發(fā)布時間：2019-06-28所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：海洋對于人類來說是一個富饒而又神秘的寶庫，在當(dāng)今全球資源嚴(yán)重短缺的環(huán)境下，海洋以其豐富的礦產(chǎn)資源、食物資源和油氣資源成為了人類實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要探索目標(biāo)之一，因此現(xiàn)階段世界各國都加大了對水下世界的探測和研究，發(fā)展海洋工程技術(shù)已經(jīng)成
摘要：海洋對于人類來說是一個富饒而又神秘的寶庫，在當(dāng)今全球資源嚴(yán)重短缺的環(huán)境下，海洋以其豐富的礦產(chǎn)資源、食物資源和油氣資源成為了人類實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要探索目標(biāo)之一，因此現(xiàn)階段世界各國都加大了對水下世界的探測和研究，發(fā)展海洋工程技術(shù)已經(jīng)成為既緊迫又長遠(yuǎn)的問題。二十世紀(jì)末以來，水下作業(yè)技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，尤其是對水下目標(biāo)的探測技術(shù)引起了國際上很多國家的關(guān)注，美國、俄羅斯、英國加拿大以及中國都設(shè)立了專門的水下目標(biāo)探測研究機構(gòu)或者在國內(nèi)高校設(shè)立了專門的課題實驗室對該技術(shù)進(jìn)行研究，為水下目標(biāo)探測的發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)。
關(guān)鍵詞：水下目標(biāo);探測;關(guān)鍵技術(shù)
1概述
海洋科技是海洋開發(fā)過程中的第一生產(chǎn)力，也是挖掘海洋經(jīng)濟(jì)的重要手段，海洋高新技術(shù)是全球?qū)W者公認(rèn)的新科技革命中最重要的領(lǐng)域之一，海洋科技的涵蓋面極廣，包含多種學(xué)科和多種技術(shù)，例如海洋學(xué)科包括海洋基礎(chǔ)科學(xué)、海洋物理科學(xué)、海洋化學(xué)科學(xué)、海底地質(zhì)學(xué)、海洋氣候?qū)W和海洋生物學(xué)等;與海洋有關(guān)的技術(shù)包括海洋測量、海洋水聲、海洋能源開發(fā)、海洋運輸和海洋結(jié)構(gòu)等等;我們知道海洋科技發(fā)展程度的高低，不僅僅體現(xiàn)了一個國家的科技、經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展程度，還體現(xiàn)了國家的綜合國力，本文進(jìn)行水下目標(biāo)探測和跟蹤問題的研究正是在此背景下展開的。
水下目標(biāo)的探測和跟蹤由于同時具有商業(yè)和軍事上的重要價值而被越來越多的專家學(xué)者以及生產(chǎn)技術(shù)人員重視，水下目標(biāo)的探測和跟蹤是未來發(fā)展海下微小無人探測器的重要基礎(chǔ)和前提。對于水下探測器來說，視覺系統(tǒng)具有極高的地位和作用，視覺系統(tǒng)可以說就是水下探測器的眼耳，通過視覺系統(tǒng)，水下探測器能夠?qū)λ颅h(huán)境信息進(jìn)行快速收集和分析，根據(jù)分析結(jié)果為其在水下的運動和作業(yè)提供相應(yīng)的指導(dǎo)。在特定的水環(huán)境中，例如在海洋環(huán)境中，聲波傳遞是唯一可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離信息傳送的方法，因此要想對海洋環(huán)境進(jìn)行充分的開發(fā)和利用就必須對水下目標(biāo)探測技術(shù)以及水下目標(biāo)跟蹤技術(shù)進(jìn)行研究。
基于此，本文首先對水下目標(biāo)探測的聲成像技術(shù)進(jìn)行了介紹，包括海洋水聲環(huán)境，聲、視覺系統(tǒng)，聲納成像技術(shù)和水聲圖像處理技術(shù);接著重點研究了水下目標(biāo)探測與跟蹤技術(shù)，包括運動目標(biāo)檢測技術(shù)，運動目標(biāo)跟蹤技術(shù)和水下目標(biāo)的識別與跟蹤等，希望通過本文的研究，能夠讓讀者對水下目標(biāo)探測與跟蹤的關(guān)鍵技術(shù)有一個總體的了解，并為我國水下探測事業(yè)貢獻(xiàn)應(yīng)有的力量。
2聲成像技術(shù)
2.1海洋水聲環(huán)境。
在水中進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸?shù)淖罴衙襟w就是聲波，因此水聲技術(shù)是進(jìn)行水中探測和水中通訊最常用的技術(shù)手段之一，雖然近年來水聲技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和進(jìn)步，但受限于海洋水聲環(huán)境的復(fù)雜性，人類對水中聲波技術(shù)的認(rèn)識和了解仍逗留于表層，其內(nèi)部潛力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有得到充分的發(fā)揮。通常來說，無損的均勻介質(zhì)被公認(rèn)為是最理想的聲音傳輸信道，聲音在其中能夠順利的傳輸避免發(fā)生任何畸變。但是在海洋中，尤其是淺海海域，水中具有十分復(fù)雜的變化特征，對在其中傳播的聲音產(chǎn)生了巨大的影響。
2.2聲視覺系統(tǒng)。
通過對海洋進(jìn)行長期的研究和探索，人來逐漸意識到聲波是在海洋中唯一一種可以進(jìn)行長距離信息傳輸?shù)拿襟w，因此人類如果想要探測、識別、定位、跟蹤海洋中的物體，就必須具有功能強大的水聲探測系統(tǒng)。其中成像聲納是水下探測系統(tǒng)的主要傳感設(shè)備，其主要作用是對周圍出現(xiàn)的目標(biāo)物體進(jìn)行識別、定位和成像，類似于人類的視覺感官系統(tǒng)，我們稱之為聲視覺系統(tǒng)，聲視覺系統(tǒng)在水下目標(biāo)探測中起著不可或缺的作用。良好的聲視覺系統(tǒng)應(yīng)該具備以下特點：靈敏度高、抗干擾能力強，隱蔽性好，另外該系統(tǒng)應(yīng)該能夠在脫離人為干預(yù)情況下根據(jù)實際海洋情況和探測情況對系統(tǒng)的參數(shù)加以調(diào)節(jié)，自主的完成數(shù)據(jù)獲取、分析和跟蹤等工作。
2.3聲納成像技術(shù)。
隨著海洋探測工作的日益完善和深入，海洋水下探測技術(shù)也越來越受到人們的廣泛關(guān)注，其中聲納成像技術(shù)作為海洋探測的一個重要組成部分，在很多重要場合中發(fā)揮著不可替代的作用。舉例來說，近距離高分辨成像技術(shù)能夠幫助人類對水下物體的表面情況進(jìn)行全面的了解。雖然在近距離內(nèi)一些光學(xué)設(shè)備的成像更為直觀，但光學(xué)成像技術(shù)會受到多種因素的影響，甚至如果遇到復(fù)雜的水下環(huán)境光學(xué)成像技術(shù)會不能正常使用，相比而言，聲納成像技術(shù)在水下具有更大的優(yōu)勢。
近年來，聲納成像技術(shù)得到了飛速發(fā)展，其中側(cè)掃聲納系統(tǒng)和扇掃聲納系統(tǒng)是發(fā)展比較成熟，應(yīng)用面比較廣泛的聲納系統(tǒng)。其中側(cè)掃聲納是一種高頻拖曳聲納，它一般被安裝在水下拖曳體的兩側(cè)，側(cè)掃聲納的工作頻率較高，解像度相對較強，能夠清晰的反映出海底的地形地貌以及海底的沉船飛機殘骸等，自上世紀(jì)六十年代以來，側(cè)掃聲納系統(tǒng)就在海底目標(biāo)探測、海底測繪和海底探索、海洋資源開發(fā)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。相對于側(cè)掃聲納來說，扇掃聲納開發(fā)的時間較靠后，但扇掃聲納的發(fā)展速度極快，目前被廣泛的應(yīng)用于水下定位和水下避障工作中。
2.4水聲圖像處理技術(shù)。
與光學(xué)圖像一樣，聲納圖像在本質(zhì)上也是物體能量的平面和空間分布圖，但是由于水聲信道的復(fù)雜性以及海水的多變性使得水聲圖像與光學(xué)圖像也存在著大量的不同。在早期人們主要通過傳統(tǒng)的光學(xué)成像技術(shù)對水聲圖像進(jìn)行分析和總結(jié)，近年來隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字圖像處理方法逐漸走進(jìn)了人們的視野，借助于數(shù)字圖像處理技術(shù)，水聲圖像的發(fā)展也進(jìn)入了嶄新的階段，水聲圖像處理技術(shù)的研究方向主要包括：a.圖像效果的增強，即改善圖像的成像效果，減弱對圖像產(chǎn)生的相關(guān)干擾，對圖像中的有用信息加以擴(kuò)大。b.圖像效果恢復(fù)，即把原本模糊的圖像進(jìn)行還原。c.圖像的編碼，即對圖像進(jìn)行簡化表示，壓縮表示數(shù)據(jù)后進(jìn)行儲存和傳遞。d.圖像的重建，即將原本的二維圖像建設(shè)成三維圖像。
3水下目標(biāo)探測與跟蹤技術(shù)
3.1運動目標(biāo)檢測技術(shù)
3.1.1光流法。
光流法是傳統(tǒng)的運動目標(biāo)探測方法之一。其檢測原理是當(dāng)物體發(fā)生移動時，在圖像上該物體的亮度模式也在進(jìn)行運動，因此可以稱為光流法。光流法主要是通過對向量光流場的位移進(jìn)行計算進(jìn)而對目標(biāo)體的輪廓進(jìn)行初始化，使人們能夠有效的跟蹤和檢測目標(biāo)物體。采用光流法對運動目標(biāo)進(jìn)行檢測的主要優(yōu)點是目標(biāo)在幀間運動的限制較少，主要缺點是該種方法計算相對復(fù)雜，且不具備良好的抗噪性。要想獲得準(zhǔn)確的檢測數(shù)據(jù)需要有強大的硬件條件進(jìn)行支持。
3.1.2幀間差分法。
幀間差分法是監(jiān)測相鄰兩幀之間圖像變化的最直接的方法，它對兩幀圖像的像素點的灰度進(jìn)行比較，通過計算閾值對序列圖像中的運動區(qū)域進(jìn)行檢測。幀間差分檢測法的缺點是它不能提取出全部相關(guān)特征的像素點，因此這種方法檢測出的物體位置準(zhǔn)確度相對較低，尤其是如果物體運動速度很快時會極大程度的影響運動目標(biāo)位置的準(zhǔn)確度。
3.1.3背景消減法。
背景消減法也是一種常用的水下運動目標(biāo)檢測方法，它將當(dāng)前幀圖像與儲存的或者實時得到的背景圖像相減，通過對差分圖像中像素值進(jìn)行判斷進(jìn)而推斷出像素點運動目標(biāo)的范圍、背景消減法操作較簡單，檢測的位置準(zhǔn)確且效率較高，但這種方法也存在一定的缺點，因為它對光線天氣的要求較高，一旦光線出現(xiàn)明顯變化，檢測結(jié)果會形成巨大的誤差，另外如果運動目標(biāo)自身存在陰影也經(jīng)常被誤認(rèn)為是運動目標(biāo)的一部分，會對檢測結(jié)果造成影響。因此這種方法對于攝像頭存在運動或者背景灰度變化程度大的情況檢測意義不大。
3.2運動目標(biāo)跟蹤技術(shù)
對運動目標(biāo)進(jìn)行跟蹤時，需要對目標(biāo)的特征進(jìn)行選擇并且保證所選擇的特征能夠?qū)⒛繕?biāo)物體與周圍背景進(jìn)行明顯的區(qū)分，因此對運動目標(biāo)進(jìn)行跟蹤的主要任務(wù)就是選擇適當(dāng)合理的目標(biāo)特征并找到適用的搜索算法。現(xiàn)階段水下跟蹤技術(shù)最常用搜索算法包括絕對平衡搜索法和歸一化相關(guān)法。
在運動目標(biāo)跟蹤過程中要進(jìn)行嚴(yán)格的特征匹配，其中最為直觀的做法就是在下一幀圖像中找到與目標(biāo)圖像相似度最大的目標(biāo)位置，但是這種算法的搜索量巨大耗時較多，因此濾波器被應(yīng)用在預(yù)測目標(biāo)出現(xiàn)位置工作中，通過濾波器的預(yù)測，可以很大程度的縮小搜索范圍，進(jìn)行目標(biāo)定位時，只需要在劃定的領(lǐng)域范圍內(nèi)進(jìn)行目標(biāo)相似性檢測即可。
3.3水下目標(biāo)的識別與跟蹤
水下目標(biāo)的識別通俗來講就是通過對水下水聲信號進(jìn)行判別，分析出水下物體的特性并進(jìn)行識別的技術(shù)。例如可以識別水下的船體、魚群和海底地貌地形等。水下目標(biāo)的識別可以分為瞬態(tài)回波信號識別和水聲圖像信號識別，其中瞬態(tài)回波信號識別是對運動的物體的識別，與語音識別較為相似，而水聲圖像信號識別則多應(yīng)用于識別靜態(tài)物體。
水下目標(biāo)的識別和跟蹤是通過對圖像的序列進(jìn)行研究，從復(fù)雜的背景中找到運動目標(biāo)，運用相應(yīng)的方法對目標(biāo)的運動規(guī)律進(jìn)行總結(jié)和預(yù)測進(jìn)而達(dá)到對目標(biāo)物體進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤的目的。因此想要跟蹤水下物體就必須對應(yīng)和套準(zhǔn)多個目標(biāo)不同時刻的聲納圖像，跟據(jù)目標(biāo)瞄準(zhǔn)點進(jìn)行精準(zhǔn)跟蹤。
參考文獻(xiàn)
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相關(guān)刊物推薦：《深空探測學(xué)報》Journal of Deep Space Exploration(季刊)2014年創(chuàng)刊，是學(xué)術(shù)期刊，16開本，本刊報道深空探測領(lǐng)域政策、動態(tài)和科技探索新進(jìn)展，發(fā)布深空探測學(xué)術(shù)研究新成果，搭建國內(nèi)外深空探測領(lǐng)域信息交流平臺，以促進(jìn)深空探測事業(yè)發(fā)展。
