CN113702978A - 一种基于前视声呐的海底管道检测定位方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于前视声呐的海底管道检测方法及***，所述方法包括：前视声呐装置发射信号，并接收经海底管道反射后的信号；对前视声呐装置接收的信号进行多个波束形成处理，得到多波束的波束域数据；对波束域数据进行动态门限检测，得到检测结果；根据检测结果，对波束域数据进行二值化处理，得到二值化图像；对二值化图像进行霍夫变换，并在变换域进行过阈值检测，再进行管道线段提取，得到矩形声图；将矩形声图转化为扇形显示，从而检测出管道并对管道定位。相比于比传统图像域处理方法，本发明方法的计算量较低，较易实现实时海底管道检测和定位，且本发明方法中的波束域处理减少了图像边缘线的干扰。

Description

一种基于前视声呐的海底管道检测定位方法及***

技术领域

本发明涉及一种海洋领域的水声信号处理方法，尤其涉及一种基于前视声呐的海底管道检测定位方法及***。

背景技术

海底管道油气运输具有运输成本低、稳定安全的特点，是海洋油气资源长距离运输经济可靠的方式。但海水的腐蚀、渔船拖网作业等因素，则会导致海底油气管道破损。因此，需要定期对海底管道进行破损、腐蚀情况等检查。利用主动声呐探测海底管道的方法，主要包括侧扫声呐、前视声呐和多波束测深声呐。沿管道方向，侧扫声呐和多波束测深声呐单帧探测覆盖范围较小，而前视声呐扇面较宽，探测管道效率较高。

但是现有利用前视声呐进行管道检测方法，大多是基于图像域处理的检测方法，通过国外设备进行获取图像。在浅海海域，海底不平坦，布满了礁石等，强底混响对管道探测产生了的较大影响。而现有的图像降噪和边缘检测方法，较难剔除混响的干扰，造成误判，影响整体的探测效能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种基于前视声呐的海底管道检测定位方法及***。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于前视声呐的海底管道检测定位方法，所述方法包括：

前视声呐装置发射信号，并接收经海底管道反射后的信号；

对前视声呐装置接收的信号进行多个波束形成处理，得到多波束的波束域数据；

对波束域数据进行动态门限检测，得到检测结果；

根据检测结果，对波束域数据进行二值化处理，得到二值化图像；

对二值化图像进行霍夫变换，并在变换域进行过阈值检测，再进行管道线段提取，得到矩形声图；

将矩形声图转化为扇形显示，从而检测出管道并对管道定位。

作为上述方法的一种改进，所述方法还包括根据海底管道检测的技术指标需求，设计前视声呐装置的步骤；具体包括：

根据探测管道的尺寸，设定前视声呐的角度覆盖范围为0°至90°，发射换能器基阵采用弧形阵列，接收换能器基阵采用均匀直线阵列，根据下式确定接收换能器基阵的长度D为：

式中，B_w为波束宽度，单位为度数，λ为波长，并设定接收换能器阵列为均匀阵列；接收换能器基阵阵元个数为M，相邻阵元间距为d，满足下式：

D＝Md。

作为上述方法的一种改进，所述对前视声呐装置接收的信号进行多个波束形成处理，得到多波束的波束域数据；具体包括：

对前视声呐信号X(t)进行多个波束形成处理，第i个波束的加权矢量为W_i，根据下式得到第i个波束的波束形成Y(θ_i，t)为：

Y(θ_i，t)＝W_i ^HX(t)

式中，i＝1,2,3,…,N，N表示波束总数，t表示时间域，H表示转置共轭；

由N个波束形成得到波束域数据。

作为上述方法的一种改进，所述对波束域数据进行动态门限检测，得到检测结果；具体包括：

对波束域数据的N个波束进行均匀划分，划分为n个区域，求解出第j个区域的最大值P_j为：

式中，max(·)表示求取最大值，j＝1,2,3,…,n，t表示时间域；

对n个最大值求均值得到数值C为：

将数值C乘以合系数β，得到动态检测门限T；

对波束域数据进行过门限T检测，得到过门限的K个采样点。

作为上述方法的一种改进，所述根据检测结果，对波束域数据进行二值化处理，得到二值化图像；具体包括：对于过门限的K个采样点，将对应的波束域位置处数值赋值为1，没有过门限的采样点，对应的波束域位置处数值赋值为0，得到二值化图像B。

作为上述方法的一种改进，所述对二值化图像进行霍夫变换，并在变换域进行过阈值检测，再进行管道线段提取，得到矩形声图；具体包括：

对二值化图像进行霍夫变换：

ρ＝θcosφ+tsinφ

其中，θ和t分别表示波束域数据的角度和时刻，ρ和φ均为变换域的参数，ρ表示原点到直线的垂直距离，φ表示垂线与直角坐标系t轴的夹角，得到变换域中的第(a,b)个单元格，a＝1,2,3,....,A,b＝1,2,3,....,B,A表示变换域中ρ轴的细分数目，B表示变换域中φ轴的细分数目；

根据直角坐标系与变换域之间的转换关系，相应增加对应数组格(ρ_a,φ_b)的累加值，得到霍夫变换后的二值图像；

根据下式得到门限峰值E为：

E＝ηmax(P)

其中，η为常数，P表示霍夫变换的累加值；

针对ρ-φ数据中的聚焦点，根据过门限峰值E对霍夫变换后的二值图像进行管道线段提取，得到矩形声图。

一种基于前视声呐的海底管道检测定位***，所述***包括：波束形成处理模块、动态门限检测模块、二值化处理模块、霍夫变换及过阈值检测模块和检测定位模块；其中，

所述波束形成处理模块，用于对前视声呐装置接收的信号进行多个波束形成处理，得到多波束的波束域数据；所述前视声呐装置接收的信号为前视声呐装置发射并经海底管道反射后的信号；

所述动态门限检测模块，用于对波束域数据进行动态门限检测，得到检测结果；

所述二值化处理模块，用于根据检测结果，对波束域数据进行二值化处理，得到二值化图像；

所述霍夫变换及过阈值检测模块，用于对二值化图像进行霍夫变换，并在变换域进行过阈值检测，再进行管道线段提取，得到矩形声图；

所述检测定位模块，用于将矩形声图转化为扇形显示，从而检测出管道并对管道定位。

作为上述***的一种改进，所述前视声呐装置的具体设计包括：

根据探测管道的尺寸，设定前视声呐装置的角度覆盖范围为0°至90°，发射换能器基阵采用弧形阵列，接收换能器基阵采用均匀直线阵列，根据下式确定接收换能器基阵的长度D为：

式中，B_w为波束宽度，单位为度数，λ为波长，并设定接收换能器阵列为均匀阵列；接收换能器基阵阵元个数为M，相邻阵元间距为d，满足下式：

D＝Md。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

相比于传统图像域处理方法，本发明计算量较低，较易实现实时海底管道检测和定位，且本发明中的波束域处理减少了图像边缘线的干扰。

附图说明

图1是本发明的基于前视声呐的海底管道检测定位方法流程示意图；

图2是前视声呐的波束域数据；

图3是动态门限检测之后的输出；

图4是管道检测的矩形图输出；

图5是管道检测的扇形图输出。

具体实施方式

本发明涉及一种基于前视声呐的海底管道检测***及方法，是一种波束域和图像域融合处理的海底管道检测***及方法，该方法首先对接收的声呐信号进行同时多个波束形成处理，对波束域数据进行动态门限检测，检测出回波信号中的强反射点，根据波束域检测结果对波束域数据进行二值化处理，对二值化图像数据进行霍夫变换，在变换域进行阈值检测，接着进行直线提取，再将矩形声图变换到扇形显示，检出管道并对管道定位，更利于管道的确认。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例1

如图1所示，本发明的实施例1提出了一种基于前视声呐的海底管道检测定位方法，具体包括：

1)首先根据探测管道的尺寸，选用高频率，合理设计前视声呐换能器的角度分辨率和距离分辨率，设定前视声呐的角度覆盖范围为90°，发射换能器基阵选用弧形阵列，接收换能器基阵选用直线阵列，进而确定接收换能器基阵的长度D；

式中，B_w为波束宽度，单位为度数，即角度分辨率，λ为波长。并设定接收换能器阵列为均匀阵列，则D＝Md，M为接收基阵阵元个数，d为相邻阵元间距。

2)根据换能器的技术性能需求，合理设计发射接收电路***，和电子舱；

3)对电路***采集接收的一帧信号通过电缆传输到电脑端，进行同时多个波束的波束形成处理，波束个数为N，获取多波束的波束域数据；

Y(θ_i，t)＝W_i ^HX(t)

式中，X(t)表示传输至电脑端的采集时间域复信号，W_i表示第i(i＝1,2,3,…,N)个波束的加权矢量，Y(θ_i，t)表示第i个波束的波束形成输出，N个波束输出组成波束域数据。

4)对波束域数据进行动态门限检测，对N个波束进行均匀划分，假设划分为n个区域，求解出每个区域的最大值P_j(j＝1,2,3,…,n)，对n个最大值求解均值得到数值C，再乘以合适的系数，获得检测门限，由于波束域数据随时间在变换，因此此门限为动态门限。

式中，max(·)表示求取最大值。

T＝βC

式中，β为一常数，T为动态检测门限。

对波束域数据Y(θ_i，t)进行过门限T检测，假设过门限的采样点数为K。

5)对波束域进行二值化赋值，形成二值化图像。对于步骤4)中过门限的K个采样点，其对应的波束域位置处的数值赋值为1，没有过门限的采样点处赋值为0，获得二值化图像B。

6)在图像域对步骤5)获取的二值化图像进行霍夫变换，并在变换域进行过阈值检测聚焦点，接着进行管道线段提取，剔除礁石的干扰。

对二值化图像进行霍夫变换：

ρ＝θcosφ+tsinφ

其中，θ和t分别表示波束域数据的角度和时刻，ρ和φ表示变换域的参数，ρ表示原点到直线的垂直距离，φ表示垂线与直角坐标系t轴的夹角，

P(ρ_a′,φ_b′)＝P(ρ_a,φ_b)+1,a＝1,2,3,....,A,b＝1,2,3,....,B,

式中，P表示霍夫变换的累加值，ρ_a和φ_b分别表示变换域中的第(a,b)个单元格，A表示变换域中ρ轴的细分数目，B表示变换域中φ轴的细分数目，根据直角坐标系与变换域(ρ,θ)之间的转换公式，相应增加对应数组格的累加值，

在二值化图像中的，针对ρ-φ数据中的聚焦点，根据过门限峰值E提取：

E＝ηmax(P)

式中，η为一常数，P表示霍夫变换的累加值。

7)将获得的矩形声图数据Y(θ_i，t)，转化为扇形声图显示数据，检出管道并对管道定位，更利于管道的确认。

相比于比传统图像域处理方法，本发明方法的计算量较低，较易实现实时海底管道检测和定位，且本发明方法中的波束域处理减少了图像边缘线的干扰。

在本实施例中，***参数为：海底管道的直径为0.6米，前视声呐的角度分辨率为1度，所用数据为海上试验获取的数据，海域水深约4米。声呐湿端距离水面深度约1.5米，声速为1500m/s，只处理一帧数据，处理结果如图2-图5所示，其中，图2是前视声呐的波束域数据；图3是动态门限检测之后的输出；图4是管道检测的矩形图输出；图5是管道检测的扇形图输出。

实施例2

本发明的实施例2提出了一种基于前视声呐的海底管道检测定位***，所述***包括：波束形成处理模块、动态门限检测模块、二值化处理模块、霍夫变换及过阈值检测模块和检测定位模块；基于实施例1的方法实现，其中，

所述波束形成处理模块，用于对前视声呐装置接收的信号进行多个波束形成处理，得到多波束的波束域数据；所述前视声呐装置接收的信号为前视声呐装置发射并经海底管道反射后的信号；

所述动态门限检测模块，用于对波束域数据进行动态门限检测，得到检测结果；

所述二值化处理模块，用于根据检测结果，对波束域数据进行二值化处理，得到二值化图像；

所述霍夫变换及过阈值检测模块，用于对二值化图像进行霍夫变换，并在变换域进行过阈值检测，再进行管道线段提取，得到矩形声图；

所述检测定位模块，用于将矩形声图转化为扇形显示，从而检测出管道并对管道定位。

前视声呐装置的具体设计包括：

根据探测管道的尺寸，设定前视声呐装置的角度覆盖范围为90°，前视声呐装置包括发射换能器基阵和接收换能器基阵，其中，发射换能器基阵采用弧形阵列，接收换能器基阵采用均匀直线阵列，根据下式确定接收换能器基阵的长度D为：

式中，B_w为波束宽度，单位为度数，λ为波长，并设定接收换能器阵列为均匀阵列；接收换能器基阵阵元个数为M，相邻阵元间距为d，满足下式：

D＝Md。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于前视声呐的海底管道检测定位方法，所述方法包括：

前视声呐装置发射信号，并接收经海底管道反射后的信号；

对前视声呐装置接收的信号进行多个波束形成处理，得到多波束的波束域数据；

对波束域数据进行动态门限检测，得到检测结果；

根据检测结果，对波束域数据进行二值化处理，得到二值化图像；

对二值化图像进行霍夫变换，并在变换域进行过阈值检测，再进行管道线段提取，得到矩形声图；

将矩形声图转化为扇形显示，从而检测出管道并对管道定位。

2.根据权利要求1所述的基于前视声呐的海底管道检测定位方法，其特征在于，所述方法还包括根据海底管道检测的技术指标需求，设计前视声呐装置的步骤；具体包括：

根据探测管道的尺寸，设定前视声呐的角度覆盖范围为0°至90°，发射换能器基阵采用弧形阵列，接收换能器基阵采用均匀直线阵列，根据下式确定接收换能器基阵的长度D为：

式中，B_w为波束宽度，单位为度数，λ为波长，并设定接收换能器阵列为均匀阵列；接收换能器基阵阵元个数为M，相邻阵元间距为d，满足下式：

D＝Md。

3.根据权利要求1所述的基于前视声呐的海底管道检测定位方法，其特征在于，所述对前视声呐装置接收的信号进行多个波束形成处理，得到多波束的波束域数据；具体包括：

对前视声呐信号X(t)进行多个波束形成处理，第i个波束的加权矢量为W_i，根据下式得到第i个波束的波束形成Y(θ_i，t)为：

Y(θ_i，t)＝W_i ^HX(t)

式中，i＝1,2,3,…,N，N表示波束总数，t表示时间域，H表示转置共轭；

由N个波束形成得到波束域数据。

4.根据权利要求3所述的基于前视声呐的海底管道检测定位方法，其特征在于，所述对波束域数据进行动态门限检测，得到检测结果；具体包括：

对波束域数据的N个波束进行均匀划分，划分为n个区域，求解出第j个区域的最大值P_j为：

P_j＝max(Y(θ_i，t))

式中，max(·)表示求取最大值，j＝1,2,3,…,n，t表示时间域；

对n个最大值求均值得到数值C为：

将数值C乘以合系数β，得到动态检测门限T；

对波束域数据进行过门限T检测，得到过门限的K个采样点。

5.根据权利要求4所述的基于前视声呐的海底管道检测定位方法，其特征在于，所述根据检测结果，对波束域数据进行二值化处理，得到二值化图像；具体包括：对于过门限的K个采样点，将对应的波束域位置处数值赋值为1，没有过门限的采样点，对应的波束域位置处数值赋值为0，得到二值化图像B。

6.根据权利要求5所述的基于前视声呐的海底管道检测定位方法，其特征在于，所述对二值化图像进行霍夫变换，并在变换域进行过阈值检测，再进行管道线段提取，得到矩形声图；具体包括：

对二值化图像进行霍夫变换：

ρ＝θcosφ+tsinφ

其中，θ和t分别表示波束域数据的角度和时刻，ρ和φ均为变换域的参数，ρ表示原点到直线的垂直距离，φ表示垂线与直角坐标系t轴的夹角，得到变换域中的第(a,b)个单元格，a＝1,2,3,....,A,b＝1,2,3,....,B,A表示变换域中ρ轴的细分数目，B表示变换域中φ轴的细分数目；

根据直角坐标系与变换域之间的转换关系，相应增加对应数组格(ρ_a,φ_b)的累加值，得到霍夫变换后的二值图像；

根据下式得到门限峰值E为：

E＝ηmax(P)

其中，η为常数，P表示霍夫变换的累加值；

针对ρ-φ数据中的聚焦点，根据过门限峰值E对霍夫变换后的二值图像进行管道线段提取，得到矩形声图。

7.一种基于前视声呐的海底管道检测定位***，其特征在于，所述***包括：波束形成处理模块、动态门限检测模块、二值化处理模块、霍夫变换及过阈值检测模块和检测定位模块；其中，

所述波束形成处理模块，用于对前视声呐装置接收的信号进行多个波束形成处理，得到多波束的波束域数据；所述前视声呐装置接收的信号为前视声呐装置发射并经海底管道反射后的信号；

所述动态门限检测模块，用于对波束域数据进行动态门限检测，得到检测结果；

所述二值化处理模块，用于根据检测结果，对波束域数据进行二值化处理，得到二值化图像；

所述霍夫变换及过阈值检测模块，用于对二值化图像进行霍夫变换，并在变换域进行过阈值检测，再进行管道线段提取，得到矩形声图；

所述检测定位模块，用于将矩形声图转化为扇形显示，从而检测出管道并对管道定位。

8.根据权利要求7所述的基于前视声呐的海底管道检测定位***，其特征在于，所述前视声呐装置的具体设计包括：

根据探测管道的尺寸，设定前视声呐装置的角度覆盖范围为0°至90°，发射换能器基阵采用弧形阵列，接收换能器基阵采用均匀直线阵列，根据下式确定接收换能器基阵的长度D为：

式中，B_w为波束宽度，单位为度数，λ为波长，并设定接收换能器阵列为均匀阵列；接收换能器基阵阵元个数为M，相邻阵元间距为d，满足下式：

D＝Md。

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