English | 武汉大学 | 院长信箱
点击展开菜单

学术交流

学术前沿
当前位置: > 科学研究 > 学术交流 > 学术前沿 >

邢阳阳:水下目标探测与跟踪关键技术研究

时间:2019-07-03 来源:科学技术创新 点击:
一、概 

海洋科技是海洋开发过程中的第一生产力,也是挖掘海洋经济的重要手段,海洋高新技术是全球学者公认的新科技革命中最重要的领域之一,海洋科技的涵盖面极广,包含多种学科和多种技术,例如海洋学科包括海洋基础科学、海洋物理科学、海洋化学科学、海底地质学、海洋气候学和海洋生物学等;与海洋有关的技术包括海洋测量、海洋水声、海洋能源开发、海洋运输和海洋结构等等;我们知道海洋科技发展程度的高低,不仅仅体现了一个国家的科技、经济和社会的发展程度,还体现了国家的综合国力,本文进行水下目标探测和跟踪问题的研究正是在此背景下展开的。

水下目标的探测和跟踪由于同时具有商业和军事上的重要价值而被越来越多的专家学者以及生产技术人员重视,水下目标的探测和跟踪是未来发展海下微小无人探测器的重要基础和前提。对于水下探测器来说,视觉系统具有极高的地位和作用,视觉系统可以说就是水下探测器的眼耳,通过视觉系统,水下探测器能够对水下环境信息进行快速收集和分析,根据分析结果为其在水下的运动和作业提供相应的指导。在特定的水环境中,例如在海洋环境中,声波传递是唯一可以进行远距离信息传送的方法,因此要想对海洋环境进行充分的开发和利用就必须对水下目标探测技术以及水下目标跟踪技术进行研究。

基于此,本文首先对水下目标探测的声成像技术进行了介绍,包括海洋水声环境,声、视觉系统,声纳成像技术和水声图像处理技术;接着重点研究了水下目标探测与跟踪技术,包括运动目标检测技术,运动目标跟踪技术和水下目标的识别与跟踪等,希望通过本文的研究,能够让读者对水下目标探测与跟踪的关键技术有一个总体的了解,并为我国水下探测事业贡献应有的力量。

二、声成像技术

⒈海洋水声环境

在水中进行远程传输的最佳媒体就是声波,因此水声技术是进行水中探测和水中通讯最常用的技术手段之一,虽然近年来水声技术得到了迅速的发展和进步,但受限于海洋水声环境的复杂性,人类对水中声波技术的认识和了解仍逗留于表层,其内部潜力还远远没有得到充分的发挥。通常来说,无损的均匀介质被公认为是最理想的声音传输信道,声音在其中能够顺利的传输避免发生任何畸变。但是在海洋中,尤其是浅海海域,水中具有十分复杂的变化特征,对在其中传播的声音产生了巨大的影响。

⒉声视觉系统

通过对海洋进行长期的研究和探索,人来逐渐意识到声波是在海洋中唯一一种可以进行长距离信息传输的媒体,因此人类如果想要探测、识别、定位、跟踪海洋中的物体,就必须具有功能强大的水声探测系统。其中成像声纳是水下探测系统的主要传感设备,其主要作用是对周围出现的目标物体进行识别、定位和成像,类似于人类的视觉感官系统,我们称之为声视觉系统,声视觉系统在水下目标探测中起着不可或缺的作用。良好的声视觉系统应该具备以下特点:灵敏度高、抗干扰能力强,隐蔽性好,另外该系统应该能够在脱离人为干预情况下根据实际海洋情况和探测情况对系统的参数加以调节,自主的完成数据获取、分析和跟踪等工作。

⒊声纳成像技术

随着海洋探测工作的日益完善和深入,海洋水下探测技术也越来越受到人们的广泛关注,其中声纳成像技术作为海洋探测的一个重要组成部分,在很多重要场合中发挥着不可替代的作用。举例来说,近距离高分辨成像技术能够帮助人类对水下物体的表面情况进行全面的了解。虽然在近距离内一些光学设备的成像更为直观,但光学成像技术会受到多种因素的影响,甚至如果遇到复杂的水下环境光学成像技术会不能正常使用,相比而言,声纳成像技术在水下具有更大的优势。近年来,声纳成像技术得到了飞速发展,其中侧扫声纳系统和扇扫声纳系统是发展比较成熟,应用面比较广泛的声纳系统。其中侧扫声纳是一种高频拖曳声纳,它一般被安装在水下拖曳体的两侧,侧扫声纳的工作频率较高,解像度相对较强,能够清晰的反映出海底的地形地貌以及海底的沉船飞机残骸等,自上世纪六十年代以来,侧扫声纳系统就在海底目标探测、海底测绘和海底探索、海洋资源开发等领域得到了广泛的应用。相对于侧扫声纳来说,扇扫声纳开发的时间较靠后,但扇扫声纳的发展速度极快,目前被广泛的应用于水下定位和水下避障工作中。

⒋水声图像处理技术

与光学图像一样,声纳图像在本质上也是物体能量的平面和空间分布图,但是由于水声信道的复杂性以及海水的多变性使得水声图像与光学图像也存在着大量的不同。在早期人们主要通过传统的光学成像技术对水声图像进行分析和总结,近年来随着计算机技术的发展,数字图像处理方法逐渐走进了人们的视野,借助于数字图像处理技术,水声图像的发展也进入了崭新的阶段,水声图像处理技术的研究方向主要包括:⑴图像效果的增强,即改善图像的成像效果,减弱对图像产生的相关干扰,对图像中的有用信息加以扩大;⑵图像效果恢复,即把原本模糊的图像进行还原;⑶图像的编码,即对图像进行简化表示,压缩表示数据后进行储存和传递;⑷图像的重建,即将原本的二维图像建设成三维图像。

三、水下目标探测与跟踪技术

⒈运动目标检测技术

 
 

⑴光流法。光流法是传统的运动目标探测方法之一。其检测原理是当物体发生移动时,在图像上该物体的亮度模式也在进行运动,因此可以称为光流法。光流法主要是通过对向量光流场的位移进行计算进而对目标体的轮廓进行初始化,使人们能够有效的跟踪和检测目标物体。采用光流法对运动目标进行检测的主要优点是目标在帧间运动的限制较少,主要缺点是该种方法计算相对复杂,且不具备良好的抗噪性。要想获得准确的检测数据需要有强大的硬件条件进行支持。

 
 

⑵帧间差分法。帧间差分法是监测相邻两帧之间图像变化的最直接的方法,它对两帧图像的像素点的灰度进行比较,通过计算阈值对序列图像中的运动区域进行检测。帧间差分检测法的缺点是它不能提取出全部相关特征的像素点,因此这种方法检测出的物体位置准确度相对较低,尤其是如果物体运动速度很快时会极大程度的影响运动目标位置的准确度。

 
 

⑶背景消减法。背景消减法也是一种常用的水下运动目标检测方法,它将当前帧图像与储存的或者实时得到的背景图像相减,通过对差分图像中像素值进行判断进而推断出像素点运动目标的范围、背景消减法操作较简单,检测的位置准确且效率较高,但这种方法也存在一定的缺点,因为它对光线天气的要求较高,一旦光线出现明显变化,检测结果会形成巨大的误差,另外如果运动目标自身存在阴影也经常被误认为是运动目标的一部分,会对检测结果造成影响。因此这种方法对于摄像头存在运动或者背景灰度变化程度大的情况检测意义不大。

⒉运动目标跟踪技术

对运动目标进行跟踪时,需要对目标的特征进行选择并且保证所选择的特征能够将目标物体与周围背景进行明显的区分,因此对运动目标进行跟踪的主要任务就是选择适当合理的目标特征并找到适用的搜索算法。现阶段水下跟踪技术最常用搜索算法包括绝对平衡搜索法和归一化相关法。在运动目标跟踪过程中要进行严格的特征匹配,其中最为直观的做法就是在下一帧图像中找到与目标图像相似度最大的目标位置,但是这种算法的搜索量巨大耗时较多,因此滤波器被应用在预测目标出现位置工作中,通过滤波器的预测,可以很大程度的缩小搜索范围,进行目标定位时,只需要在划定的领域范围内进行目标相似性检测即可。

⒊水下目标的识别与跟踪

水下目标的识别通俗来讲就是通过对水下水声信号进行判别,分析出水下物体的特性并进行识别的技术。例如可以识别水下的船体、鱼群和海底地貌地形等。水下目标的识别可以分为瞬态回波信号识别和水声图像信号识别,其中瞬态回波信号识别是对运动的物体的识别,与语音识别较为相似,而水声图像信号识别则多应用于识别静态物体。水下目标的识别和跟踪是通过对图像的序列进行研究,从复杂的背景中找到运动目标,运用相应的方法对目标的运动规律进行总结和预测进而达到对目标物体进行准确跟踪的目的。因此想要跟踪水下物体就必须对应和套准多个目标不同时刻的声纳图像,跟据目标瞄准点进行精准跟踪。

【作者简介】/邢阳阳,来自中国人民解放军91439 部队;文章来自《科学技术创新》(2019年第14期),参考文献略,转载自“溪流之海洋人生”微信公众平台。