国产精品自产在线播放_日韩专区亚洲精品欧美专区_动漫成年美女黄漫网站小视频_小黄片成人在线播放无码免费_日韩av一卡二不卡_91工厂少妇半推半就在线播放_亞洲日韓國產二區無碼_国产精品天干天干天干

C12是一款1.2米長的專為側(cè)掃聲吶、水質(zhì)采樣和在線水質(zhì)分析而設(shè)計的智能無人船，船體采用雙體船型設(shè)計，船體重心低、航行姿態(tài)平穩(wěn)、航速快，船體中心為傳感器設(shè)備預(yù)留充足空間。使用凱夫拉碳纖維混紡材質(zhì)，船體耐磨防撞。采用電動液壓升降系統(tǒng)，大大減小設(shè)備安裝運輸難度，有效保護(hù)設(shè)備的運行安全，采用本地化存儲加4G網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定記錄。1.重型液壓升降系統(tǒng)C12無人船選配重型液壓系統(tǒng)，可應(yīng)用于側(cè)掃聲吶和在線水質(zhì)分析儀的收放。系統(tǒng)配備一鍵升降系統(tǒng)，降低設(shè)備安裝的困難度，便于設(shè)備搬運，保障設(shè)備使用的安全。2.暗管探測應(yīng)用傳統(tǒng)的暗管排查作業(yè),大多數(shù)需要工作人員攜帶相關(guān)設(shè)備下水探測,由于暗管隱蔽性強(qiáng),作業(yè)人員常常無功而返,即使有所斬獲,也要耗費巨大的人力和時間,遇到高污染的危險環(huán)境,作業(yè)人員的人身安全和健康難以得到保障。更何況,通過人工獲取的數(shù)據(jù)存在比較大的誤差,這也是傳統(tǒng)暗管排查的一大弊端。所以,暗管排查面臨耗時耗力、作業(yè)環(huán)境危險等諸多痛點難點,成為治污路上的絆腳石。C12無人船通過搭載側(cè)掃聲吶設(shè)備，將側(cè)掃的聲波實時、直觀地反饋在電腦基站系統(tǒng)中，現(xiàn)場排查人員即可通過聲波呈現(xiàn)的圖像，初步甄別該水域是否有暗管偷排。通過RTK,工作人員還可精確定位目標(biāo)位置和獲取具體參數(shù)，方便取證。無人船最大的優(yōu)勢就是“快速”，而且數(shù)據(jù)記錄完整、準(zhǔn)確,給排污口排查帶來了效率上的直接提升。C12搭配的重型液壓升降系統(tǒng)可承載20KG的載荷，兼容市場主流側(cè)掃聲吶設(shè)備，雙體船的設(shè)計便于設(shè)備的運輸和安裝。3.水質(zhì)采樣應(yīng)用C12智能無人船可靈活搭載水深采樣模塊，采樣模塊可以安裝最多4個500ml采樣瓶，采用4G無限傳輸，在手機(jī)、平板、電腦端等都可以進(jìn)行軟件控制，使用非常安裝。① 模塊安裝該模塊安裝非常方便，只需要把采樣模塊安裝在無人船設(shè)備桶里面，接上防水插頭即可。② 采樣瓶檢查采樣瓶采集前，要確保連接控制線路。同時使用前確保瓶內(nèi)干燥，避免其他水源污染。1號采樣瓶和2號采樣瓶采用 對稱安裝，同樣3號和4號采樣瓶也采用對稱安裝，確保整個無人船重心平穩(wěn)。③ 采樣水量控制用戶可以根據(jù)需要，設(shè)置每個采樣瓶的采水量，把水量控制模塊放置在采樣瓶上對應(yīng)的刻度尺即可設(shè)置每個采樣瓶的采水量。④ 在線查看無人船正常連接后，可以在手機(jī)端看到每個采樣瓶的連接情況，正常連接，采樣器的圖標(biāo)顯示在線狀態(tài)。4.水質(zhì)在線分析應(yīng)用C12無人船預(yù)留在線水質(zhì)分析儀數(shù)據(jù)接口，可搭載國內(nèi)外多品牌在線水質(zhì)分析儀，從而達(dá)到水環(huán)境在線監(jiān)測的目的。C12采用模塊化的設(shè)計，搭配水質(zhì)分析儀固定安裝支架，在5分鐘內(nèi)即可完成設(shè)備的安裝，實現(xiàn)在線監(jiān)測。借助在線云平臺4/5G傳輸，用戶可在網(wǎng)頁端實時查看水質(zhì)數(shù)據(jù)，支持表格生成功能。儀器開機(jī)自動上傳，云端數(shù)據(jù)支持180天備份下載。

半個多世紀(jì)以來，隨著人類對海洋的利用和開發(fā)投入的不斷增大，水下航行器在很多方面都得到了廣泛的應(yīng)用與關(guān)注，如水下大范圍調(diào)查，海底繪圖，深海探測，科學(xué)采樣，水下管道的鋪設(shè)、跟蹤和維護(hù)，以及在軍事方面的戰(zhàn)場監(jiān)視、隱蔽打擊、搜尋和救援工作等。導(dǎo)航是一個研究領(lǐng)域，由于水下環(huán)境的復(fù)雜性以及信息傳輸方式和傳輸距離的受限性，水下導(dǎo)航比起空中導(dǎo)航具有更大的難度。作為水下航行器的核心與關(guān)鍵技術(shù)之一，導(dǎo)航技術(shù)同時也是科研人員最難解決的一個重要技術(shù)。美國等西方發(fā)達(dá)國家在這一領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位，我國在該領(lǐng)域起步較晚，但也取得了一定的成績。本文提出針對近海和深遠(yuǎn)海條件下的水下長航時導(dǎo)航方案，并對涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探究，這些為未來水下航行器的導(dǎo)航提供了新的研究方向與解決思路。一、針對近海條件下的水下長航時導(dǎo)航方案微機(jī)電系統(tǒng)（即MEMS）慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是微集成水下導(dǎo)航設(shè)備的核心器件，其滿足低功耗和低成本的精度要求，但由于MEMS慣性器件精度較低，在水下航行器長時間航行過程中，需要輔以電子磁羅盤、DVL、深度計、GPS等傳感器和導(dǎo)航設(shè)備。針對近海某固定海域，水下GPS水聲定位設(shè)備能夠得到較好的實現(xiàn)與應(yīng)用，與慣導(dǎo)系統(tǒng)協(xié)同導(dǎo)航。水下GPS系統(tǒng)主要由海底基站、船載位置標(biāo)校設(shè)備和水中用戶終端3部分組成，其利用聲波可在水下遠(yuǎn)距離傳播的特性，實現(xiàn)水下高精度定位，水下GPS系統(tǒng)組成框圖及相互關(guān)系如圖1所示。圖1 水下GPS系統(tǒng)組成示意圖海底基站是海底部分的主要組成部分，它集成聲信標(biāo)和聲通信機(jī)，可發(fā)射和接收聲信號，通過與水中用戶間的聲學(xué)應(yīng)答及聲學(xué)通信等方式來實現(xiàn)水下用戶的定位導(dǎo)航和信息交互。在核心作業(yè)區(qū)域，海底基站通過固定支架固定于海底，通過水面系統(tǒng)進(jìn)行位置標(biāo)校后，作為海底位置參考基準(zhǔn)給水中用戶提供定位導(dǎo)航服務(wù)。船載位置標(biāo)校設(shè)備通常安裝在水面船上，主要作用是為海底基站提供準(zhǔn)確定位。在海底基站布設(shè)完成后，利用標(biāo)校設(shè)備對其進(jìn)行標(biāo)定，即定位，以確定海底各基準(zhǔn)站的絕對位置，并定期對其進(jìn)行位置校準(zhǔn)，以獲取其變化信息。標(biāo)校系統(tǒng)利用船載標(biāo)定系統(tǒng)與海底定位基站聲學(xué)基陣單元之間的距離，基于距離交會原理，通過高精度數(shù)據(jù)處理方法，獲得船載收發(fā)器與海底基陣元之間的相對坐標(biāo)，結(jié)合船載GNSS設(shè)備和IMU設(shè)備提供的船體瞬時絕對位置，推算出海底定位基站的絕對坐標(biāo)，以實現(xiàn)海底定位基站的絕對校準(zhǔn)。絕對標(biāo)校是實現(xiàn)陸地-海面基準(zhǔn)向海底基準(zhǔn)傳遞的一個重要環(huán)節(jié)。水中用戶終端安裝在水下目標(biāo)上，搭載聲通信機(jī)，接收和發(fā)送水聲信號，與海底基站間進(jìn)行聲學(xué)通信。同時，水下目標(biāo)平臺裝載慣性導(dǎo)航設(shè)備（INS）、多普勒測速儀（DVL）、測距儀，水中用戶將各個設(shè)備信息融合處理實現(xiàn)高精度的定位和信息交互。在大型高精度水面或水下平臺附近應(yīng)用，可采用傳遞對準(zhǔn)、協(xié)同導(dǎo)航等技術(shù)提升微小型水下平臺的導(dǎo)航精度。建立長期的水下GPS系統(tǒng)是未來水下機(jī)動平臺實現(xiàn)全航程隱蔽航行的必要前提，具有重要戰(zhàn)略意義。二、針對深遠(yuǎn)海條件下的水下長航時復(fù)合導(dǎo)航方案在深遠(yuǎn)海作業(yè)條件下，水下航行器采用任何單一導(dǎo)航方式都無法達(dá)到中高精度導(dǎo)航要求，所以開展多傳感器信息融合、根據(jù)環(huán)境因素采取適當(dāng)導(dǎo)航方式，實現(xiàn)水下潛航器長航時、高精度、高可靠性工作就顯得尤為重要。針對深遠(yuǎn)海的水下導(dǎo)航需求，主要采用以下3種方式實現(xiàn)水下導(dǎo)航：⑴慣性/聲學(xué)組合導(dǎo)航在水下依賴多普勒測速儀DVL和超短基線定位系統(tǒng)USBL等方式，對慣性系統(tǒng)誤差進(jìn)行實時修正。⑵慣性/重力、磁無源導(dǎo)航該方式比較適用于水下環(huán)境的物理場變化較為顯著的區(qū)域，當(dāng)航行體行駛至該目標(biāo)區(qū)域時，可以使用外部相關(guān)信息來及時修正導(dǎo)航誤差。⑶跨介質(zhì)平臺協(xié)同導(dǎo)航在深遠(yuǎn)海航行條件下，如果部分區(qū)域可由我方船只利用聲學(xué)裝置，向水下平臺提供GNSS信息，輔助系統(tǒng)修正導(dǎo)航誤差。3種方式中，方式1作為核心的輔助導(dǎo)航手段，全程輔助修正慣性系統(tǒng)誤差；方式2可通過規(guī)劃水下載體的航行路線實現(xiàn)，使載體在行駛途中通過重磁信息變化較大區(qū)域；方式3受外部環(huán)境限制，僅在具備條件時使用。⒈慣性/聲學(xué)一體化組合導(dǎo)航終端慣性/聲學(xué)一體化組合導(dǎo)航設(shè)備主要以水下組合導(dǎo)航的高精度慣性導(dǎo)航設(shè)備為核心，以其他傳感器輔助校正，包括INS/USBL一體化系統(tǒng)和INS/DVL一體化系統(tǒng)等。通過對USBL及DVL等聲學(xué)系統(tǒng)的誤差建模與分析，建立SINS/USBL，SINS/DVL組合導(dǎo)航系統(tǒng)誤差模型，結(jié)合信息融合技術(shù)，實現(xiàn)組合系統(tǒng)導(dǎo)航定位要求。基于子導(dǎo)航定位系統(tǒng)相互修正的方式，實現(xiàn)對水下多功能導(dǎo)航系統(tǒng)誤差重調(diào)及精確定位。深遠(yuǎn)海中高精度水下導(dǎo)航技術(shù)途徑如圖2所示。圖2 深遠(yuǎn)海中高精度水下導(dǎo)航技術(shù)途徑⒉慣性/重力、磁場無源導(dǎo)航終端重力、地磁、地形匹配導(dǎo)航無需外部信息，屬于自主、全要素、靜默導(dǎo)航，在定位的同時實現(xiàn)定姿。高精度水下機(jī)動平臺在特殊環(huán)境中完成作戰(zhàn)任務(wù)，必須發(fā)展地球物理導(dǎo)航技術(shù)。重力無源輔助導(dǎo)航是利用地球重力場特征信息來確定水下航行器自身位置信息的一種自主導(dǎo)航技術(shù)，其基本工作原理如圖3所示。圖3 無源重力輔助導(dǎo)航原理示意圖⒊跨介質(zhì)多平臺協(xié)同導(dǎo)航水下航行器在長時間航行中存在較大誤差，為了修正誤差，通常的做法是每間隔一段時間，航行器上浮至水面接收GPS定位信息進(jìn)行導(dǎo)航誤差修正。但這種做法時間長、消耗成本高，靈活性也差。針對這一問題，開展基于水面移動平臺（無人船）、固定平臺（浮標(biāo)）的跨介質(zhì)無線通信與控制技術(shù)研究，建立有效、可靠、實時的空中/水面/水下跨介質(zhì)無線通信鏈路，滿足海陸空天一體化通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)囊螅瑢崿F(xiàn)多導(dǎo)航平臺通信組網(wǎng)、水下導(dǎo)航系統(tǒng)參數(shù)定期標(biāo)校等。其基本思路是：潛航器等水聲通信機(jī)與水面上的浮標(biāo)通信，將信息傳到浮標(biāo)中繼，也可以從浮標(biāo)處獲取來自陸地的指令，水面浮標(biāo)作為中繼，向下通過水聲通信機(jī)與水下終端通信，向上通過無線模式與衛(wèi)星、陸上基站進(jìn)行通信，衛(wèi)星及陸上基站通過無線電可為水面浮標(biāo)發(fā)送控制指令和定位信息等。重點需要對跨介質(zhì)無線通信信道建模與編碼技術(shù)、實時跨介質(zhì)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、復(fù)雜海洋環(huán)境水聲通信技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)開展研究。⑴開展跨介質(zhì)無線通信信道建模與編碼技術(shù)研究建立多徑-多普勒時變頻移特性的信道簡化模型及跨介質(zhì)無線通信信道傳播模型，重點研究時變信道的OFDM系統(tǒng)實現(xiàn)，提出對跨介質(zhì)OFDM系統(tǒng)多普勒估計與補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)方案，并采用糾錯編碼方式，用時域均衡的方法消除信道的影響，提高跨介質(zhì)無線通信的穩(wěn)定性。⑵開展實時跨介質(zhì)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究由于跨介質(zhì)通信鏈路中水聲通信速率受限，為保證通信實時性，考慮從減少數(shù)據(jù)量和降低中繼延時兩方面出發(fā)開展研究。⑶開展復(fù)雜海洋環(huán)境水聲通信技術(shù)研究水聲信號受海洋內(nèi)波、背景噪聲、信號多徑傳播等因素影響，變化比較劇烈，表現(xiàn)為高度時空多變性，從而導(dǎo)致節(jié)點間通信信號不穩(wěn)定，鏈路中斷現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生且不可預(yù)測。針對水聲通信的發(fā)送端和接收端，分別開展復(fù)雜海洋環(huán)境水聲通信技術(shù)的研究，擬在發(fā)送端研究海洋聲信道自適應(yīng)匹配技術(shù)和信道編碼技術(shù)，在接收端研究針對水聲時變信道的自適應(yīng)信道估計技術(shù)，從而提高水聲通信鏈路的可靠性。三、針對近海和深遠(yuǎn)海條件下的水下長航時導(dǎo)航方案關(guān)鍵技術(shù)研究⒈儀表與系統(tǒng)級誤差建模及補(bǔ)償⑴開展儀表與系統(tǒng)誤差建模技術(shù)研究分析水下航行器中各導(dǎo)航傳感器的工作原理以及引起測量誤差的原因，并建立各傳感器的誤差模型；研究傳感器數(shù)據(jù)降噪方法，利用小波變換和經(jīng)驗?zāi)Ｐ头纸獾仁侄窝芯啃盘柦翟敕椒ǎ_展水下航行器各傳感器數(shù)據(jù)預(yù)處理，開展仿真試驗驗證研究，開展水下平臺運動模型及洋流運動模型研究，并結(jié)合儀表誤差開展系統(tǒng)誤差模型研究。⑵研究快速對準(zhǔn)、在線標(biāo)定及在線誤差補(bǔ)償技術(shù)開展微集成水下導(dǎo)航設(shè)備的快速對準(zhǔn)和坐標(biāo)系標(biāo) 校工作，降低水下微小型設(shè)備的工作準(zhǔn)備時間；研究各類傳感器安裝誤差、傳遞誤差的標(biāo)定和消除技術(shù)，重點開展微集成水下導(dǎo)航設(shè)備的在線標(biāo)定、誤差估計與補(bǔ)償技術(shù)，減少設(shè)備在長期使用過程中的頻繁標(biāo)定和維護(hù)成本，降低水下導(dǎo)航設(shè)備生產(chǎn)和使用成本；針對MEMS慣性儀表誤差發(fā)散過快問題，開展系統(tǒng)級誤差動態(tài)補(bǔ)償技術(shù)研究，綜合利用水下平臺運動信息、洋流信息、輔助傳感設(shè)備信息等，開展系統(tǒng)級在線誤差估計和補(bǔ)償技術(shù)，提高導(dǎo)航設(shè)備的持續(xù)定位精度。圖4 微集成系統(tǒng)誤差建模與補(bǔ)償綜上所述，針對微小型水下航行器、水下滑翔機(jī)、蛙人、魚雷及水雷等低成本、低精度、低功耗水下人機(jī)平臺，對其進(jìn)行誤差建模與補(bǔ)償技術(shù)研究是提高慣導(dǎo)精度、組合導(dǎo)航精度的關(guān)鍵，其技術(shù)路線如圖4所示。⒉重力、磁場等無源導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)研究⑴開展高精度、高分辨率矢量基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建技術(shù)研究建立精度和分辨率均滿足實際導(dǎo)航要求的海洋重力背景場，其是將重力匹配導(dǎo)航技術(shù)在水下導(dǎo)航中得以應(yīng)用的關(guān)鍵基礎(chǔ)之一。開展地磁矢量基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建技術(shù)研究包括數(shù)據(jù)清單、數(shù)據(jù)描述、數(shù)據(jù)指標(biāo)、數(shù)據(jù)使用說明、數(shù)據(jù)應(yīng)用展示、數(shù)據(jù)實體等，突破空中磁力數(shù)據(jù)向下延拓的邊界效應(yīng)抑制技術(shù)、磁力測量數(shù)據(jù)數(shù)字濾波、多源磁力數(shù)據(jù)融合、地磁日變改正、局域地磁場模型構(gòu)建等關(guān)鍵技術(shù)，開展試驗區(qū)域選定、試驗區(qū)域地磁場數(shù)據(jù)處理、由測量數(shù)據(jù)構(gòu)建試驗區(qū)域地磁基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫快速訪問查詢等研究，構(gòu)建高精度地磁數(shù)據(jù)庫，滿足INS/地磁導(dǎo)航終端應(yīng)用需求。⑵開展無源導(dǎo)航匹配算法研究由于在實際過程中提取海洋重力場特征比較困難，加之海洋環(huán)境變化復(fù)雜，因此對重力匹配算法的魯棒性也提出了更高的要求。⒊多源信息融合技術(shù)由于水下導(dǎo)航環(huán)境十分復(fù)雜，水下導(dǎo)航一般來說需要采用多種傳感器來進(jìn)行相互協(xié)同工作。針對水下多傳感器信息融合技術(shù)，開展聯(lián)邦卡爾曼濾波的相關(guān)研究，聯(lián)邦卡爾曼濾波是一種分布式數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)。聯(lián)邦濾波器的一般結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。聯(lián)邦卡爾曼濾波的設(shè)計思想是先進(jìn)行分散處理，再進(jìn)行全局融合。圖5 聯(lián)邦卡爾曼濾波器的一般結(jié)構(gòu)四、結(jié)語本文針對近海條件下提出水下航行器的長航時導(dǎo)航方案，并指出絕對標(biāo)校是實現(xiàn)陸地-海面基準(zhǔn)向海底基準(zhǔn)傳遞的一個重要環(huán)節(jié)。此外建立長期的水下GPS系統(tǒng)是未來水下機(jī)動平臺實現(xiàn)全航程隱蔽航行的必要前提，具有重要戰(zhàn)略意義。針對深遠(yuǎn)海條件提出水下航行器長航時復(fù)合導(dǎo)航方案，提出了3種方式實現(xiàn)水下導(dǎo)航，即慣性/聲學(xué)組合導(dǎo)航、慣性/重力、磁無源導(dǎo)航、跨介質(zhì)平臺協(xié)同導(dǎo)航。此外還針對近海和深遠(yuǎn)海2種條件，對水下長航時導(dǎo)航方案關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，主要包括儀表與系統(tǒng)級誤差建模及補(bǔ)償；重力、磁場等無源導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)研究及多源信息融合技術(shù)，并指出誤差建模與補(bǔ)償技術(shù)研究是提高慣導(dǎo)和組合導(dǎo)航精度的關(guān)鍵所在。針對水下多傳感器信息融合技術(shù)，提出開展聯(lián)邦卡爾曼濾波相關(guān)研究的必要性。本文將為未來水下航行器的導(dǎo)航研究提供新的研究方向與解決途徑。【作者簡介】文/聶為彪 陳勇 錢治強(qiáng) 田曉宇 王兆杰 郭超，來自中國艦船研究院。第一作者聶為彪，男，1985年出生，博士，高級工程師，研究方向為水下航行器導(dǎo)航、控制與仿真。本文來自《艦船科學(xué)技術(shù)》（2021年增刊1），參考文獻(xiàn)略，用于學(xué)習(xí)與交流，版權(quán)歸作者及出版社共同擁有，由“溪流之海洋人生”微信公眾平編輯與整理。

   機(jī)載激光雷達(dá)測深系統(tǒng)的研發(fā)開始于20世紀(jì)60年代末期，其中以澳大利亞研制成功的WRELADS-1為代表，主要進(jìn)行了激光測深的機(jī)理研究，到了20世紀(jì)90年代瑞典研制的HAWEEYE系統(tǒng)標(biāo)志著機(jī)載激光雷達(dá)測繪近海海底地貌進(jìn)入實用化。機(jī)載激光雷達(dá)集成全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)和激光測距系統(tǒng)，通過各個子系統(tǒng)得到位置、姿態(tài)和距離信息來解算地物的空間位置。機(jī)載海洋激光雷達(dá)在海洋地形測繪中相對于傳統(tǒng)的人工測量加船載測量方式，可以克服對于淺水地區(qū)船只無法通行的困難，具有機(jī)動性高、測繪面積大、成本低等優(yōu)勢。因此機(jī)載海洋激光雷達(dá)測深在海洋淺海深度提取、海岸線調(diào)查、軍事偵查等調(diào)查具有重要地位。機(jī)載海洋激光雷達(dá)測深原理是從機(jī)載激光全回波波形中提取出海面回波和海底回波時刻，通過光速乘以時間計算出海水深度，因此如何正確提取海底回波時刻是機(jī)載激光雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)。為了提升機(jī)載海洋激光雷達(dá)的最大可探測深度，國產(chǎn)機(jī)載海洋激光雷達(dá)采用敏感度強(qiáng)的PMT裝置，用于放大強(qiáng)度低的深水回波信號，但同時也放大了噪聲。因此對于深水的回波波形，海底的微弱信號在回波波形上幅度小，而且容易被噪聲淹沒。常見的海底回波提取算法包括波峰檢測、解卷積、波形分解，且算法主要包括兩大步驟，初始參數(shù)確定和參數(shù)優(yōu)化。由于這些方法都對于單條波形進(jìn)行處理，參數(shù)的確定易受到噪聲的影響，進(jìn)而影響到下一步參數(shù)優(yōu)化，因此容易提取出錯誤的海底回波時刻，甚至提取不到海底回波。為此需要一種能夠有效從噪聲中提取出海底回波的處理方法。綜上，由于噪聲在空間上不具有相關(guān)性，而海底回波在空間上具有相關(guān)性，文中將波形按采集順序組合成二維的回波強(qiáng)度圖像，通過圖像處理方法，可以有效區(qū)分海底回波信號和噪聲部分，進(jìn)而提取出海底回波廓線，提升海底回波的提取能力。一、儀器與數(shù)據(jù)實驗采用的機(jī)載海洋激光雷達(dá)設(shè)備是中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研制的新型機(jī)載雙頻雷達(dá)測深系統(tǒng)(Mapper5000)，如圖1所示，實驗區(qū)域為中國海南省三亞市南海某海島附近海域。該系統(tǒng)具有海洋測繪和陸地測繪兩種模塊，海洋測繪模塊使用1064nm波長激光和532nm波長激光，其中1064nm波長激光探測器為APD，該回波信息用于記錄海表回波信號，532nm波長激光探測器為PMT，該回波信息用于提取海底回波信息。圖1  機(jī)載雙頻激光雷達(dá)Mapper5000系統(tǒng)海洋測繪模塊采用卵形掃描器和高速波形采集卡，可實現(xiàn)最大30°角，采樣間隔1ns的探測采集。為了能夠采集到不同海水深度的海底回波信號，海洋測繪模塊采用了分視場的接收光路設(shè)計，如圖2所示，總的視場角為40mrad，其中中間的6mrad視場作為淺水通道，6～40mrad的環(huán)形視場作為深水通道。對于深水通道削去了中間視場，可以避免海面和淺水區(qū)域的強(qiáng)回波信號，而隨著激光光束隨海水深度逐漸展寬，深水的海底回波信號將被環(huán)形視場接收。文中選取實驗數(shù)據(jù)為新型機(jī)載雙頻雷達(dá)測深系統(tǒng)的深水通道數(shù)據(jù)。圖2  分視場接收光路示意圖二、圖像處理流程和方法⒈拼接海水回波能量剖面圖新型機(jī)載雙頻雷達(dá)測深系統(tǒng)的全回波波形會因為激光器能量的抖動或是探測器響應(yīng)飽和使得回波波形能量基線值不同，如圖3(a)所示，因此為了增大信號和噪聲的對比度，避免在圖像上因為回波基線值不同導(dǎo)致后續(xù)圖像分割錯誤的情況，需要對單一回波進(jìn)行基值校正。文中選取每條波形最后100ns范圍內(nèi)的回波均值作為基線值，將回波減去基線值，完成基值校正，如圖3(b)所示。圖3  未校正基值波形之間對比和校正基值后波形之間對比。(a)未校正基值波形之間對比；(b)校正基值波形之間對比為了能夠拼接出連貫的海底回波波形廓線，選取新型機(jī)載雙頻雷達(dá)測深系統(tǒng)掃描電機(jī)編碼數(shù)相同的波形進(jìn)行拼接，保證圖像拼接列數(shù)方向為飛機(jī)飛行方向。將拼接圖像利用公式(1)進(jìn)行灰度歸一化：B＝(A?min(A))/(max(A)?min(A))   ⑴式中：A為輸入的原始圖像；B為歸一化后圖像。歸一化后拼接的海水回波能量剖面圖，如圖4所示。圖4  海水回波能量剖面圖圖中每一列代表一條回波波形，灰度值代表該點的回波能量，從上至下每一行代表一個采樣時刻，采樣時刻單位為ns。由圖4可見一條明顯的海底回波廓線，但在500行往下廓線逐漸消失，不再明顯，相應(yīng)波形如圖3中波形1所示。為了減小高回波能量對圖像灰度值顯示范圍的拉伸，截取圖像401～600行并通過公式(1)進(jìn)行歸一化，用于下一步的圖像處理，如圖5所示。圖像中可以較明顯的看到海底回波廓線，相對于圖3中波形1無明顯海底回波，初步驗證了圖像處理提取海水深度的可行性。圖5  401～600ns范圍的海水回波能量剖面圖⒉圖像預(yù)處理圖像預(yù)處理包括灰度化、高通濾波、對比度增強(qiáng)等。為了凸顯海底回波廓線區(qū)域，消除噪聲對后續(xù)海底回波廓線的影響需要對圖像進(jìn)行濾波處理。對于任意深度的海底回波信號能量應(yīng)當(dāng)與其相鄰的海底回波能量相似，因此選擇采樣雙邊濾波對圖像進(jìn)行平滑操作并突出海底回波廓線區(qū)域，雙邊濾波在高斯濾波考慮像素空間距離的基礎(chǔ)上還考慮了灰度的相似性，在消除噪聲的同時保持圖像的邊緣細(xì)節(jié)。雙邊濾波由公式(2)定義：空間域核和圖像像素域核可以視為二維高斯函數(shù)，δs為空間域核標(biāo)準(zhǔn)差，δγ為像素域核標(biāo)準(zhǔn)差。在圖像的平坦區(qū)域，圖像灰度值變換小，像素域權(quán)重約為1，此時空間域權(quán)重起主要作用，相當(dāng)于進(jìn)行高斯濾波。在圖像邊緣區(qū)域，空間小范圍內(nèi)灰度值劇烈變化，空間域權(quán)重約為1，此時像素域權(quán)重變大起主要作用，因而保持了邊緣信息。實驗表明，當(dāng)窗口大小取22，δs取5，δγ取0.7時濾波效果好，如圖6所示。圖6  經(jīng)過雙邊濾波后的海水回波能量剖面圖⒊海底回波廓線提取對經(jīng)過雙邊濾波后的海水回波能量剖面圖進(jìn)行海底回波廓線提取之前，需要對圖像進(jìn)行分割，將海底回波廓線區(qū)域和海水散射層回波信號區(qū)域分割開來。再單獨對感興趣的區(qū)域做進(jìn)一步的處理。常見的圖像分割方法可以分為基于閾值的分割方法、基于區(qū)域的分割方法和基于邊緣的分割方法等。文中選用基于閾值的分割方法中的Niblack方法。Niblack算法是一種常見的局部閾值二值化算法，局部閾值通過計算以像素點為中心，窗口大小范圍內(nèi)的灰度平均值和標(biāo)準(zhǔn)差得到，如果該像素值大于計算的局部閾值，視該像素點為前景，賦值為1，反之視為背景賦值為0，具體閾值計算公式見公式(6)：T(x,y)＝m(x,y)＋k×s(x,y),(x,y)∈S     ⑹式中：T是閾值；m是鄰域S中的均值；s是鄰域S中的方差；k是預(yù)先設(shè)定的修正值。由于局部閾值二值化算法能夠根據(jù)像素點所在位置不同，確定不同的二值化閾值，實施自適應(yīng)的二值化處理，因而對背景灰度變換較大，存在突發(fā)噪聲的圖像處理也有較好的效果。但Niblack對于邊界區(qū)域(r?1)/2內(nèi)的像素?zé)o法求取閾值，同時如果整個窗口內(nèi)的像素都為背景，通過Niblack計算后必有一部分像素被誤認(rèn)為前景。文中選取的Niblack局部閾值窗口大小為13，修正值為0.2，同時為防止海底廓線區(qū)域出現(xiàn)斷裂，用半徑為3的圓結(jié)構(gòu)對圖像進(jìn)行閉操作，處理后圖像見圖7(a)。圖7  (a)Niblack局部閾值化后的海水回波能量剖面圖；(b)分割目標(biāo)區(qū)域?qū)?yīng)海水回波能量圖中除了海底廓線區(qū)域外還存在較多錯誤提取的前景目標(biāo)，需要對分割的前景目標(biāo)做進(jìn)一步的判別以從分割區(qū)域中選擇出海底回波廓線區(qū)域。通過觀察分割目標(biāo)所在位置對應(yīng)的雙邊濾波后海水回波能量剖面圖，如圖7(b)所示，發(fā)現(xiàn)海底回波廓線區(qū)域灰度值普遍比背景區(qū)域大，因此統(tǒng)計經(jīng)過雙邊濾波后的圖像上相同位置區(qū)域的均值，找到均值最大的區(qū)域視為海底廓線區(qū)域，至此提取出海底回波廓線區(qū)域。對尋找到的海底回波廓線區(qū)域按列進(jìn)行處理，找到每一列第一個為目標(biāo)的索引值t1和最后一個為目標(biāo)的索引值t2，通過公式(7)計算該列的海底回波對應(yīng)時刻t為：t＝(t1＋t2)/2            ⑺繪制出海底回波廓線，如圖8所示。圖8  海底回波廓線三、圖像處理與波形處理結(jié)果對比    將圖5對應(yīng)數(shù)據(jù)通過傳統(tǒng)波形處理方法進(jìn)行處理，不進(jìn)行激光入射角度修正，比對文中方法與傳統(tǒng)波形處理方法所求401ns后的激光斜距，如圖9(a)所示。文中方法與傳統(tǒng)波形處理在海水斜距50m之前有很好的一致性，且圖像處理方法得到斜距與波形處理方法得到斜距相差如圖9(b)所示，兩者斜距的平均偏差為0.5148m，充分說明了文中方法的優(yōu)越性。圖9  (a)圖像處理方法與波形處理方法比對結(jié)果；(b)圖像處理斜距減去波形處理斜距后的差值繪制另外四組掃描電機(jī)編碼數(shù)不同的海水回波能量剖面圖，并處理得到相應(yīng)的海底回波廓線，如圖10所示，對應(yīng)四組圖像處理和波形處理比對結(jié)果如圖11所示，斜距差值如圖12所示。圖10  不同電機(jī)編碼數(shù)下的海底回波廓線圖11  對應(yīng)圖10區(qū)域圖像處理和波形處理比對結(jié)果圖12  對應(yīng)圖10區(qū)域圖像處理和波形處理斜距差值統(tǒng)計這四組數(shù)據(jù)通過圖像處理方法和波形處理方法探測到海底回波個數(shù)、最大探測斜距以及平均偏差見表1。表1  不同算法的探測海底回波個數(shù)和最大探測斜距    由表可見，文中方法與傳統(tǒng)波形處理方法的斜距平均偏差為0.4547m，文中圖像處理方法在探測海底回波個數(shù)和最大探測斜距上均優(yōu)于傳統(tǒng)波形處理方法，在圖10(d)區(qū)域的圖像處理海底回波提取率約是波形處理方法的三倍，在圖10(c)區(qū)域圖像處理方法相對傳統(tǒng)波形處理的最大探測斜距提升了約12m。四、結(jié)束語為了提升機(jī)載海洋激光雷達(dá)深水區(qū)域的海底回波提取能力，文中提出了基于圖像處理提取海水深度的算法，利用雙邊濾波消除噪聲，突出海底回波廓線區(qū)域，利用Niblack局部閾值二值化對圖像進(jìn)行分割，提取出海底回波廓線區(qū)域，有效提升了海底回波提取能力。文中方法與傳統(tǒng)波形處理方法的斜距平均偏差為0.4547m，且在深水區(qū)域，最大探測距離相較波形處理提升了12m。下一步，對圖像處理方法的參數(shù)選擇做進(jìn)一步研究，找到一種自適應(yīng)的濾波參數(shù)設(shè)置辦法，以避免在海底回波能量變化大的情況下將背景與前景混合的情況。在海水深度提取精度方面，將通過邊緣檢測的算法，擬合海底廓線，使其得到亞像素的海水深度精度。【作者簡介】文/黃宜帆 賀巖 胡善江 侯春鶴 朱小磊 李凱鵬 劉芳華 陳勇強(qiáng) 郭守川，分別來自中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所空間激光信息傳輸與探測技術(shù)重點實驗室和中國科學(xué)院大學(xué)材料與光電研究中心。第一作者黃宜帆，男，碩士生，主要從事激光雷達(dá)水下目標(biāo)探測方面研究；通訊作者賀巖，男，研究員，博士，主要從事機(jī)載海洋激光雷達(dá)和激光三維成像技術(shù)方面的研究。本文為基金項目，國家自然科學(xué)基金(41876105)、上海市科技創(chuàng)新行動計劃(20dz1206502)。文章來自《紅外與激光工程》（2021年第6期），參考文獻(xiàn)略，用于學(xué)習(xí)與交流，本文編發(fā)已取得作者同意。取自于“溪流之海洋人生”公眾平臺。