水下目標搜索與識別技術(shù)

水下目的搜索與辨認技術(shù)水下目的搜索與辨認系統(tǒng)一般分為光視覺系統(tǒng)和聲視覺系統(tǒng)，當距離物體十米以內(nèi)，一般采用光視覺系統(tǒng)，當距離物體大于十米以上時則用聲視覺系統(tǒng)。當前流行的趨勢是采用激光的方式來進行目的搜索與辨認。光視覺系統(tǒng)傳統(tǒng)的光視覺系統(tǒng)涉及水下攝像機、照明等設(shè)備用來滿足獲取光學圖像和視頻信息等基本的規(guī)定。而現(xiàn)在的光視覺系統(tǒng)不僅規(guī)定滿足上述規(guī)定，還規(guī)定具有對圖像和視頻信息進行解決、特性提取以及分類辨認的功能?？傊?，只能水下機器人中光視覺系統(tǒng)的使命是：快速、準確德獲取水下目的的相關(guān)信息，并對信息進行實時解決，將解決結(jié)果反饋給計算機，從而指導機器人進行對的的作業(yè)。1.光視覺系統(tǒng)框架水下光視覺系統(tǒng)重要分為三大塊：（1）底層模塊:圖像采集系統(tǒng)，涉及專用水下CCD感光攝像頭和圖像采集卡，這部分屬于硬件部分；（2）中層模塊：圖像解決，涉及圖像預(yù)解決、圖像分割、特性提取、根據(jù)目的模型進行學習，形成知識庫和邏輯推理機制，得到單幅圖像的初步理解和評價。（3）高層模塊：分類是水下目的記別最為核心的技術(shù)，也是最終實現(xiàn)部分。1.1硬件組成光視覺系統(tǒng)硬件涉及光視覺計算機、水下CCD攝像頭、云臺和輔助照明燈。光視覺計算機完畢視覺建模、高層視覺信息解決和理解、與機器人主控計算機的網(wǎng)絡(luò)通訊，實時監(jiān)控系統(tǒng)每個時間節(jié)拍的運營狀態(tài)與解決參數(shù)。1.2軟件體系水下光視覺系統(tǒng)的軟件體系涵蓋了兩個部分：中層模塊和高層模塊。中層模塊重要負責圖像解決工作（圖像解決一般涉及圖像預(yù)解決、圖像分割和特性提取三方面）。高層模塊是水下目的記別系統(tǒng)的最終實現(xiàn)部分，一般采用的是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨認算法進行辨認分類。聲視覺系統(tǒng)抱負的聲視覺系統(tǒng)作為智能水下機器人的傳感設(shè)備，應(yīng)當具有靈敏度高、空間分辨率高、隱蔽性好、抗干擾能力強、自主調(diào)節(jié)和全天候作業(yè)等特點，能適合探測弱目的和鑒別多目的的需要。同時它能在比較復(fù)雜的人為干擾和自然干擾下，實現(xiàn)對目的的自動辨認和跟蹤選擇。聲視覺系統(tǒng)最終要完畢的任務(wù)是目的的自動定位、分類辨認以及對運動目的實現(xiàn)跟蹤，而完畢這一任務(wù)的核心和前提條件是擁有一臺高分辨率水聲探測設(shè)備。目前較常用的是多波束聲納系統(tǒng)。2.1聲納成像技術(shù)隨著科學技術(shù)的進步，聲納技術(shù)得到了突飛猛進的發(fā)展。成像聲納的發(fā)展速度也不久，已有了接近光學質(zhì)量的聲全息成像實驗系統(tǒng)、聲透鏡成像系統(tǒng)等。盡管這些成像系統(tǒng)的聲成像質(zhì)量較好，但實用性較差。目前技術(shù)比較成熟、使用也較多的成像聲納為側(cè)掃聲納和扇掃聲納（前視聲納）。側(cè)掃聲納是探測海洋的重要工具之一。側(cè)掃聲納為一高頻拖曳聲納，其換能器陣一般安裝在水下拖曳體的兩側(cè)。由母船拖曳在距海底15米左右的距離上工作，波束探測方向與艦體行進方向垂直。由于工作頻率高，因而具有較高的解像度，可對海底地形地貌及淹沒船只、飛機的殘骸進行清楚的解讀。扇掃聲納的研究開展較晚，但發(fā)展不久，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于探雷、定位、避障等水下作業(yè)中。目前國際上己經(jīng)用在水下機器人上的扇掃聲納重要分三大類：（1）單波束機械掃描聲納：它由機械旋轉(zhuǎn)的單波束形成全方位或某固定扇面內(nèi)的掃描來完畢探測。結(jié)構(gòu)簡樸，價格便宜，但成像速率較低；（2）多波束預(yù)成電子掃描聲納：具有較高的成像速度，但由于旁瓣的作用，圖像質(zhì)量略遜于單波束機械掃描聲納。（3）三維成像聲納：它可以獲得距離、水平、垂直三維空間的目的信息。前兩類聲納都只在距離和角度方向具有分辨能力，因而僅能獲得目的的二維信息。2.2水聲圖像解決技術(shù)隨著聲納技術(shù)成像和數(shù)字成像技術(shù)的發(fā)展，水聲圖像解決的研究也隨之進入了新的階段。其重要研究方向涉及：（1）圖像的增強：改善圖像的視覺效果，加強圖像的有用信息，削弱干擾和噪聲；（2）圖像的恢復(fù)：把退化模糊的圖像復(fù)原；⑶圖像的編碼：簡化圖像的表達，壓縮表達圖像的數(shù)據(jù)，以便于存儲和傳輸。⑷圖像的重建：由二維圖像重建三維圖像；（5）圖像的分析：對圖像中的不同對象進行分割分類辨認和描述解釋等。此外，聲納圖像自身分辨率不高，噪聲嚴重，也給水下目的探測帶來了很大的困難。因此在實際應(yīng)用中，我們有必要尋找到適合水聲圖像物理背景的解決方法。近年來，國內(nèi)外陸續(xù)開展了成像聲納的研制和水聲圖像解決的研究工作。水聲圖像解決的研究重要集中在側(cè)掃聲納和扇掃聲納的單幀圖像解決和序列圖像解決方面。（1）側(cè)掃聲納圖像解決隨著多波束高分辨率側(cè)掃聲納技術(shù)的日趨成熟，國外己有側(cè)掃聲納方面的產(chǎn)品問世。目前側(cè)掃聲納圖像解決應(yīng)用的技術(shù)有陰影技術(shù)、紋理分析技術(shù)、數(shù)學形態(tài)學方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類技術(shù)等。扇掃聲納圖像解決隨著聲納技術(shù)和信號解決技術(shù)的發(fā)展，扇掃聲納從初期的單波束機械掃描聲納發(fā)展到目前的預(yù)成多波束電子掃描聲納。這提高了成像速度和分辨率。目前己有扇掃聲納方面的產(chǎn)品問世，如SeaBat6012等。扇掃聲納圖像的預(yù)解決通常采用光學圖像解決技術(shù)，圖像辨認采用的方法有基于模板的投票法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類技術(shù)和模板匹配技術(shù)等。聲納序列圖像解決與光學圖像相比，聲納圖像分辨率低，干擾強，僅憑一幅靜止的圖像往往很難準確地辨認目的。時間序列圖像較單幀圖像能提供更多的信息，將更有助于目的的辨認。因此，近年來人們開始把研究重點轉(zhuǎn)移到了序列圖像的解決方面。2.3水下目的記別與跟蹤水下目的記別技術(shù)就是從水聲信號中提取水下目的特性并對目的進行分類辨認的技術(shù)。水下目的涉及艦船、潛艇、水雷、魚群、海底沉物、地貌底質(zhì)等。水下目的記別一般規(guī)定回波信號符合大信噪比條件，分為瞬態(tài)回波信號辨認和水聲圖像信號辨認兩種。前者用于辨認航行艦艇，直接能對目的回波或目的噪聲信號進行實時辨別，類似語音辨認;后者多用于靜態(tài)目的如海底沉船水雷和地層介質(zhì)結(jié)構(gòu)等辨認。兩者都是屬于目的記別范疇，因此都要通過特性提取、分類判決等幾個過程。其中關(guān)鍵的是目的聲特性的描述和提取方法，它長期以來一直是水下目的特性研究的重點。初期的目的記別重要根據(jù)目的噪聲或回波的波形音調(diào)、節(jié)奏分布特性。20世紀70年代后，目的回波的亮點分布結(jié)構(gòu)起伏和展寬特性以及目的噪聲的線譜分布特性均可作為目的的特性量。但由于目的自身以及聲傳輸信道的復(fù)雜性，目的特性量及其數(shù)量的選取問題還始終是有待解決的間題。80年代以來，目的記別技術(shù)廣泛引入了近代信號解決技術(shù)，如高分辨譜估計、自適應(yīng)濾波、時頻分布、子波變換等，為目的特性量提取和數(shù)據(jù)壓縮提供了方便，并且更接近于人類生理功能的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析將目的記別過程進一步智能化。由于目前預(yù)成多波束高頻聲納及高分辨率成像聲納的發(fā)展，使得用于水下目的自動辨認系統(tǒng)的目的特性信息的提取技術(shù)得到發(fā)展，對聲納圖像的自動解釋一般可分為三個環(huán)節(jié)：圖像解決、特性提取及目的記別。為了適應(yīng)水下機器人自動化的規(guī)定，水聲圖像的自動解釋和目的檢測顯得尤為重要。目的的檢測與跟蹤是基于對一個圖像序列的研究，力圖從復(fù)雜的背景中檢測甚至辨認出運動目的，并且對目的運動的規(guī)律加以預(yù)測，實現(xiàn)對指定的目的進行準確且連續(xù)的跟蹤。水下目的檢測是實現(xiàn)水下機器人的避碰作業(yè)和目的跟蹤作業(yè)的前提。而要完畢水下目的的跟蹤，則必須把不同時刻的聲納圖像中的多個目的進行相應(yīng)和套準，然后根據(jù)目的瞄準點進行跟蹤，對目的進行運動估計。水下激光目的探測1963年，人們在研究光波在海洋中的傳播特性時，發(fā)現(xiàn)海水對0.47~O.58nm波段內(nèi)的藍綠激光的衰減比對其他波段的衰減要小得多，從而證實了在海水中存在一個抱負的透光窗。這一物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)使激光水下探測成為也許。3.1水下成像技術(shù)光在水中傳播.接受器接受的光信息重要由3部分組成：從目的反射回來并經(jīng)水介質(zhì)吸取、散射損耗后的成像光束：光源與目的之間水介質(zhì)散射的影響圖像對比度的后向散射光：目的與接受器之間水介質(zhì)散射較小角度并直接影響目的細節(jié)分辨率的前向散射光。與大氣成像技術(shù)相比，水下成像技術(shù)的研究重點就是減小水介質(zhì)所具有的強散射效應(yīng)和快速吸取功率衰減特性對水下通信、成像、目的探測所導致的影響。目前重要有幾種成像技術(shù)在實際中得到應(yīng)用且達成較好的工作效果.它們的工作原理和技術(shù)特點如下所述。同步掃描成像：同步掃描技術(shù)是掃描光束(連續(xù)激光)和接受視線的同步.運用的是水的后向散射光強相對中心軸迅速減小的原理。該技術(shù)采用準直光束點掃描和基于光電倍增管的高靈敏度探測器的窄視域跟蹤接受。距離選通成像：距離選通技術(shù)是運用脈沖激光器和選通攝像機，以時間的先后分開不同距離上的散射光和目的的反射光。使由被觀測目的反射回來的輻射脈沖剛好在攝像機選通工作的時間內(nèi)到達攝像機并成像。偏振光水下成像：偏振成像技術(shù)是運用物體的反射光和后向散射光的偏振特性的不同來改善成像的分辨率。激光波長與海水及海水中懸浮顆粒和有機物分子的尺寸相稱。其相對折射率為。一般遵從瑞利或米氏散射理論。根據(jù)散射理論，懸浮粒子后向散射的退偏振度小于物體后向散射光的退偏振度。假如在水下用偏振光源照明.則大部分后向散射光也將是偏振的。假如采用適當取向的檢偏器對后向散射光加以克制.從而可是圖像對比度增強。水下激光三維成像：條紋管成像激光雷達可提供很好的三維信息。其原理是通過測量短脈沖激光在發(fā)射機與目的之間的往返時間，來還原出目的的距離像。目的的距離信息一方面轉(zhuǎn)換成為回波信號的時間信息。即回波的時間先后，然后又通過條紋管轉(zhuǎn)換成為條紋像的空間信息。該技術(shù)使用脈沖激光發(fā)射器和時間分辨條紋管接受器。3.2相關(guān)器件的發(fā)展水下成像系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件有兩個：(1)高效率、高功率以及高脈沖頻率的長壽命的激光器；(2)具有高速外觸發(fā)功能、高分辨率、高靈敏度、低噪聲、足夠的增益動態(tài)范圍的接受器。激光器：水下成像系統(tǒng)中可供選用在藍綠光譜區(qū)域(450—550nm)發(fā)光的高效能激光器種類有很多。如通過倍頻產(chǎn)生綠光的釹玻璃激光器和Nd：YAG激光器：通過喇曼下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生藍綠光的氯化氙(XeCI)激光器和氟化氙激光器：直接輸出藍綠光的氬離子激光器、高脈沖能量染料激光器、銅蒸氣激光器和澳化汞(HgBr)準分子激光器等，這些都有自己的優(yōu)點和缺陷。目前正在研究的是LD泵浦LiSAF類激光器。LiSAF是一種迄今為止綜合指標最佳的可調(diào)諧激光材料。該激光器波長最佳又可調(diào)，易于與最抱負的窄帶濾波器銫原子濾波器匹配。并可合用于不同海區(qū)最佳透射波長的少量變化。與鈦寶石系統(tǒng)相比.轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)簡化。效率提高，且體積、重量、能耗均有減少。此外，LD泵浦LiSAF類激光器可直接采用LD泵浦?？煽啃蕴岣?。大大延長了使用壽命。接受器：目前水下成像系統(tǒng)使用的光電成像傳感器重要有：高靈敏度CCD成像器件、微光ICCD成像器件、電子轟擊CCD(EBCCD)成像器件、電子倍增CCD(EM-CCD)成像器件。這幾種器件相比較而言，CCD通?？捎糜谒|(zhì)較好、距離較近且成本較低