一种基于计算机视觉的水下小目标声呐探测系统与方法技术方案

本发明专利技术设计了一种基于计算机视觉的水下小目标声呐探测系统与方法，该系统包括：声呐数据采集单元、预处理单元、矩形图与扇形图变换与反变换单元、图像三维投影单元、图像配准单元、目标检测单元以及后处理单元。该方法包括：将船舰开至待探测水域,获取待探测水域下信息，将这些信息打包进行结构化存储；将打包后的图像进行预处理，将所述原始声呐数据转换为声呐矩形图；对所述声呐矩形图形进行变换，得到以船舰为中心原点的扇形图；通过软件，用户在扇形图上框选区域，并将该区域坐标进行反变换，得到该区域在所述矩形图中的坐标位置，将矩形图中的区域截取出来，输入到目标检测模型进行推理，得到检测结果。

【技术实现步骤摘要】
一种基于计算机视觉的水下小目标声呐探测系统与方法
本专利技术涉及计算机视觉目标检测领域，特别是涉及一种基于计算机视觉的水下小目标声呐探测系统与方法。
技术介绍
作为水雷战的组成部分之一，水雷探测工作对保护国家安全具有十分重要的意义。同时，近年来随着海洋信息处理技术的快速发展，应用于海底光缆铺设等多个领域的水下目标探测技术也日益发展。因此提高水下目标探测技术对国家的军事和经济有着非常深远的意义。声呐是海底测绘的有力工具之一，声呐成像技术的快速发展使得对水下目标检测任务有了巨大的需求，但是由于大部分声呐图像所受干扰大、分辨率低、像素信息少等原因，目前还没有成熟的基于声呐图像的目标检测与识别系统及方法。传统的水下目标图像识别方法都是进行人工提取特征，然后通过与目标图像进行比对或者采用分类器对特征图像进行分类，这样的方法在很大程度上受人工提取的特征影响，若图像的像素较少或者特征提取得不够准确，识别效果就很不理想。而且声呐图像具有噪声污染严重、目标边界模糊等缺点，以当前的技术水平难以达到较好的提取效果。目前的水下探测装备仍受限于信息处理技术水平，无法高效、准确的处理前端探测器所获的大量数据信息。
技术实现思路
本专利技术能够利用声呐设备探测水中的环境情况，对水中的水雷、基阵、管线和潜标进行有效探测，并准确确定目标的种类和位置信息，同时将探测结果通过图形界面友好地展现给探测人员。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种基于计算机视觉的水下小目标声呐探测系统，包括：数据采集单元：用于采集目标水域下的环境声呐数据以及船体的位置和姿态信息，并打包进行结构化存储；预处理单元：用于读取打包后的数据，将其解包，从解包后的数据分离出原始声呐数据和其他传感器采集的船舰姿态位置数据，将所述原始声呐数据转换为声呐矩形图形式；矩形图与扇形图变换与反变换单元：用于对所述声呐矩形图形进行变换，得到以船体为中心原点的扇形图表现形式，将所述扇形图中的坐标反变换到矩形图中的坐标；图像三维投影单元：用于根据船体的经纬度、航向、航速、姿态信息，计算出某一帧所述扇形图中的某个区域在其前后若干帧中的位置信息；图像配准单元：用于根据所述三维投影单元得到的结果，将所述某一帧扇形图和其前后若干帧中的同一投影区域进行融合，以增强目标特征；目标检测单元：用于根据用户在所述扇形图中框选出的区域，针对水雷、基阵、管线以及潜标这四种典型水下小目标进行检测，输出检测结果；后处理单元：用于将所述声呐扇形图、船舰的位置和姿态信息、目标检测结果以图形化的方式进行展示，同时提供与用户进行交互的环境，方便用户在所述声呐扇形图上选取区域。优选地,所述数据采集单元由船舰、云台、声呐设备、GPS仪、船体姿态传感器、数据采集卡组成。优选地,所述云台用于稳定船体；所述声呐设备用于采集目标水域下的环境声呐数据；所述GPS仪用于采集船舰的位置数据；所述船体姿态传感器用于采集船体的姿态信息；所述数据采集卡用于将所采集到的模拟信号转换成数字信号。优选地，所述探测系统中还包括UI操作界面，所述UI操作界面包括：软件配置模块：用于配置输入的原始数据文件、参数文件、软件运行过程中产生的缓存文件的路径，以及一些相关配置；船舰信息展示模块：用于显示由原始数据解析而来的船舰所处的环境及位置姿态信息；声呐数据展示模块：用于以直观的形式向用户展示声呐数据，包括：扇形图，所选择区域的放大图；以手动切换模式或自动播放模式向用户进行展示；用户框选交互模块：用于向用户提供在扇形图上选取区域的方式，包括框选和点选两种方式；目标检测模块：用于按照探测方法逻辑依次调用相关的处理和检测算法，得到用户所选区域的检测结果，并向用户进行展示。一种基于计算机视觉的水下小目标声呐探测系统的探测方法，包括以下步骤：S1、将船舰开至待探测水域,通过所述船舰上的声呐设备、GPS、船舰姿态以及传感器获取待探测水域下的声呐数据、船舰的位置信息、姿态信息，将获得的信息打包进行结构化存储；S2、将步骤S1中打包后的数据进行预处理，分离得到原始声呐数据以及船舰的位置和姿态参数信息，将所述原始声呐数据转换为声呐矩形图；S3、对所述声呐矩形图形进行变换，得到以船舰为中心原点的扇形图；S4、通过所述后处理单元，在所述扇形图上框选区域，并将所述框选区域的坐标进行反变换，得到所述区域在所述矩形图中的坐标位置，将矩形图中的区域截取出来，直接输入目标检测模型进行推理，得到检测结果；S5、若所述步骤S4中目标检测模型推理得到的结果低于所设置信度阈值时，则根据所述船舰位置信息和姿态信息，经过图像三维投影单元，将所述框选区域投影到扇形图中，计算出所选区域在其前后N帧中的位置坐标，将所述位置坐标区域经过反变换处理，在矩形图中截取出来，输入到目标检测模型进行推理，得到N个临时检测结果，最后计算出一个综合检测结果；S6、若经过所述步骤S5后得到的检测结果，置信度仍然低于所设阈值，则将所述经过三维投影单元得到的图像，经过所述图像配准单元，将某一帧扇形图和其前后N帧图像中的同一块投影区域进行融合；将所述N帧图像融合为一张特征信息得到增强的图像，输入到目标检测模型进行推理，得到最终检测结果。优选地，所述步骤S1中船舰位置信息和姿态信息包括：船舰经纬度、船舰航速、船舰航向角、船舰纵摇角、船舰横摇角，基阵舷角，基阵俯仰角、基阵横摇角，将所述船舰位置信息和姿态信息以相同格式打包到一起，进行结构化存储。本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术通过使用计算机视觉领域人工智能目标检测算法，有效地解决了水声图像样本较少、成像后质量不高，存在像素少、噪声干扰与大背景干扰等问题，避免了人工提取特征不准确对结果的影响，降低了成本，且不需要大量样本；(2)本专利技术大大提高了对声呐目标的检测速度和准确率，能够在船舶航行中实时对一些小目标进行探测，辅助操作人员进行决策，同时提供了直观友好的软件操作界面，使操作人员更易理解和操作声呐数据；(3)本专利技术从方法和系统上详细介绍了探测水下小目标的步骤，具有较高的精度，操作方便，便于维护和更新，具有极大的应用价值和军事效益。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为基于计算机视觉的水下小目标探测系统的示意图；图2为基于计算机视觉的水下小目标探测方法的流程图；图3为基于计算机视觉的水下小目标探测系统的执行流程图；图4为基于计算机视觉的水下小目标探测系统的主界面示意图。具体实施方式本专利技术能够利用声呐设备探测水中的环境情况，对水中的水雷、基阵、管线和潜标4类目标进行有效探测，并准确确定目标的种类本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于计算机视觉的水下小目标声呐探测系统，其特征在于，包括：/n数据采集单元：用于采集目标水域下的环境声呐数据以及船体的位置和姿态信息，并打包进行结构化存储；/n预处理单元：用于读取打包后的数据，将其解包，从解包后的数据分离出原始声呐数据和其他传感器采集的船舰姿态位置数据，将所述原始声呐数据转换为声呐矩形图形式；/n矩形图与扇形图变换与反变换单元：用于对所述声呐矩形图形进行变换，得到以船体为中心原点的扇形图表现形式，将所述扇形图中的坐标反变换到矩形图中的坐标；/n图像三维投影单元：用于根据船体的经纬度、航向、航速、姿态信息，计算出某一帧所述扇形图中的某个区域在其前后若干帧中的位置信息；/n图像配准单元：用于根据所述三维投影单元得到的结果，将所述某一帧扇形图和其前后若干帧中的同一投影区域进行融合，以增强目标特征；/n目标检测单元：用于根据用户在所述扇形图中框选出的区域，针对水雷、基阵、管线以及潜标这四种典型水下小目标进行检测，输出检测结果；/n后处理单元：用于将所述声呐扇形图、船舰的位置和姿态信息、目标检测结果以图形化的方式进行展示，同时提供与用户进行交互的环境，方便用户在所述声呐扇形图上选取区域。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于计算机视觉的水下小目标声呐探测系统，其特征在于，包括：
数据采集单元：用于采集目标水域下的环境声呐数据以及船体的位置和姿态信息，并打包进行结构化存储；
预处理单元：用于读取打包后的数据，将其解包，从解包后的数据分离出原始声呐数据和其他传感器采集的船舰姿态位置数据，将所述原始声呐数据转换为声呐矩形图形式；
矩形图与扇形图变换与反变换单元：用于对所述声呐矩形图形进行变换，得到以船体为中心原点的扇形图表现形式，将所述扇形图中的坐标反变换到矩形图中的坐标；
图像三维投影单元：用于根据船体的经纬度、航向、航速、姿态信息，计算出某一帧所述扇形图中的某个区域在其前后若干帧中的位置信息；
图像配准单元：用于根据所述三维投影单元得到的结果，将所述某一帧扇形图和其前后若干帧中的同一投影区域进行融合，以增强目标特征；
目标检测单元：用于根据用户在所述扇形图中框选出的区域，针对水雷、基阵、管线以及潜标这四种典型水下小目标进行检测，输出检测结果；
后处理单元：用于将所述声呐扇形图、船舰的位置和姿态信息、目标检测结果以图形化的方式进行展示，同时提供与用户进行交互的环境，方便用户在所述声呐扇形图上选取区域。


2.根据权利要求1所述的基于计算机视觉的水下小目标声呐探测系统,其特征在于,所述数据采集单元由船舰、云台、声呐设备、GPS仪、船体姿态传感器、数据采集卡组成。


3.根据权利要求2所述的基于计算机视觉的水下小目标声呐探测系统,其特征在于,所述云台用于稳定船体；所述声呐设备用于采集目标水域下的环境声呐数据；所述GPS仪用于采集船舰的位置数据；所述船体姿态传感器用于采集船体的姿态信息；所述数据采集卡用于将所采集到的模拟信号转换成数字信号。


4.根据权利要求1所述的基于计算机视觉的水下小目标声呐探测系统，其特征在于，所述探测系统中还包括UI操作界面，所述UI操作界面包括：
软件配置模块：用于配置输入的原始数据文件、参数文件、软件运行过程中产生的缓存文件的路径，以及一些相关配置；
船舰信息展示模块：用于显示由原始数据解析而来的船舰所处的环境及位置姿态信息；
声呐数据展示模块：用于以直观的形式向用户展...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦金玉，曾丹，周字辉，朱晓强，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海;31