第二讲合成孔径声纳成像及其研究进展

文章在介绍了图像声纳的特点、合成孔径声纳（synthetic aperture sonar,SAS）产生背景和发展过程的基础上,对合成孔径声纳的原理、技术难点、成像算法等问题进行了讨论.着重分析了合成孔径声纳成像过程中高分辨率的获取方法、水声信道对成像的影响、多子阵技术及其成像算法、稳定的声纳运动平台和运动监测问题、运动补偿与自聚焦方法等.文章还给出了国内外合成孔径声纳研究的最新进展情况,进而展望了合成孔径声纳的应用前景.     

基于混合能量模型水平集的合成孔径声纳图像分割方法

本文讨论了合成孔径声纳图像分割问题。首先介绍了Chan-Vese模型水平集方法,针对该模型存在的边界定位和重复初始化等问题,提出了一种改进的水平集方法。该方法的能量模型由区域信息项、边界信息项和距离约束函数构成的内部能量项三部分混合形成,既兼顾了全局优化特性和局部定位精度,又避免了水平集函数重复初始化,提高了运算效率。实验结果表明,该模型对于噪声干扰严重、边缘模糊的合成孔径声纳图像分割效果良好。     

多维波形编码合成孔径声呐技术研究

为了提高测绘效率,提出了两种基于多维波形编码技术的高分辨率宽测绘带合成孔径成像声呐体制,包括使用多发射阵的频分多输入多输出成像方式和方位向波形编码序列的成像方式,并论述了相应的成像处理流程。最后根据高速平台下的成像需求,设计了一种频分双发多收的合成孔径声呐系统,它可以将原有的单发多收系统的测绘效率提高一倍。考虑到水声信号的随机起伏性,利用已有的单发多收系统的实测数据,对多维波形编码技术在水声领域的可行性进行了实际验证。成像结果表明,经水底散射后的相邻频带的回波信号的空间相关性可以满足双发多收体制的合成孔径声呐的成像要求。      

一种声图直航段数据自动提取及镶嵌的方法

声图镶嵌是利用成像声纳获得声图进行测深、水下地形地貌测绘的重要应用方向。常见的成像声纳多要求声纳载体做直线运动,而实际应用中载体有大量转弯的情况。为此提出了一种声图直航段数据自动提取方法,该方法首先利用Douglas-Peucker算法对声纳航迹进行抽稀处理,之后利用相邻抽稀点之间的距离判断数据是否为直航段,最后将直航段图像提取出来。获得直航段数据后,利用地理信息对声图进行镶嵌处理。对千岛湖湖底地貌图像进行了处理,获得了较好的镶嵌结果。     

非对称光斑照明合成孔径激光雷达宽测绘带成像研究EI北大核心CSCD

合成孔径激光雷达(SAL)能实现远距离目标的高分辨成像,但是,其测绘带宽一般很小,不利于其在对地观测中的应用。针对这一问题,给出了宽测绘带SAL实际成像范围的建议,具体研究了采用方位向短、距离向长的非对称光斑照明实现宽测绘带SAL的成像处理问题。采用波动光学衍射理论,给出了这种宽测绘带SAL的详细成像理论描述和数学仿真成像演示。结果表明,由于光学的短波长特性,非对称光斑照明的宽测绘带SAL也近似遵循基本SAL图像形成方法:傅里叶变换实现距离压缩,匹配滤波实现方位图像聚焦。     

非对称光斑照明合成孔径激光雷达宽测绘带成像研究

合成孔径激光雷达(SAL)能实现远距离目标的高分辨成像,但是,其测绘带宽一般很小,不利于其在对地观测中的应用。针对这一问题,给出了宽测绘带SAL实际成像范围的建议,具体研究了采用方位向短、距离向长的非对称光斑照明实现宽测绘带SAL的成像处理问题。采用波动光学衍射理论,给出了这种宽测绘带SAL的详细成像理论描述和数学仿真成像演示。结果表明,由于光学的短波长特性,非对称光斑照明的宽测绘带SAL也近似遵循基本SAL图像形成方法:傅里叶变换实现距离压缩,匹配滤波实现方位图像聚焦。     

一种适用于大测绘带合成孔径声呐的运动补偿方法

当合成孔径声呐测绘带较大时,运动误差的空变效应严重,经典的相位中心重叠算法难以适用。为此,提出了一种适用于大测绘带合成孔径声呐的运动补偿方法。首先使用混合调制的拉格朗日时延估计算法对前后两帧回波的时延进行估计,之后使用线性回归方法拟合出运动误差,最后利用运动误差的估计值对回波进行逐点精确补偿。仿真数据的结果表明,该算法能够获得比相位中心重叠算法更好的运动估计结果,运动补偿后成像分辨率接近理论分辨率。使用该算法分别对高、低频合成孔径声呐的湖试数据进行了处理,水下地貌和小目标的成像质量均有明显提高。      

基于快速小波分形插值的声纳图像缩放算法

本文讨论主动图像声纳的图像结果显示问题,主要介绍一种基于快速小波分形插值的实时声纳图像缩放算法。并通过对合成孔径声纳图像数据进行算法比较,发现此算法比通用的图像插值算法,如双线性插值和双三次样条插值等,具有更好的性能。由于可以分块并行实现,因此本算法易于应用于实时图像声纳工程中。     

一种基于多普勒频移的被动合成孔径声纳探测方法*

由于自主小平台声纳孔径有限,对声纳探测的分辨率的提高有所限制。小平台的机动可以有效的与声纳探测方法相结合来提高声纳探测性能。针对这一特点,提出一种基于多普勒频移技术的被动合成孔径声纳探测方法。该方法根据自主小平台的机动所引起声纳的接收信号多普勒频移的变化,进行目标的频率与方位联合估计。本文将自主小平台的机动引入到波束形成技术当中形成一种新的被动合成孔径技术。数值仿真表明,该方法可以有效的进行目标方位估计,并且获得较高的方位分辨率,改善了自主小平台的探测性能。     

合成孔径激光成像雷达中非线性啁啾逐一扫描滤波校正算法的仿真与分析

合成孔径激光成像雷达中啁啾激光光源的非线性会严重影响距离向的成像聚焦.基于参考通道非线性测量和相移计算进行目标通道啁啾非线性补偿的概念,提出了一种对目标物点反射信号逐一滤波和校正的方法.建立了该方法从外差探测到距离向成像的一般性数学流程.以星载合成孔径激光成像雷达为模型,进行了计算机仿真,研究了滤波器宽度、非线性大小对距离向压缩脉宽的影响,通过分析得到了合适的滤波器宽度,验证了本方法的可行性.     

特效电影工程中混合分辨率阴影图设计与硬阴影反走样

在实时的虚拟场景渲染中,为减少阴影图算法由分辨率不足导致的阴影走样,提出了利用并行线性扫描的混合分辨率阴影图算法。首先,从光源视角生成高分辨率阴影图,利用并行线性扫描算法对深度均值差进行计算和分析,自底向上的合并纹素,建立纹素之间的索引关系并讨论混合分辨率阴影图的存储。在渲染阶段,利用混合分辨率阴影图进行深度测试,绘制实时的反走样阴影。实验表明,与标准阴影图相比,混合分辨率阴影图能提高20%以上的重要区域分辨率,明显改善阴影边界锯齿走样,使Dragon等模型的计算时间减少9%~18%。经实际应用验证,混合分辨率阴影图是一种有效的实时阴影绘制算法,可有效减少阴影图算法的走样。     

Parallel and serial generated patterned DLC surfaces for creating three-dimensional polymeric stamp structures

This study demonstrates pattern generation on a highly durable and flat diamond-like-carbon (DLC) film with micro/nano-scale resolution using the Atomic Force Microscope (AFM). Parallel processing (masked lithography) and serial local probe processing (maskless lithography) have both been utilized to produce a range of structure shapes at different length scales. The AFM is operated in the electrical conductivity mode which induces oxidation on the DLC surface. The technique offers features with structure depths as small as 20 nm (serial processing) and pattern replication of many centimeters (parallel processing). Moreover parallel processed structures may be further modified via serial patterning using the same instrumentation. As a result, complex shapes can be produced with a depth being controlled by the DLC film thickness and/or by the bias voltage parameters. The patterned DLC structures can be used as a template for fabrication of 3 dimensional polymeric structures.     

声光偏转效应载频测量的方法研究

针对现代载频测量对信号的实时捕获、频率带宽和分辨率的要求,提出了一种利用声光偏转效应的相干光信号处理方法。从理论上对声光效应的Bragg衍射机理和条件进行了描述,分析了随机载频信号捕获、带宽特性和频率分辨率与声光偏转的关系,给出了系统的构成原理和测试方法。通过实验测试和计算机仿真,证明了声光偏转技术能很好地解决并行随机载频信号和频率分辨率的问题,系统性能和信号的实时处理效果得到了明显的改善,带宽达到了300MHz,频率分辨率优于1MHz。这种方法对随机信号载频的跟踪和测量精度优势突出,可应用于雷达信号探测和光电对抗。     

基于嵌入式GPU的红外弱小目标检测算法

红外弱小目标的目标像素少，目标对比度低，成像帧率高，图像数据量大，检测实时性强。针对红外弱小目标检测算法适合于GPU并行计算的特点，对其在嵌入式GPU平台Jetson TX2上进行了并行优化实现。在检测算法设计、内存访问、调试优化3个方面进行了优化设计。实验结果表明，对640×480像素分辨率的红外视频，并行优化后的目标检测算法能够在10 ms内完成计算，满足实时处理需求。     

基于结构光的植保无人机障碍物在线检测系统

为了确保植保无人机在飞行作业过程中的安全,要求植保无人机具有自动避障能力,为此提出了基于结构光视觉的障碍物检测方法。为提高障碍物检测的实时性,重点研究了基于嵌入式平台的植保无人机障碍物检测系统,通过将障碍物图像处理算法的并行计算映射到GPU硬件资源上完成,大大提高了算法的运行效率。实验表明,在保证障碍物轮廓线完整的前提下,通过对比CPU和CPU-GPU实现处理算法,障碍物检测系统获得了约46.15的加速比,采集及处理时间约为48.985 ms。该系统具有处理效果明显与实时性好等优点,为植保无人机的实时障碍物检测和进一步实现自动避障奠定了基础。     

基于NI FlexRIO的图像实时采集及处理系统

为了解决视觉测量中图像的实时采集及处理问题,以NI FlexRIO为基础,采用虚拟仪器技术,利用LabVIEW图形化开发平台,并结合相关技术知识,如乒乓操作、流水线技术等,研制了一套图像实时采集及处理系统。该系统并行地实时地实现了图像的采集、存储及处理,在图像分辨率为1 2801 024、采集速率为500 f/s的情况下,系统工作稳定,图像处理速度小于2 ms,并且处理精度达到了亚像素级。该系统对于实现视觉测量的实时性具有重要意义,并且其良好的性能使其在其他相关领域也具有很高的实用价值。     

并联谐振变换器式电容器充电电源

针对采用串联谐振变换器电容器充电电源的不足,通过分析、改进并联谐振变换器拓扑,研制了基于并联谐振全桥变换器研制的10 kJ/s,100 kV电容器充电电源,变换器开关采用脉冲宽度调制技术,开关频率达40 kHz,电源的反馈控制电路基于数字信号处理全数字控制器。并给出了充电电源及主要部件高频高压变压器的设计注意事项、经验及实验结果。     

基于嵌入式GPU的运动目标分割算法并行优化

在光电监视系统中,广泛应用于运动目标分割的PBAS(pixel base adaptive segmenter)算法计算复杂、参数量大,难以达到实时分割的要求。针对PBAS算法是对图像中每个像素点进行独立处理,特别适合于GPU并行加速的特点,对其在嵌入式GPU平台Jetson TX2上进行了并行优化实现。在数据存储结构、共享内存使用、随机数产生机制3个方面对该算法进行了优化设计。实验结果表明,对于480×320像素分辨率的中波红外视频序列,该并行优化方法可以达到132 fps的处理速度,满足了实时处理的要求。     

利用全光纤干涉解调技术的光纤光栅复用传感系统

提出了一种用于光纤光栅传感波长检测的新方法。系统采用全光纤Mach Zehnder干涉仪,运用动态的自参考相位检测方式,结合微机实时处理技术,实现了对三点复用传感器的高分辨率(0.99pm)解调,单点测量范围达3.32nm。系统结构简单、成本低,可以同时检测静态和低频动态信号。