能解决孔径尺寸问题,又能解决远距离方位向分辨力问题,与普通声纳相比,SAS具有高的方位向空间分辨能力,且方位分辨力与探测距离和频率无关[5]。

合成孔径成像需要将回波数据与获得回波数据点扩展函数进行二维空变的卷积[6],运动补偿是合成孔径声纳的关键问题,根据运动中影响不同,SAS一般利用多接收阵回波信号数据的互相关性进行补偿,常用有距离多普勒(RD)、线性调频空变平移(CS)、波束域(w-k)等多种算法。通过对不同算法的原理分析,比较算法的适用条件,为实际应用中不同条件下提供理论支撑。

1 合成孔径声纳基本原理

合成孔径声纳的基本原理是利用小尺寸基阵沿空间匀速直线运动来虚拟大孔径基阵,小孔径声纳相对于目标运动,在运动轨迹的位置发射信号,记录接收信号并做信号处理,根据空间位置和相位关系对不同位置的回波信号进行相干叠加处理,从而形成等效的大孔径,获得方位向的高分辨力,如图1所示。

对于实际孔径大小为D合成孔径声纳,其孔径合成在每个方位位置单独发射并接收信号,从目标反射过来的信号相对相移[7]是等效实际孔径的两倍,SAS方位向分辨率为:

可以看出,SAS方位分辨率决定于实孔径宽度,而与距离和信号频率无关。

2 合成孔径声纳几种算法原理分析及比较

运动补偿对合成孔径声纳是一个重要问题[8],与合成孔径雷达处理目标回波信号类似,SAS处理主要包括距离走动(徙动)校正和运动补偿。距离走动是声纳直线航行时对某一点目标观测的距离变化,根据距离走动影响的不同,有多种SAS算法。

SAS算法基本思想是压缩。距离多普勒(RD)算法通过距离走动校正,消除距离和方位之间的耦合[9],其基本思路是将距离向和方位向分别进行匹配滤波,通过逆傅里叶变换(IFFT)将数据变回时域,实现如图2所示。

对距离作匹配滤波的参考函数与发射信号形式相同,距离向傅里叶变换(FFT)后,与距离向匹配函数相乘:

方位向FFT,与方位向匹配函数相乘:

式中:和tm分别代表慢时间变量和快时间变量;γ和ka均为调频率。RD算法同时利用将信号变换至方位域可以对同一距离向上信号统一补偿。

线性调频空变平移(CS)算法对距离走动的处理采用CS操作,消除距离走动的空变特性,然后利用平移对所有散射点剩余的距离走动进行统一校正,实现框图如图3所示。

CS算法的本质是对线性调频回波乘上一个小调频率的线性调频信号,使回波的相位发生改变,经过压缩后散射点包络位置发生改变,从而满足距离走动校正的空变特性。

波束域(w-k)算法在二维频域[10]通过“一致聚焦(压缩)”和“补余聚焦”等操作来校正距离方位耦合与距离时间和方位频率的依赖关系,其同样适合于距离压缩后的数据,实现框图如图4所示。

参考函数相乘后,参考距离处目标得到聚焦,对其他距离处的目标进行聚焦,即Stolt提出的插值因子通过距离频率轴的映射来完成。Stolt插值调整了方位相位和距离相位,且消除了残余相位调制。

目前SAS算法除RD,CS,w-k算法外,还有RM,PF,FS等算法。距离(RM)算法是严格的匹配算法,需要插值来实现,插值精度对成像质量的影响较大;RD算法非常成熟,成为衡量其他算法优劣的标准;CS等算法成像相对于RD算法精确一些。

RD算法通过简单的一维运算可以达到距离走动校正及方位匹配滤波的高效处理,但与其他算法相比,对斜视角及波束宽度的限制较严;CS算法主要优势是通过相位扰动函数相位相乘即可实现距离走动相位校正,从而避免插值,但由于二维频域处理前数据未压缩,其需要包括距离匹配滤波等在内的更大数据阵列;w-k算法基于方位维、距离维二维空间频率的波束域算法最能精确地表达合成孔径系统模型,其缺点是变量代换的插值运算,插值的精确性对成像有一定的影响。

3 合成孔径声纳算法仿真验证

实际应用中选择SAS算法,根据声纳参数和分辨率要求,考虑距离走动等情况选择相应算法。

当考虑距离走动,不考虑距离弯曲,观测场景内距离走动率是相同的,采用RD算法如图5所示。

当距离走动和距离弯曲都考虑,但场景内各处距离弯曲近似相同,此时距离和方位存在耦合,可采用RD或w-k算法,采用w-k算法如图6所示。

当距离走动和距离弯曲均考虑,且场景内的距离弯曲不能忽略,采用CS算法如图7所示。

通常情况下,应选择同时兼顾精度、通用性及处理效率的算法,可以结合算法改进和校正处理思想将其推广至精度更高的算法。

4 结语

主动合成孔径声纳是水声声纳技术重要研究方向之一,有着广阔的应用前景。合成孔径声纳算法原理及比较,结合不同条件下的点目标仿真验证,为实际应用中选择不同算法提供理论支持。

参考文献

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[3]李启虎.进入21世纪的声纳技术[J].信号处理,2012(1):1-6.

[4]杨青青.合成孔径声纳成像算法及介质不稳定性影响研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2007.

[5]钱刚.合成孔径声纳技术研究[D].西安:西北工业大学,2003.

[6]STOLT R.Migration by Fourier transform[J].Geophy-sics,1978,43:78-80.

[7]李启虎.数字式声纳设计原理[M].合肥:安徽教育出版社,2002.

[8]王旭艳,孙超,刘兵.斜视合成孔径声纳成像的改进距离多普勒算法[J].西北工业大学学报,2007,25(3):77-79.

[9]姜楠,孙大军,田坦.合成孔径声纳中RD算法和w-k成像算法比较[J].海军工程大学学报,2002,14(5):56-58.

陆地声纳三分量数据可视化研究篇6

陆地声纳法是一种适应于浅层地震勘探的新方法,是“陆上极小偏移距高保真弹性波反射连续剖面法”的简称。地震勘探方法种类很多,有反射法、折射法和地震测井法等。而陆地声纳法由地震反射法变化而来,是地震勘探、水声法、声波法、探地雷达的结合体。陆地声纳三分量是指垂直地面的垂直分量,平行地面又与炮检线平行的水平分量,及平行地面又与炮检线垂直的水平分量。

陆地声纳显示技术由最初的波形显示、波形加变面积显示逐渐发展到波形加变密度和彩色显示,以及正在开展的三维显示和三分量显示技术,三维显示技术相对于二维显示有以下优势:

(1)三维显示有更高的地层构造成像精度

(2)三维显示可以准确地确定反射界面的空间位置

(3)三维显示可以将分散二维图象,综合起来进行联想,直观地观察地下地质形态,而且可以从三维的角度去分析和判断地质体的空间形态。

1 可视化软件WebGL

WebGL是一项在网页浏览器呈现3D画面的技术,有别于过往需加装浏览器插件,透过WebGL的技术,只需要编写网页代码即可实现3D图像的展示。WebGL基于OpenGL ES 2.0,提供了3D图像的程序接口。它使用HTML5 Canvas并允许利用文档对象模型接口。可利用部分Javascript实现自动内存管理。目前,WebGL被大多数处于测试阶段的浏览器所支持。目前,支持此技术的有Mozill Firefox、Google Chrome、Opera 12(目前的正式版11.52不支持)、Safari。另外,它也受Nokia N900 PR1.2支持。

WebGL是通过Web页面调用OpenGL,WebGL直接以OpenGL接口实现HTML5的canvas标签调用,以统一的OpenGL标准,从Web脚本生成利用硬件加速功能的Web交互式3D动画的图形渲染。WebGL完美地解决了现有的Web交互式三维动画的两个问题:第一:它通过HTML脚本本身实现Web交互式三维动画的制作,无需任何浏览器插件支持;第二:它利用底层的图形硬件加速功能进行的图形渲染,是通过统一的、标准的、跨平台的OpenGL接口实现的。这就意味着,仅仅用HTML和Javascript,就可以制作出性能丝毫不亚于现在用Flash、Silverlight等做出来的Web交互式三维动画,而且在任何平台上都能以同样的方式运作。WegGL这种方式是直接在页面本身显示图片,比使用插件显示方式性能和效率上都有很大的提高,并且直接使用HTML标签调用OpenGL接口,实现简单。所以本文预计使用WebGL来绘制三分量三维图的显示。图1是利用WebGL技术实现的三分量数据波形图。

2 陆地声纳数据读取

SEG-2是记录格式,是一种被广泛使用的地震数据记录带格式。图2是SEG-2数据文件结构。

了解了SEG-2数据文件的结构后就可以容易的读取数据文件,根据数据文件的结构,定义结构体对数据进行读取,提取数据的有用信息,如采集间隔,采集点坐标,数据道数,数据格式码等信息。

3 三分量的三维显示技术

陆地声纳法三分量三维显示要求是实现三维的十字剖面图形,实现过程如下:

(1)首先从地震数据文件中读取N道的采集数据。每道数据的数据信息是坐标值和时间值。

(2)然后每三道数据为一组,进行组合,提取出每道数据的坐标值和时间值,这样就构成了(x,y,z,t)四维坐标的采集点。

(3)构造直角坐标系(图3)。首先建立垂直向下的时间轴,然后以每个采集时间点为基点构造直角坐标系。为了实现坐标系的旋转功能,需构造两种直角坐标系,(1)Z轴与时间轴平行。(2)Y轴与时间轴平行。即实现了坐标轴的旋转功能,防止因采集点与时间轴重合而观察不到数据。根据坐标系,画出每个采集点的坐标位置,然后使用WebGL将采集点用平滑的曲线进行连接,形成一条三维的平滑曲线图。

(4)利用WebGL将三维曲线图和时间轴之间的空间进行曲面填充,并将填充部分进行上色,形成三维的旋转曲面。由于目前尚未操作实现,不知其填充效果,目前先制定两个填充方法:(1)填充相同的颜色。(2)根据采集点的振幅进行不同颜色的填充。

(5)对以上步骤进行语句循环,将所有的数据道以三道为一组,使用WebGL绘制出全部的三维旋转曲面,将他们进行排列形成三维的十字剖面图形。

(6)将剖面图进行旋转。首先定义旋转轴和旋转角度。预计以时间轴为旋转轴(即Z轴),定义旋转角度为γ(即在单位时间内的角度变化),则采集点的旋转公式为

(7)将形成的三维的十字剖面图显示到二维屏幕上。使用投影算法即可实现将三维的剖面图显示到二维屏幕上。本文采用正投影变换算法[6],来实现此功能。[3](1)

(8)实现剖面图的缩放功能,实现缩放功能其实就是改变采集点相对于坐标原点的比例变换,一个点P=(x,y,z)相对于坐标原点的比例变换的矩阵可表示为

其中sx,sy,sz分别为缩放比例系数。可以通过代码设置按键来改变剖面图的缩放功能。在实现图形的缩放功能时,需要用到插值算法,记在数据量较少的数据或中间有空格的数据中间插入一些数据,使得这些数据在图形显示时更加光滑,帮助研究者对地震数据进一步解释和分析。在此使用双线性插值进行数据差值。

双线性插值又被称为双线性内插,其目标图像中新产生的像素值是利用了原始图像像素点空间的最近八个临近像素点的值通过加权平均计算得出的。经过双线性内插算法处理的图像经过放大后的图像比较清晰,一般没有像素值不连续的的情况。下为插值算法的公式:其中pi(xi,yi,zi)为空间最近临近像素点的值i=1,2,3…8。

4 总结

本文提出了一种实现陆地声纳三分量数据显示的方法方法通过对陆地声纳数据进行整合,形成三分量采集点,建立三维坐标系,利用绘图工具WebGL对三分量数据进染,实现三分量数据的十字剖面图显示,由于剖面图显示分量的三维数据,所以要求剖面图具有旋转功能。本文还了剖面图的缩放功能,从而有利于工作人员对数据的进一释和分析,提高了工作效率。

参考文献

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[2]李振春,张军华.地震数据处理方法.中国石油大学出版社,2006

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[6]钟世航,孙宏志,王荣.陆地声纳法在遂道施工时预报断层,溶洞的效果.隧道建设,2007,(8)

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[9]Aki K L,Richards P G.Quantitative seismology,W.H.Freeman Publishing

[10]钱苏斌,林意.基于轮廓线的旋转曲面三维重建.计算机工程与设计,2009

声纳检测篇7

1 二维显示的不足

目前, 陆地声纳数据的显示主要是二维显示, 主要有波形、变面积、波形加变面积等显示方式。数据显示不太直观、形象, 绘制出来的图像不够精细、准确, 不能完全反映地质构造的真实形态。因此, 随着三维显示技术在地震勘探的广泛应用, 将三维显示技术运用在陆地声纳系统上是大势所趋。本文主要讨论正交垂直和水平剖面联合三维立体显示。

2 三维立体显示

2.1 三维数据体

地震资料经过三维偏移处理后, 形成一个三维数据体, 如图1所示, 它可以用定义在 (x, y, t) 空间每个结点的数据 (振幅或频率或相位) A (xi, yj, tk) 来表示。在平面上按CDP网格排列分布, 在垂向上按深度换算的时间采样组成立体数据网格。

2.2 垂直剖面

这个数据体可以被垂直地或水平地切割出各种二维剖面来。垂直剖面 (如图2) 是铅垂方向的剖面, 它是用一个铅垂面切三维数据体得到的该垂直剖面内各道的信息。这类剖面根据切割方向的不同又分为多种, 当定义与x轴平行的垂直剖面为纵线剖面时, 则与x方向正交的y方向垂直剖面为横测线剖面。介于x和y方向之间的任意方位直线的垂直剖面也可以显示, 此外还有连接钻孔的折线形垂直剖面。

垂直剖面包含下列地质信息。

(1) 各反射界面的反射时间 (深度) ; (2) 地层厚度; (3) 铅垂面内断层的垂直落差; (4) 铅垂面内反射层的视倾角。

形式上这些垂直剖面与二维常规多次叠加剖面相同, 但它们是取自经过三维偏移的数据体, 没有绕射波、侧面波等干扰, 信噪比、可信度及分辨率都很高。

2.3 水平剖面

水平剖面是三维地震资料特有的成果, 水平剖面也称水平切片, 是用一个水平面去切三维数据体得到的某一时刻tk各道的信息。

水平切片上包含的地质信息如下。

(1) 反射层的走向 (水平切片上同向轴的延伸方向) ; (2) 反射界面的厚度; (3) 反射界面的倾角; (4) 断层和其它地质界线的交线。

每一张水平切片是地下不同层 (反射同向轴) 的信息在同一时间内的反映, 它相当于某一等时面的地质图, 即同一张切片里显示了不同层位的信息 (同向轴) , 同一层位的信息又连续清晰地反映到多张水平切片上, 因此利用连续的水平切片进行三维作图, 能大大提高构造图的精度。

2.4 联合显示

当选择好合适的垂直剖面 (纵测线剖面和横测线剖面) 以及水平剖面以后, 将垂直剖面和水平剖面真实地按坐标位置绘制在三维立体坐标系中, 从而方便对比解释地震数据。可使解释人员不仅能在三个正交面上分析任意一个深度处地下结构的特点, 而且还可增加各类复杂构造及地质现象的动态识别能力及立体感。

3 结语

目前陆地声纳系统数据三维显示还没有成熟的应用技术, 本文试图将深层地震勘探中较成熟的三维显示技术应用到陆地声纳上, 充分利用三维显示技术的巨大优势, 使陆地声纳系统不但可以预测简单地形构造而且对于复杂地形的预测也足够准确。