开发和部署声纳和回声探测器数据分析软件

虽然卫星照片和雷达提供高分辨率的图像几乎每平方米的地球表面,海底色斑、更详细的意见。然而精确的海底地图是至关重要的科学研究和许多工业应用。超出其对海洋、地球科学和生物学,精确的轮廓和海底的组成知识帮助电力公司风电场和钻井平台,通信公司计划铺设光纤电缆,和环境专家评估气候变化对海洋的影响。

海底的相对模糊的观点并不是由于缺乏数据;船舶配备多波束回声探测器(mbes)和侧扫声纳系统调查的广泛区域,收集tb的原始海洋数据。科学家和工程师可以应用这些信息在他们的工作,然而,他们必须将它转换为有意义的数据。

虽然我不是专家程序员,MATLAB^®使我能够运用我的专业知识在信号处理和声纳来开发和部署SonarScope^®高性能的软件产品,处理,分析和可视化原始MBES数据。SonarScope是高度可定制的,并且提供了一个原始MBES数据处理方法,使它成为一个宝贵的工具,研究人员和工程师需要测试和校准MBES系统。

MATLAB是一个理想的环境发展SonarScope因为它使我能够开发算法,可视化结果,然后细化算法在迭代周期。设计迭代需要更长时间语言(如c++),这需要额外的编译和链接的步骤,以及大量的额外的编程可视化结果。

从基本算法独立的软件

当我开始发展MBES和声纳数据分析算法,我没打算创建一个完整的软件包;我只是为我的研究需要可靠的分析工具。我开发了原始算法C发现C低效,因为缓慢的编译、链接,并执行周期,它无法在调试器中检查数据,我变成了MATLAB。

在我开发算法MATLAB交互,可以立即绘制结果看到任何变化的影响。从信号处理工具箱函数™、图像处理工具箱™、优化工具箱™,统计和机器学习工具™进一步加快开发,因为我不必自己编写和调试。

不久之后发展的基础算法,最终形成SonarScope我意识到,我的工作可以有一个更广泛的范围,更多的我的同事可以利用我的专业知识,如果我创建了一个图形界面驱动MBES数据的分析。激励我构建SonarScope界面使用自定义标签和按钮与我的同事们会容易理解的术语(图1)。接口是我同事好评。它也提高了其他机构的研究人员我的工作意识。

作为兴趣SonarScope扩大超出I,我用MATLAB编译器™建立一个独立的软件包,可以使用人员即使他们没有访问MATLAB。今天,SonarScope可以使用任何人员或工程师希望过程海底声纳数据的映射。

收集的数据

调查海底,一艘配备MBES占地面积映射,之后的一系列平行线。大片覆盖两岸的调查线路可达20公里宽。他们没有重叠,以确保区域地图上未标明的。船旅行在每片,MBES传送一系列高强度,短期ping。接收并处理每个萍几百束内部,直接带领的跨度从下面这艘船片的边缘(图2)。

对于每一个梁,MBES记录发射信号和接收之间的时间流逝的回声。这个指标是用来计算斜从船到海底发现梁和“看到”,最终建立数字地形模型描述海底。记录回波的强度,因为它与海底的反射率,因此其物理特性。这个反射率可以用来区分岩石,沙子,海底的植被和其他特性。

生产的海底地图精确到厘米,算法必须考虑回波延迟、传输光束角和运动(横滚、俯仰,委屈)的船。所有这些原始数据记录,连同船上的纬度和经度每平MBES传播。Gigabytes-sometimes tb的数据收集在一个调查中,通常持续几天到几个星期。

执行复杂的转换

从MBES设备获得的原始数据转换成海底地图需要涉及多个几何图形的复杂转换。使用MATLAB工具箱和映射™,我开发了算法处理数据为一个ping和计算海底的深度由萍(图3)。除了海底的识别特征,算法也检测水的特性。例如,他们可以检测气泡羽流由海底释放出的气体造成的。

水深、SonarScope之外执行许多不同种类的数据处理,所有由MATLAB和相关工具箱。金宝app统计和机器学习的工具箱,我使用MATLAB的图像处理工具箱,和信号处理工具箱实现降噪,斑点滤波、分割、和底部检测技术。我在SonarScope优化工具箱用于曲线拟合。我计划来取代自己的地图投影映射工具箱中提供的。

分割算法是基于纹理分析使用同现矩阵和伽柏过滤器(图4)。划分边境界限由基于MATLAB的自动分割算法。

应用面向对象的编程技术来处理非常大的数据集

SonarScope包含大约270000行MATLAB代码。类似的软件用C编写的一般包含一百万行或多行代码。然而,任何项目开发和维护与成千上万行代码可以是一个挑战没有有效地组织和重用代码的方法。我使用了面向对象(OO)的MATLAB语言来创建类的编程功能组件重用经常在整个应用程序中。例如,我定义了一个类图像,这使得它易于管理和操作实例的图像通过改变参数值。

处理非常大的数据集,SonarScope过程也更容易通过应用OO原则。大型矩阵控股g的数据上执行操作时,很容易耗尽计算机内存。为了解决这个问题,我创建了一个类,使用MATLABmemmapfile对象动态内存映射到硬盘上的文件。使用这种方法,我可以很容易地与10000 x 10000矩阵,但在内存中只使用120字节。这个类,访问一个变量的值是否相同或一个变量是一个MATLAB矩阵cl_memmapfile对象。

SonarScope接口利用可重用的类对象和面向对象设计模式通过MATLAB提供拖放功能,属性编辑器,键盘快捷键平移和缩放,和自定义菜单。

建立一个独立的应用程序

许多研究人员、科学家和工程师使用SonarScope熟悉MATLAB。然而,并不是每一个用户都是MATLAB专家,也不是所有用户的工作站安装了MATLAB。向这些用户提供一个解决方案,我使用MATLAB编译器创建独立SonarScope 32位和64位版本的Windows^®和Linux^®操作系统。

详细的和可定制的数据处理功能,SonarScope擅长帮助工程师核实,校准,排除他们MBES硬件。当MBES系统产生附加构件出现在数据,工程师使用SonarScope检查数据动态和识别工件的来源。在一个案例中,减少的数量直线上升,水深数据,一个MBES制造商取代底部检测算法和一个来自SonarScope他们使用。

SonarScope活跃和持续的发展。我继续更新代码利用MATLAB中可用的新特性,并与更多的研究使我有效协作的同事。