侧扫声呐海底管道检测关键技术研究

摘要

海底管道作为输送石油、天然气的重要载体，长期铺设于海底，受海底复杂环境的影响常常会出现悬空裸露等现象，存在巨大的安全隐患。目前对海底管道状态的检测多依赖于侧扫声呐、管线仪等声学设备，根据探测得到的声学图像直观的判断海底管道的存在状态，效率低、准确性差。本文基于侧扫声呐检测海底管道做了系统的研究，并获得了初步成果。主要研究内容有：
　　（1）针对现在各类资料对侧扫声呐成像原理的众多解译，重新梳理了其正确的成像机理，分析了其发射信号形式及其适用性，区分了侧扫声呐系统几个性能探测指标的概念并分析了其影响因素。
　　（2）设计了完整的外业数据采集流程和方法，利用侧扫声呐系统采集了原始实验数据，分析了海底管道在声呐图像上存在的几种状态，根据实测侧扫声呐图像和水深数据对海底管道状态做了初步的解译。
　　（3）为更准确评估海底管道的存在状态，对原始XTF格式侧扫声呐数据进行了解码，分析了从数据解析到形成侧扫声呐地理编码图的每一步，提出了联合单波束的海底线检测方法，经过各项改正后得到了消除各种畸变的侧扫声呐地理编码图，最后将各部分算法进行了封装和集成，形成了一套海底管道侧扫声呐数据可视化系统，能快速查看、提取和处理原始数据中包含的所有信息。
　　（4）以得到的侧扫声呐图像为基础，探讨了声呐图像常见的噪声类型，针对性的研究了侧扫声呐图像的去噪算法和分割算法，发现基于Ping滤波效果最好的为维纳滤波，基于图像滤波效果最好的为双边滤波；针对侧扫声呐图像分割主要研究了模糊聚类分割算法和阈值分割算法，结果表明针对本文实验数据聚类算法效果不佳，提出了基于双阈值的直方图双谷法，并与其他阈值分割算法对比分析，结果表明双阈值Ostu算法结果最优；根据分割后的声呐图像，提出联合管道自阴影的形状恢复方法，利用边缘检测效果最好的Canny算子提取阴影和目标边界坐标，判断海底管道状态并计算其悬空裸露高度，从而恢复海底管道形状，并与实测管道单波束断面数据对比分析，验证了本文方法的有效性，最后将图像处理各算法集成开发一套海底管道检测处理软件。

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摘 要

Abstract

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Contents

1 绪论

1.1 研究背景及选题意义

1.2 国内外研究现状及趋势

1.2.1 侧扫声呐探测技术发展现状

1.2.2 侧扫声呐检测海底管道现状

1.3 论文组织结构及研究内容

2 侧扫声呐信号仿真及性能指标分析

2.2 侧扫声呐的系统组成和成像原理

2.2.1 侧扫声呐的系统组成

2.2.2 侧扫声呐的成像原理

2.3 侧扫声呐信号特性及仿真分析

2.3.1 CW 信号特性及仿真分析

2.3.2 Chirp 信号特性及仿真分析

2.4 侧扫声呐系统性能探测指标分析

2.4.1 分辨率、分辨力和检测力

2.4.2 横向分辨力

2.4.3 纵向分辨力

2.4.4 分辨力的影响因素及船速控制

2.5 本章小结

3.3 数据采集方法设计

3.3.1 实验仪器和测线设计

3.3.2 数据采集

3.4 侧扫声呐检测海底管道状态分析

3.4.1 平坦海底面管道状态分析

3.4.2 管道沟内管道状态分析

3.5 测量结果初步分析

3.5.1 海底水深地形特征

3.6 本章小结

4 侧扫声呐数据解析、海底线检测及可视化系统

4.2.1 XTF 文件格式

4.2.2 XTF 文件读取流程

4.2.3 声强转换模型及图像插值

4.3 海底线检测方法研究

4.3.1 联合单波束测深的海底线检测

4.3.2 半自动阈值法检测海底线

4.4 侧扫声呐图像畸变类型及改正方法

4.4.1 几何畸变类型及改正

4.4.2 灰度畸变类型及改正

4.5 航迹处理与像素地理编码

4.5.1 航迹处理

4.5.2 像素地理编码

4.6 海底管道可视化系统

4.7 本章小结

5 基于侧扫声呐图像的海底管道形状恢复

5.1.1 侧扫声呐图像噪声模型

5.1.2 Ping 数据去噪方法

5.1.3 侧扫声呐图像去噪方法

5.2 侧扫声呐图像分割算法研究

5.2.1 基于模糊聚类的侧扫声呐图像分割

5.3 联合自阴影的海底管道形状恢复

5.3.1 边缘检测算法

5.4 海底管道检测软件

6 结论和展望

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文及参加项目情况