一种基于变分模态的浅剖声纳信号去噪方法及系统与流程

本发明涉及雷达数据处理，更具体的说是涉及一种基于变分模态的浅剖声纳信号去噪方法及系统。

背景技术：

1、目前，浅地层剖面仪(浅剖)可以实现海底浅地层结构的精细成像，在海洋科学研究和海洋工程应用中有着广泛的应用。

2、然而，浅剖测量过程受噪声干扰严重，降低了数据可用性。浅剖噪声包含外源干扰、测量环境干扰和水体障碍物干扰。外源干扰主要由船体、螺旋桨或其他声纳设备等产生，常表现为噪声频带宽、船速低时噪声小等特点。测量环境干扰包含海况影响、风浪及涌浪引起的信噪比降低，此外，水体流速和测量船速，因换能器与与水流的摩擦增大,也会导致噪声增加。水体障碍物干扰主要指的是在浅剖作业时，水草、渔网、浮漂等障碍物，会影响换能器的声波收发。通常同一批浅剖数据包含多类噪声，难以去除，显著降低了数据可用性。

3、因此，如何去除浅剖数据中的噪声是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种基于变分模态的浅剖声纳信号去噪方法及系统，先采用海底线提取方法，得到对应的海底位置；然后将海底位置以上回波视为含有噪声频率特征的信号，通过噪声的频谱分布，分析噪声的模态，选择删除噪声对应的模态，去除了浅剖数据中的噪声。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于变分模态的浅剖声纳信号去噪方法，其特征在于，包括：

4、获取浅剖回波数据，对所述浅剖回波数据进行滤波增强，获取线状结构；

5、预先设置阈值，将所述线状结构中回波峰值点与所述阈值进行比较，提取大于所述阈值的回波峰值点作为海底点，进一步获取海底位置；

6、根据所述海底位置提取海底以上位置的噪声频率信息，获取噪声频谱；

7、提取所述噪声频谱中主要峰值点对应的频率作为中心频率，通过变分模态提取法提取噪声模态，将所述浅剖回波数据去除所述噪声模态；

8、将去除噪声模态的所述浅剖回波数据进行图像生成，获取浅剖灰度图。

9、优选的，所述滤波增强具体包括：

10、

11、

12、其中，im(δ0)是尺度参数为δ0时的增强滤波后的浅剖图像；rb表征线状结构；s表征高强度反射特征；λ1，λ2是黑塞矩阵h的特征值；γ和κ为增强滤波中的调节参数，a和m为垂直结构抑制参数；为方向信息，v是垂直结构抑制项。

13、优选的，所述预先设置阈值具体包括：

14、amp(i)-amp(i-1)＞thbottom；

15、其中，amp(i)为第i个峰值值点对应的灰度值，thbottom为给定阈值。

16、优选的，所述获取噪声频谱具体包括：根据所述海底位置提取海底以上位置的回波，将所述回波进行处理形成回波序列sn，其频谱为噪声频谱fn。

17、优选的，所述提取噪声模态具体包括：

18、

19、

20、

21、f(t)＝fr(t)+ud(t)；

22、

23、

24、其中，ωd为对应ud的中心频率，ud为窄带模态，j1和j2均为损失函数，β(t)为所用滤波器的脉冲响应，fr(t)为残差信号，f(t)为原输入信号，λ为拉格朗日乘子，为对时间求偏导，δ(t)为狄拉克函数；j为虚数符号，t为时间，β(ω)为模态间距评估项，α为约束参数，ω为频率，ωk为第k个模态的中心频率。

25、优选的，所述将所述浅剖回波数据去除所述噪声模态具体包括：

26、

27、其中，signal为输入浅剖回波数据，signaldenoise为去噪后的浅剖回波数据；n为噪声频谱fn中主要峰值点个数，ui为对应于噪声频谱fn峰值点频率的模态。

28、优选的，所述获取浅剖灰度图具体包括：获取所述去噪后的浅剖回波数据的瞬时振幅数据，根据所述瞬时振幅数据进行图像生成，同时通过灰度突出感兴趣区域。

29、一种基于变分模态的浅剖声纳信号去噪系统，包括：

30、结构获取模块，获取浅剖回波数据，对所述浅剖回波数据进行滤波增强，获取线状结构；

31、位置获取模块，预先设置阈值，将所述线状结构中回波峰值点与所述阈值进行比较，提取大于所述阈值的回波峰值点作为海底点，进一步获取海底位置；

32、频谱提取模块，根据所述海底位置提取海底以上位置的噪声频率信息，获取噪声频谱；

33、噪声去除模块，提取所述噪声频谱中主要峰值点对应的频率作为中心频率，通过变分模态提取法提取噪声模态，将所述浅剖回波数据去除所述噪声模态；

34、图像获取模块，将去除噪声模态的所述浅剖回波数据进行图像生成，获取浅剖灰度图。

35、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于变分模态的浅剖声纳信号去噪方法及系统，采用增强滤波和阈值提取方法提取海底线；然后分析海底线以上水体回波中噪声的频域信息，提取噪声成分的主要中心频率。再基于变分模态提取方法提取原始浅剖回波信号中对应于这些中心频率的主要模态，并将之作为噪声模态从原浅剖信号中去除，取得了较好的去噪效果。

技术特征：

1.一种基于变分模态的浅剖声纳信号去噪方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于变分模态的浅剖声纳信号去噪方法，其特征在于，所述滤波增强具体包括：

3.根据权利要求1所述的一种基于变分模态的浅剖声纳信号去噪方法，其特征在于，所述预先设置阈值具体包括：

4.根据权利要求1所述的一种基于变分模态的浅剖声纳信号去噪方法，其特征在于，所述获取噪声频谱具体包括：根据所述海底位置提取海底以上位置的回波，将所述回波进行处理形成回波序列sn，其频谱为噪声频谱fn。

5.根据权利要求1所述的一种基于变分模态的浅剖声纳信号去噪方法，其特征在于，所述提取噪声模态具体包括：

6.根据权利要求4所述的一种基于变分模态的浅剖声纳信号去噪方法，其特征在于，所述将所述浅剖回波数据去除所述噪声模态具体包括：

7.根据权利要求6所述的一种基于变分模态的浅剖声纳信号去噪方法，其特征在于，所述获取浅剖灰度图具体包括：获取所述去噪后的浅剖回波数据的瞬时振幅数据，根据所述瞬时振幅数据进行图像生成，同时通过灰度突出感兴趣区域。

8.一种基于变分模态的浅剖声纳信号去噪系统，其特征在于，包括：

技术总结
本发明公开了一种基于变分模态的浅剖声纳信号去噪方法及系统，涉及雷达数据处理技术领域，包括获取浅剖回波数据，对浅剖回波数据进行滤波增强，获取线状结构；预先设置阈值，将线状结构中回波峰值点与阈值进行比较，提取大于阈值的回波峰值点作为海底点，进一步获取海底位置；根据海底位置提取海底以上位置的噪声频率信息，获取噪声频谱；提取噪声频谱中主要峰值点对应的频率作为中心频率，通过变分模态提取法提取噪声模态，将浅剖回波数据去除噪声模态；将去除噪声模态的浅剖回波数据进行图像生成，获取浅剖灰度图。本发明有效地解决了浅剖噪声信息复杂带来的浅剖图像质量差、解译困难难题。

技术研发人员：李正元,李邵波,汪诗奇,郑浩,彭聪,陈静,谢安远,何西,陈婷婷,刘文萧,陈栋,关安钦
受保护的技术使用者：国家海洋局南海调查技术中心（国家海洋局南海浮标中心）
技术研发日：
技术公布日：2024/8/26