一种基于侧扫声呐的海缆检测识别方法与流程

本发明属于海底检测，具体涉及一种基于侧扫声呐的海缆检测识别方法。

背景技术：

1、海底电缆也常称为海缆，在电能传输、跨海通信、海洋工程和新能源开发等领域具有其他手段无法替代的优势。海缆工程是海洋产业技术中最为复杂困难的大型工程之一，和陆地缆线相比，海缆故障查找难度大、修复时间长、修复费用高。受到自然灾害、器件寿命和海上作业的影响，海缆可能发生故障。除了临检外，还需要定期排查有可能发生悬空或裸露以及被海水侵蚀的海缆段落，获取海缆路由、埋深、故障信息以及周围环境状况等基本要素，及时、准确地对海缆进行风险评估、维护和维修。

2、目前，声学检测是海缆检测领域的常用检测技术之一，主要采用侧扫声呐、多波束声呐、浅地层剖面仪、合成孔径声呐四种设备，以海洋“拖鱼”、水下机器人搭载为主要检测手段。一般做法是借助侧扫声呐系统探测海底电缆，对裸露电缆区域建立相关模型进而识别其状态，提出利用侧扫声呐系统和多波束系统综合探测海缆状态，同时还需要将侧扫声呐结合管线仪、磁力仪等综合确定海缆状态，需要相互验证，费事费力。此外，利用侧扫声呐系统探测海缆状态，只是根据得到的声呐图像宏观判断电缆的状态，对侧扫声呐系统的原理研究不深，得到的数据并不是反映海底电缆状态的最优体现，缺乏准确性和科学性。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种基于侧扫声呐的海缆检测识别方法，深入研究侧扫声呐系统的原理，仅利用侧扫声呐探测海缆状态，检测效果更为准确和科学。

2、为实现上述目的，达到上述技术效果，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于侧扫声呐的海缆检测识别方法，包括以下步骤：

4、通过侧扫声呐采集原始实验数据并得到海缆的侧扫声呐图像，分析海缆在侧扫声呐图像中存在的状态，根据侧扫声呐图像和水深数据对海缆状态做初步的解译；

5、对原始实验数据进行处理后得到消除各种畸变的侧扫声呐地理编码图；

6、选取效果最好的侧扫声呐图像的去噪算法和双阈值ostu分割算法；

7、对分割后的侧扫声呐图像进行处理，判断海缆状态并计算悬空或裸露的高度，从而恢复海缆形状。

8、所述通过侧扫声呐采集原始实验数据并得到海缆的侧扫声呐图像，分析海缆在侧扫声呐图像中存在的状态，根据侧扫声呐图像和水深数据对海缆状态做初步的解译的步骤包括：

9、通过侧扫声呐采集原始实验数据，通过控制测量船速在规定区间以达到最优探测，从而得到了具有地理位置信息的能够反映海缆状态的侧扫声呐图像，分析海缆在侧扫声呐图像中存在的状态，所述海缆在侧扫声呐图像中存在的状态包括存在多处裸露和悬空、处于沟槽中未完全填充、海缆下方存在被掏蚀悬空的典型特征，结合单波束测深记录的海缆剖面图和声呐图像特征，对海缆状态做初步的评估，最后选取具有典型特征的海缆图像做进一步的细化研究，得到更为准确的裸露、悬空结果，并结合导航定位数据获取其准确的位置信息。

10、进一步的，所述原始实验数据包括水深测量数据、侧扫声呐测量数据和导航定位数据。

11、进一步的，所述通过控制测量船速在规定区间以达到最优探测，从而得到了具有地理位置信息的能够反映海缆状态的侧扫声呐图像的步骤包括：

12、首先确定侧扫声呐的发射信号类型，构建船速控制模型，根据船速控制模型控制测量船速在规定区间以达到最优探测。

13、进一步的，所述侧扫声呐发射信号类型为chirp信号类型。

14、进一步的，所述船速控制模型的构建步骤为：

15、设侧扫声呐系统沿航迹方向的水平波束角为θx，发射信号ping与ping之间的间隔为t0，拖鱼至海底的实时高度为h，则船速v需要满足下述公式：

16、

17、则有：

18、

19、侧扫声呐在实际测量时最大船速需满足上式，限制船速的主要参数是拖鱼至海底的实时高度、水平波束角及脉冲发射间隔，实际测量时应合理调整上面三个参数以获取最大的测量效率。

20、所述对原始实验数据进行处理后得到消除各种畸变的侧扫声呐地理编码图的步骤包括：

21、所述原始实验数据为xtf文件格式，首先分析xtf文件格式并对数据解码，然后将提取到的回波数据按照转换模型和相关插值方法转换成计算机易于处理的图像格式：

22、1)建立起声强信息和描述图像的灰度信息之间的转换模型

23、采样精度为16位的侧扫声呐采样数据可以通过下式三转换，设gmin和gmax分别为灰度图像的最小值和最大值，灰度范围通常取0～255，gbmin和gbmax分别为记录的回波强度的最小值和最大值，则转化后的灰度值g通过式三计算得到：

24、

25、2)使用双三次插值作为声呐图像插值算法。双三次插值算法输出的像素值是通过4x4邻域加权平均运算得到；

26、对于侧扫声呐图像存在的各种畸变，研究图像产生畸变的主要原因和类型，并做相应的畸变改正，得到消除各种畸变后的声呐图像；针对侧扫声呐定位采样率和ping采样率不同步的问题，采用三次b样条函数对航迹进行平滑处理，使定位数据和ping采样一一对应；最后研究侧扫声呐图像像素地理编码技术，得到了每个采样点均含有位置信息的声呐图像，得到消除各种畸变的侧扫声呐地理编码图。

27、所述选取效果最好的侧扫声呐图像的去噪算法和双阈值ostu分割算法的步骤包括：

28、选取基于ping滤波效果最好的维纳滤波，维纳滤波后的声呐信号可消除大部分误差信号；

29、选取图像滤波效果最好的双边滤波；去噪后像素值为：

30、

31、其由邻域像索值的加权组合得到，其中，ω(x，y，s，t)为权重系数，顾及了空间域和值域的不同；

32、使用双阈值ostu算法进行侧扫声呐图像分割，通过下式对双阈值ostu算法正确分割率进行计算：

33、

34、所述对分割后的侧扫声呐图像进行处理，判断海缆状态并计算悬空或裸露的高度，从而恢复海缆形状的步骤包括：

35、得到分割后的侧扫声呐图像后，借助边缘检测canny算子检测出海缆目标边界坐标及其阴影，从而判断出海缆状态，借助阴影区域长度计算出海缆悬空或裸露的高度。

36、进一步的，所述canny算子首先利用高斯滤波器平滑图像，然后用一阶偏导有限差分计算梯度幅值和方向，对梯度幅值非极大值抑制后基于阈值检测边缘得到边界曲线。

37、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

38、本发明公开了一种基于侧扫声呐的海缆检测识别方法，首先，从侧扫声呐成像机理出发，研究了其声呐信号特性及各项性能指标，以系统各项指标指导外业数据采集，对采集到的海底电缆声呐数据进行解码和地理编码等系列研究，针对侧扫声呐扫测海底电缆得到的图像，对不同的电缆状态给出了对应的计算模型。对比研究了声呐图像的去噪和分割算法，提出了一种使用双阈值ostu算法进行侧扫声呐图像分割，针对分割后的侧扫声呐图像，提出联合侧扫声呐图像自阴影恢复电缆形状的方法，分析了几种常见的边缘检测算子效果，提取检测目标边界，根据海缆阴影长度得到了海底电缆的具体悬空特征，准确识别出海缆的形状并检测出海缆的悬空特征。本发明利用侧扫声呐海缆识别检测技术，通过深入研究侧扫声呐系统原理，仅利用侧扫声呐探测海底电缆，根据其性能探测指标能够合理的设计数据采集方法，控制测量船速在规定区间以达到最优探测，从而得到了具有地理位置信息的能够反映海缆状态的侧扫声呐图像，根据优化的声呐图像去噪和分割等算法准确分割声呐图像，可以准确识别检测并最后恢复出海缆形状，极大程度上改善了现有技术对侧扫声呐系统的原理研究不深、得到的数据不能反映海底电缆最优状态、检测结果缺乏准确性和科学性的问题。