[论文笔记|声呐]——侧扫声呐图像的三维重建

总框架

1. 侧扫声呐探测原理

2. 侧扫声呐原始文件格式解析

侧扫声呐文件是格式特殊的二进制数据，需自带软件才可打开，不可直接进行数据和图像的处理，因此在进行侧扫声呐图像数据预处理以及三维重构之前，必须将原始数据格式转化成通用的图像格式。

2.1 XTF格式

侧扫声呐原始文件格式主要介绍XTF格式。

XTF文件格式：由Triton公司制定的可扩展数据格式，可保存声呐、航行、遥测和测深等多种类型的信息，是目前国内外通用的侧扫声呐数据格式。

XTF格式开始于XTF头文件结构，长度是1024字节的倍数，紧接着是不同类型的数据包，包括声呐、测深、姿态和注释四种类型。每个数据包都有N个Ping数据，每一个Ping都有头文件和通道信息。

通道头文件长度为64字节，包含了当前通道是左舷还是右舷，斜距量程以及每一Ping的持续时间等信息。

2.2 侧扫声呐数据解析软件系统

采用某种系统开发语言，比如Visual C#，实现侧扫声呐文件的信息提取以及格式转化。

3. 侧扫声呐图像数据预处理

3.1 海底线检测

海底线是侧扫声呐图像中表征拖至海底高度变化的线，它既是侧扫声呐横向增益的起始线，也是几何校正的基准线。正确检测海底线是侧扫声呐图像预处理的关键一步。海底线检测的方法有很多，比如LOG算子、振幅阈值法、梯度法、人工干预法等。

3.2 增益补偿

侧扫声呐在数据采集的过程中，由于海水对声波的吸收和散射作用以及声波的扩散，使得声波在海水中传播时，随着距离的增大，其反向散射强度逐渐衰减，在图像上表现出近距端亮度大、远距端亮度小的反差。其次，侧扫声呐图像靠近海底处的灰度变化还与声呐波束角有关，包括波束模式和掠射角。

为消除距离对回波强度的影响，介绍两种增益补偿方法——平均振幅增益补偿、平均灰度增益补偿。

3.2.1平均振幅增益补偿

寻找一处同底质且较为平坦的区域(不包括海底线区域，否则会减弱补偿效果)求解出补偿曲线

3.2.2 平均灰度增益补偿

为计算每个窗口的增益值，首先计算每个窗口内采样点均值：

3.3 几何校正

3.1 斜距改正

3.2 航迹处理

1. 若在原始声呐文件中读取到的原始经、维度值呈阶梯状变化，需对航迹数据进行内插处理，从而使航迹光滑。
2. 
   

3.3 地理编码

根据以上步骤，最终得到一幅削弱了增益畸变、几何畸变并具有地理坐标的侧扫声呐图像，为后续的声呐图像三维重建奠定基础。

4. 基于阴影信息的水下目标物三维重建

4.1 二维亮度图生成

4.2 二维高度图生成

【注意】目标物边缘处到的高度值计算步骤：

4.3 坐标系转换

1. 构建坐标系
   
   
   
   【具体步骤】
   
   
   

4.4 三维点云成像

利用PCL点云库结合亮度图和高度图生成三维点云数据。

参考文献