第七讲 侧扫声纳

侧扫声纳是探测海底地形地貌的重要工具,计算机技术的广泛应用极大地促进了侧扫声纳的发展.文章介绍了侧扫声纳的发展过程、典型应用、工作原理、声图成像特征及发展趋势.     

声透镜对多层样品的光声层析成像

由于光声效应产生光声压分布图像,所以当强散射介质中的模拟吸光组织在受到短脉冲激光照射时,该声压分布会经声透镜成像在像平面上。在像平面上利用线性超声探测器阵列获取光声信号并传递给高速数据采集卡进行数据采集,可由程序重构出光声图像。设计的光声层析成像系统可以采集记录一定深度的数据,成像时只要在所采集到的数据中选取不同列数即可同时获得强散射介质多层样品不同层面的光声图像。实验成功地获得了强散射介质内多层样品不同层面的光声层析图像。该成像方法无需进行复杂的算法重建,且可以同时实现多层样品不同切面的光声成像。     

扫描电镜图像去噪的研究与实现

扫描电镜能直观观察样品的表面结构,但其高分辨形貌成像图固有的噪声不利于图像分析。针对集成电路器件扫描电镜成像图的去噪声问题,采用了通过滑动条方式自适应设置图像二值化阈值,将数学形态学处理方法与图像二值化相结合,实现了对图像噪声的自动去除处理;同时还设计了通过手动勾勒图像中的多边形区域实现去除噪声的功能;为使图像达到更好的效果,系统还可允许针对自动去噪后的图像自行选择是否进行手动去噪,并设计实现了风格直观简洁,易于操作的交互式用户界面。对多幅集成电路器件扫描电镜成像图进行去噪声处理的结果和对去噪前后的图像进行无参考图像质量评价的数据表明,该方法有效地改善了扫描电镜图的信噪比,获得了突出前景等有用信息。     

大张角共焦换能器对振动声成像的影响*

振动声成像是超声成像的一种重要形式,它可以得到包含共焦区组织的弹性信息和声衰减信息的信号,将接收到的信号用于成像即可获得反映组织特性的图像。该文对大张角共焦换能器作用下振动声成像中声辐射力和切变位移进行了理论计算和数值模拟,并通过改变张角变化及频率大小研究其对声辐射力和切变位移的影响。这项工作为大张角共焦换能器在振动声成像中的应用提供了理论支持。     

利用k-Wave计算超声在腹壁组织的声辐射力

随着科学技术的发展,声辐射力在生物医学领域得到了更为广泛的应用,尤其是在弹性成像领域.为了使弹性成像技术更加精准,对声辐射力的预测至关重要.该文基于腹壁组织图像,利用k-Wave对超声波在腹壁组织区域传播时的声场进行数值模拟,获得了其声场分布,进而求得了组织中声辐射力分布情况,同时对面阵换能器的阵元宽度、间距、阵元个数...     

侧扫声纳图像实时增强技术

本文从声纳原理和测量实践出发，针对海底图像实时判读问题，首次将负反馈分析理论引入海底图像处理，论述了海底声纳图像快速增强处理方法，探讨了数据采集实时性、图像处理复杂性、外业环境干扰强等矛盾的解决方法，实现了实时多色调海底声纳图像快速增强显示，首次提出侧扫声纳图像镶嵌必须考虑增益因素。实验结果表明：海底图像满足野外环境下的声纳作业要求，声纳数据符合目标信号、系统增益控制和目标判读三个层面的要求。     

利用维纳滤波改善声透镜光声成像系统的分辨率

为了克服衍射效应对光声成像系统分辨率的限制,需要采用逆卷积方法进行图像反演.从理论上分析了声透镜成像原理,模拟仿真了声透镜的点扩展函数对声透镜成像系统分辨率的影响和维纳滤波解卷积方法复原光声成像的过程,并利用自搭建的声透镜光声成像系统进行了深入的实验研究,得到了物平面上相距4 mm和3 mm的两个黑胶带点的直接成像光声...     

基于统一建模语言的声纳显控软件设计

运用UML(统一建模语言)对声纳显控软件进行建模,以适应声纳显控软件越来越丰富的功能要求,构建了声纳显控软件系统的用例图模型、顺序图模型和类图模型。以拖曳式被动声纳为例,利用基于UML的软件模型进行软件开发,开发了一套声纳显控软件。     

自适应多光谱光声成像技术研究

光声成像技术是利用激光照射组织产生超声波成像的新型医学影像技术.在传统光声成像中,由于组织体内复杂的成分与环境会对入射光波产生较大的扰动而导致波前畸变、图像分辨率下降,从而降低诊断的准确性.为了克服这一影响,本文提出了一种自适应多光谱光声成像技术.该技术利用自适应光学技术可有效地降低组织对光波扰动的影响,提高系统成像分辨率与图像对比度.此外,该系统还融合了多光谱成像技术,可在多种波长下对目标成像,从而更好地进行组织结构识别、组分分析等.实验结果表明,该系统十分适用于复杂的生物组织光声成像,可极大地增强光声成像性能,在生物医学领域具有广阔的应用前景.     

声纳导流罩吸声障板声学特性的研究

本文研究内容属于舰艇声兼容性技术研究的一部分。应用声学软件SYSNOISE计算了,声纳定向发射时某试验用声纳导流罩及尾部吸声障板的声场特性,同时进行相同工况的水下模型试验。计算结果与试验结果吻合良好,说明应用声学软件对声纳声场进行计算是一种可行的方法,有可能推广至其他的水下模型的声场计算。结果数据反映了吸声障板对声纳定向发射时声场的影响,为舰艇总体声纳导流罩内吸声障板的结构设计、声兼容设计提供依据。     

基于消失点检测算法的束靶红外图像畸变校正

传统的霍夫变换、Cannylines直线检测算法、霍夫概率变换方法在图像上的直线检测效果不佳,存在检测线段不连续不正确的问题,因而,利用Sobel滤波对红外图像横轴和纵轴两个方向分别进行锐化,通过线段检测(LSD)算法实现线段特征检测,进而经线段聚类拟合获得图像中完整的直线,通过对直线交点计算获得消失点,最后依据透视关系计算得到校正图像。实验结果表明,该方法可以实现对中性束红外图像的自动有效校正。     

多子阵合成孔径声呐波数域算法不均匀采样问题研究

多子阵合成孔径声呐(SAS)方位向采样不均匀,因而单子阵波数域算法(ω-k)不能直接用于多子阵SAS图像重建。为此,提出两种改进ω-k算法的方法,使其可以应用于多子阵SAS图像重建。不均匀分离快速傅里叶变换(NSFFT)方法采用多子阵匀速直线运动的假设,将方位向不均匀采样的傅里叶变换分解为若干个均匀采样的傅里叶变换;不均匀快速傅里叶变换(NFFT)方法则直接快速计算方位向不均匀采样的傅里叶变换。文中对这两种方法进行了理论分析,并利用仿真数据和湖试数据对这两种方法进行了验证。成像结果表明两种方法均可用于多子阵SAS系统图像重建。NSFFT计算效率较高,但声呐基阵前进方向速度的不均匀性会对成像质量造成一定的影响;NFFT可以适用于任意速度的情况,但计算效率比NSFFT方法低。综合来看,两种方法各有特点,可以根据应用场景的不同进行选择。     

The measurement of the fragment emission angles in the reactions of <135 MeV/u C and O in tissue equivalent targets

Different stacks of tissue equivalent targets interleaved with CR-39 nuclear track detectors were irradiated with 135 MeV/u ¹²C and ¹⁶O ions. After track etching and measurement by an automatic image analysis system, a method of trajectory tracing was applied. The trajectories of particles were reconstructed using a pattern-matching method based on a comparison of relative track coordinates.

Fragmentation products have a lower charge and can be clearly distinguished by their smaller track sizes. The track positions within the individual trajectory are additionally fitted to a straight line, from which we can determine the direction of the traversing ion within a path of a few mm. We performed an angular distribution study of the fragments, which we compared to simulation results obtained by a simple particle emission model. For the fitted parameters the model showed agreement within the margins of error but failed to describe the energy dependence and thus should be further improved and upgraded.     

基于机器视觉的ROV水下管线自动跟踪方法

针对混浊水下管线检测过程中由于光学图像成像不清而难以实现自动跟踪的问题,提出一种基于机器视觉和声纳图像处理的水下管线自动跟踪方法。鉴于声纳图像噪声大的问题,该方法采用Gabor滤波器增强管线特征,然后通过二值化,以及Canny边缘提取管线轮廓,最后通过霍夫变换得到管线的几何特征。为了提高管线提取的效率,采用卡尔曼滤波对管线走向和位置进行预测。通过ROV实验,结果表明,该方法能够减少图像搜索的面积,减少处理时间,成功地提取出管线特征。该方法应用于混浊水下管线跟踪是可行的、有效的。     

室内环境中脑控轮椅的路径跟踪控制

为了实现室内环境中脑控轮椅的自主导航,提出了一种简单有效的路径跟踪控制方法。给定的路径通常被表示为一系列离散点,根据这一特点,提出了分段直线路径跟踪方法,即依次跟踪由前后两个路径点构成的直线路径到达目标点。基于预瞄点技术并结合模糊算法和传统的PID控制方法设计控制器,完成各分段直线路径的跟踪,并给出了有效的切换条件。实验结果表明,本文提出的路径跟踪控制方法能够使脑控轮椅在室内环境中精确地跟踪给定路径。     

纯方位目标运动分析的一种“检测前跟踪”技术

被动检测中,当目标信噪比较低时,传统的波束形成估计目标方向有较大的误差,为此我们提出一种改进的检测前跟踪技术,即直接对波束输出的方位-功率图序列做运动分析。对目标所有可能的运动路径进行时间积分,理论上与目标真实轨迹最靠近的路径将获得最大的功率累积量。本文结合纯方位目标运动分析的规律,以不降低检测性能为前提,开发了一种简化的路径搜索策略。在计算机仿真实验中,也证实了该简化搜索策略使得运算量至少降低了两个数量级。     

红外鱼眼系统下的多目标航迹起始方法研究

为了实现红外鱼眼系统下对多目标航迹进行起始,分析了红外鱼眼系统下目标在像面上的运动特点,提出了用于红外鱼眼系统的多目标航迹起始算法。算法采用逻辑法中的3/4逻辑,利用最大速度约束法去除各采样周期中大部分非相关量测点,用Hough变换方法确定可能航迹,用匀速约束对航迹进行确认。利用模拟目标对算法进行了实验和分析,结果表明,该算法与标准Hough变换法和逻辑法相比,航迹起始性能有了明显提高。当杂波个数为450个时,航迹起始虚警率仅为14%;对非断点航迹的成功起始时间为3帧,对断点航迹的成功起始时间为4帧,且在密集杂波环境下算法执行时间也较短。     

改进可变区域拟合模型的合成孔径声呐图像分割方法

为了自动且高精度地分割合成孔径声呐图像中的目标和阴影区域,提出一种核函数尺度自适应可变区域拟合(RSF)模型的分割方法。使用一种基于K-均值聚类的自动初始化方法对水平集进行初始化,减少了人为干预;提出改进的核函数尺度自适应RSF模型,其利用声呐成像中目标与阴影在沿扫测方向具有近似宽度的一般规律,自适应选择核函数尺度参数,使得对应目标和阴影的水平集函数能够同步演化,提高最终分割精度。通过对真实声呐图像的实验结果分析,验证了该方法能较为准确地实现目标和阴影区域的分割,具有一定的精确性和适应性。     

复杂地物条件下基于线特征的异源景象匹配

为了寻求应用于复杂地物条件下异源景象匹配的算法,使其满足尺度和旋转不变性,受视觉成像系统的启发,利用初始简图可以表征图像大部分信息的特点,提出了一种新的基于线段对的异源图像匹配算法。首先,提取并筛选图像中能够表征图像信息的线段;然后,利用线段自身信息及线段的相对位置关系构建线段对特征;接着,通过线段对之间的相似性对图像进行粗匹配;最后,利用线段之间的拓扑关系进行精匹配。实验表明,本文方法对具有旋转、缩放和平移变换的异源图像的匹配正确率达到了75%以上,运算时间是传统匹配算法的1/5左右,基本满足了异源景象匹配应用对算法实时性和准确性的要求。     

数字图像直线特征的亚像素位置检测

根据像素点的梯度方向和直线局部特性提出了一种新的亚像素直线特征检测方法。图像中具有相同方向的直线上的点具有相近的梯度方向。因此首先根据边缘点的梯度方向把它们划分为不同的点集;然后在同一点集中扫描得到组成每一直线各自的像素点;再然后根据直线上局部小邻域内像素灰度分布特性,在直线上边缘点的3×3邻域内得到其中的线段解析表达式;最后通过判断在小邻域内所得线段和由边缘点拟合得到直线的位置关系,在线段上得到亚像素精度的拟合点,进一步拟合得到高精度的直线特征位置。实验表明,这种方法的定位精度可以超过0.05像素,角度定位精度超过0 02°,并且具有较好的实时性。