CN102854508A - 一种船舶底部目标识别方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶底部目标识别方法和系统，该方法采用三维声纳和水下机器人相结合的方式，当布放水下机器人之后，三维声纳将水下机器人引导到可疑目标附近，控制水下机器人下潜至可疑目标所在深度处，通过水下摄像机对可疑目标进行近距离光学成像识别和确认。同时在本发明的系统中将三维声纳通过云台安装在识别船上，声纳的位置能够随识别船移动，扩大了系统的监测区域，从而可在海面对可疑船只进行检测，而不局限于港口、水坝、船闸等位置；同时声纳能够在云台的带动在转动，扩大了声纳的探测区域，保证对可疑船只底部探测的彻底。

Description

一种船舶底部目标识别方法和系统

技术领域

本发明涉及一种船舶底部目标识别方法和系统。

背景技术

随着国际战略形势的变化，敌对冲突模式也在不断发展。“9.11事件”的发生，彻底改变了传统意义上的恐怖袭击方式，多元化、隐蔽性的特点日趋突出。海事安全已成为国际反恐行动的一个重要组成部分，江河大坝、港口等是我国重要的水利及军事设施，来往船舶众多，对其保护愈发显得重要。目前，该类区域虽拥有完善的陆上和水面安全检查措施，但船舶水面以下部分的安检手段极度匮乏。恐怖分子控制民用船舶后，一旦将水下爆炸物放置在船舶底部水下（附着在船底或拖曳在船底），就可能顺利通过现有的陆上安全检查，对该类设施发动恐怖袭击，引起经济损失、造成政治影响和社会恐慌，打击民众心理防线、严重的甚至可能造成社会动乱。

在公告号为CN 202107082U的专利“船舶底部水下安全检测装置”中公开了一种运用多波束图像声纳对船舶底部进行安全检测的装置。该装置中声纳固定在水底的浮动平台上，浮动平台不能移动，仅深度可调，声纳的信号发射端朝向水面，只有在船舶从声纳上方通过时，声纳才能够对船舶底部进行三维成像，以监控船舶底部无附着或拖带的可疑目标。但该装置只能对进出港口、水坝、船闸等部位的船舶底部进行安全检查，同时通过多波束声纳形成船底目标的声学图像，仅能判断是否有无可疑目标，而不能对可疑目标作进一步的准确识别和确认。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种船舶底部目标识别方法和系统，该方法应用三维声纳和水下机器人相结合的方式对船舶底部进行安全检查，能够对已探测到的可疑目标作进一步的识别和确认。

该方法采用三维声纳和水下机器人联合工作的方式对受检船舶底部的可疑目标进行识别。其中三维声纳和水下机器人均与识别船相连，水下机器人带有摄像机，对受检船舶的船底进行近距离的光学成像。所述三维声纳和水下机器人的联合工作方式为：当通过三维声纳的声纳图像确定受检船舶底部有可疑目标后，布放水下机器人，使其位于三维声纳的探测区，此时水下机器人和可疑目标均显示在三维声纳的声纳图像中，此时再控制水下机器人移动至可疑目标附近，水下机器人通过其自身的摄像机对可疑目标进行近距离光学成像，并将图像实时发送给识别船。

当通过三维声纳的声纳图像确定受检船舶底部有可疑目标后，在三维声纳和水下机器人的联合工作之前，先将水下机器人布放入水中后先控制水下机器人先从水面航行到受检船舶附近，然后再下潜至可疑目标所在深度。水下机器人通过其自身的摄像机对受检船舶的船底进行近距光学成像，并将图像实时发送给识别船。若水下机器人发送的图像中没有可疑目标，认为水下机器人在水下的搜寻受到水流和水质的影响，然后再进入所述的三维声纳和水下机器人的联合工作方式。

通过三维声纳确定受检船舶底部可疑目标的过程为：

步骤一：受检船舶在指定区域抛锚停泊，识别船将三维声纳布放到水下设定深度。

步骤二：识别船围绕受检船舶移动，同时调整三维声纳信号发射端的角度，三维声纳对受检船舶的底部进行扫描，并将扫描的声纳图像发送给识别船。若声纳图像中有异常，则初步认为有可疑目标，进入步骤三。否则认为受检船舶的底部没有可疑目标，结束扫描。

步骤三：通过声纳图像判断可疑目标的位置：在识别船的船顶固定有姿态测量与定位模块。姿态测量与定位模块利用其自身测量的识别船的位置信息，在该信息上补偿叠加三维声纳安装点与姿态测量与定位模块安装点的位置偏移量后得到三维声纳的绝对坐标位置，然后依据可疑目标在声纳图像上的位置确定可疑目标的绝对坐标位置。

基于上述方法的船舶底部目标识别系统包括三维声纳、水下云台、姿态测量与定位模块、控制模块、水下机器人和识别船。其中控制模块位于识别船的控制室内，控制模块包括声纳主机、控制主机和显控单元。

其连接关系为：三维声纳固定在水下云台上，水下云台通过伸缩杆安装在识别船的外舷水下。三维声纳与声纳主机相连，声纳主机接收三维声纳的信号。水下云台与控制主机相连，控制主机控制水下云台转动。姿态测量与定位模块固定在识别船船顶，姿态测量与定位模块与声纳主机相连。所述姿态测量与定位模块测量识别船的姿态信息和位置信息，其中位置信息用于提供识别船自身的绝对坐标位置，姿态信息用于补偿因识别船运动摇晃对三维声纳探测精度的影响。水下机器人与识别船上的显控单元相连，水下机器人带有摄像机，对受检船舶的船底进行近距离的光学成像。

通过该系统采用三维声纳和水下机器人的联合工作方式对受检船舶底部的可疑目标进行识别的方式为：当通过三维声纳的声纳图像确定受检船舶底部有可疑目标后，布放水下机器人，使其位于三维声纳的探测区，此时水下机器人和可疑目标均显示在三维声纳的声纳图像中，控制水下机器人移动至可疑目标附近，水下机器人通过其自身的摄像机对可疑目标进行近距离光学成像，并将图像实时发送给识别船上的显控单元。

采用该系统进行船舶底部目标识别的方式为：

识别船控制受检船舶在指定区域抛锚停泊，并将三维声纳和水下云台布放到水下设定深度。控制模块控制识别船围绕受检船舶移动，同时通过水下云台控制三维声纳调整角度对受检船舶底部进行扫描，并将扫描的信息发送给声纳主机，声纳主机进行声纳图像的显示。若声纳图像中有异常，则初步认为有可疑目标。否则，认为没有可疑目标，结束流程。初步认为有可疑目标后，显控单元控制水下机器人先从水面航行到受检船舶的附近，然后再下潜至可疑目标所在深度。水下机器人通过其自身的摄像机对船底可疑目标进行近距光学成像，并将图像实时发送给显控单元。若水下机器人进入水中后通过步骤三没有找到可疑目标，则进入三维声纳和水下机器人联合工作状态。

所述三维声纳内置角度传感器，补偿和修正水下云台转动引起的声纳图像目标偏移。

有益效果

（1）本发明采用三维声纳和水下机器人相结合的方式，当布放水下机器人之后，三维声纳将水下机器人引导到可疑目标附近，控制水下机器人下潜至可疑目标所在深度处，通过水下摄像机对可疑目标进行近距离光学成像识别和确认。

（2）在本发明中将三维声纳通过云台安装在识别船上，声纳的位置能够随识别船移动，扩大了系统的监测区域，从而可在海面对可疑船只进行检测，而不局限于港口、水坝、船闸等位置；同时声纳能够在云台的带动在转动，扩大了声纳的探测区域，保证对可疑船只底部探测的彻底。

附图说明

图1是本发明三维声纳和水下机器人联合工作示意图。

其中1-三维声纳，2-水下云台，3-姿态测量与定位模块，4-水下机器人，5-脐缆，6-识别船，7-伸缩杆，8-受检船舶

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本实施例提供一种船舶底部目标识别方法和系统，作业时先通过三维声纳对受检船舶底部进行扫描探测，锁定可疑目标后布放水下机器人，在三维声纳的引导下对受检船舶船底的可疑目标作近距离光学成像。

该船舶底部目标识别系统包括三维声纳1、水下云台2、姿态测量与定位模块3、水下机器人4和控制模块，这些设备均以识别船6为载体。

其连接关系为：控制模块位于识别船6的控制室内，包括声纳主机、控制主机和显控单元。三维声纳1固定安装在水下云台2上，水下云台2通过伸缩杆7安装在识别船6外舷水下，其深度可通过伸缩杆7调节。三维声纳1通过电缆与识别船6上的声纳主机连接，声纳主机接收三维声纳1的信号；水下云台2通过电缆与识别船6上的控制主机连接，控制主机控制水下云台2的转动，从而使水下云台2带动三维声纳转动（沿水平和竖直方向），实现三维声纳1对受检船舶8底部的扫描。姿态测量与定位模块3固定安装在识别船6船顶，与声纳主机相连；水下机器人4通过脐缆5连到识别船上的显控单元，水下机器人4在不工作时放置在识别船6的船舷上。水下机器人4自身带有摄像机，水下机器人4在三维声纳1的引导下对受检船舶8船底目标进行近距离光学成像后，将拍摄的图像发送给显控单元，显控单元同时还可显示水下机器人4的姿态。

姿态测量与定位模块3用于测量识别船6的姿态（横滚、俯仰和航向）信息和位置信息，其中姿态信息用于补偿因识别船6运动摇晃对三维声纳2探测精度的影响，位置信息用于提供识别船6自身的绝对坐标位置（经度和纬度）。姿态测量与定位模块3在补偿三维声纳1安装点与姿态测量与定位系统3安装点的位置偏移量之后，便可确定三维声纳1的绝对坐标位置。同时三维声纳1内置角度传感器，可以补偿和修正水下云台2转动引起的声纳图像目标偏移，确保扫描到的可疑目标绝对位置的实时性。而当系统进入三维声纳和水下机器人联合工作状态后，水下机器人4进入三维声纳探测区域7，利用三维声纳1的目标测量功能，水下机器人4相对三维声纳1的位置（包括目标深度和坐标位置）可以确定，经过系统坐标换算，便可确定水下机器人4的绝对坐标位置，从而控制水下机器人4移动。

船舶底部目标识别过程及方法如下：

（1）受检船舶8在指定区域抛锚停泊，识别船6出动，将三维声纳1和水下云台2布放到水下一定深度，该深度依据受检船舶8的吃水深度确定，保证声纳能够扫描到受检船舶8的整个船底。

（2）识别船6围绕受检船舶8缓慢移动，同时通过水下云台2控制三维声纳1转动调整角度对受检船舶8底部进行扫描，并将扫描的信息发送给声纳主机，声纳主机进行声纳图像的显示，用于判断船底是否有可疑目标、可疑目标的位置（经纬度）和深度。若声纳图像中有异常，则初步认为有可疑目标，进入步骤（3）；否则，认为没有可疑目标，结束流程。

（3）将水下机器人布放在水中，通过显控单元控制水下机器人先从水面航行到受检船舶8的附近，然后再下潜至可疑目标所在深度。水下机器人通过其自身的摄像机对船底可疑目标进行近距光学成像，并将图像实时发送给显控单元，操作人员通过图像对可疑目标进行进一步的识别和确认。

由于水下机器人4在水中位置和方向不确定，当其受到水流和水质的影响时会给水下机器人4快速搜寻船底目标带来了较大的困难，因此，需要用三维声纳1来引导水下机器人4快速高效地识别出可疑目标。

若水下机器人4进入水中后通过步骤（3）没有找到可疑目标，则初步认为水下机器人4在水下的搜寻受到水流和水质等因数的影响，则进入三维声纳和水下机器人联合工作状态。

图1所示为三维声纳和水下机器人联合工作示意图，显控单元控制水下机器人4航行到三维声纳探测区域7，此时水下机器人4和可疑目标均显示在三维声纳1的声纳图像中，显控单元控制水下机器人4移动至可疑目标附近，通过水下摄像机对可疑目标进行近距离光学成像，并将图像实时发送给显控单元，操作人员通过图像对可疑目标进行进一步的识别和确认。当确认可疑目标为疑似爆炸或危险品时，即通知相关部门进行处理。

本系统还具有将三维声纳图像和水下机器人光学图像通过无线方式传到沿岸指控中心的功能。

采用该系统能够对以双船或多船捆绑形式组成的船队船底可疑目标进行检查识别，同时可扩展到海关缉私领域，可对敏感海域的可疑船舶底部进行检查，防止船底非法拖带走私物品或违禁物品。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种船舶底部目标识别方法，其特征在于，该方法采用三维声纳（1）和水下机器人（4）联合工作的方式对受检船舶（8）底部的可疑目标进行识别；其中三维声纳（1）和水下机器人（4）均与识别船（6）相连，水下机器人（4）带有摄像机，对受检船舶（8）的船底进行近距离的光学成像；所述三维声纳（1）和水下机器人（4）的联合工作方式为：当通过三维声纳（1）的声纳图像确定受检船舶（8）底部有可疑目标后，布放水下机器人（4），使其位于三维声纳（1）的探测区，此时水下机器人（4）和可疑目标均显示在三维声纳（1）的声纳图像中，此时再控制水下机器人（4）移动至可疑目标附近，水下机器人（4）通过其自身的摄像机对可疑目标进行近距离光学成像，并将图像实时发送给识别船（6）。

2.如权利要求1所述的一种船舶底部目标识别方法，其特征在于，当通过三维声纳（1）的声纳图像确定受检船舶（8）底部有可疑目标后，在三维声纳（1）和水下机器人（4）的联合工作之前，先将水下机器人（4）布放入水中后先控制水下机器人（4）先从水面航行到受检船舶（8）附近，然后再下潜至可疑目标所在深度；水下机器人（4）通过其自身的摄像机对受检船舶（8）的船底进行近距光学成像，并将图像实时发送给识别船（6）；若水下机器人（4）发送的图像中没有可疑目标，认为水下机器人（4）在水下的搜寻受到水流和水质的影响，然后再进入所述的三维声纳（1）和水下机器人（4）的联合工作方式。

3.如权利要求1或2所述的一种船舶底部目标识别方法，其特征在于，通过三维声纳（1）确定受检船舶（8）底部可疑目标的过程为：

步骤一：受检船舶（8）在指定区域抛锚停泊，识别船（6）将三维声纳（1）布放到水下设定深度；

步骤二：识别船（6）围绕受检船舶（8）移动，同时调整三维声纳（1）信号发射端的角度，三维声纳（1）对受检船舶的（8）底部进行扫描，并将扫描的声纳图像发送给识别船（6）；若声纳图像中有异常，则初步认为有可疑目标，进入步骤三；否则认为受检船舶的（8）底部没有可疑目标，结束扫描；

步骤三：通过声纳图像判断可疑目标的位置：在识别船（6）的船顶固定有姿态测量与定位模块（3）；姿态测量与定位模块（3）利用其自身测量的识别船（6）的位置信息，在该信息上补偿叠加三维声纳（1）安装点与姿态测量与定位模块（3）安装点的位置偏移量后得到三维声纳（1）的绝对坐标位置，然后依据可疑目标在声纳图像上的位置确定可疑目标的绝对坐标位置。

4.一种船舶底部目标识别系统，其特征在于，该系统包括三维声纳（1）、水下云台（2）、姿态测量与定位模块（3）、控制模块、水下机器人（4）和识别船（6）；其中控制模块位于识别船（6）的控制室内，控制模块包括声纳主机、控制主机和显控单元；

其连接关系为：三维声纳（1）固定在水下云台（2）上，水下云台（2）通过伸缩杆（7）安装在识别船（6）的外舷水下；三维声纳（1）与声纳主机相连，声纳主机接收三维声纳（1）的信号；水下云台（2）与控制主机相连，控制主机控制水下云台（2）转动；姿态测量与定位模块（3）固定在识别船（6）船顶，姿态测量与定位模块（3）与声纳主机相连；所述姿态测量与定位模块（3）测量识别船（6）的姿态信息和位置信息，其中位置信息用于提供识别船（6）自身的绝对坐标位置，姿态信息用于补偿因识别船（6）运动摇晃对三维声纳（2）探测精度的影响；水下机器人（4）与识别船（6）上的显控单元相连，水下机器人（4）带有摄像机，对受检船舶（8）的船底进行近距离的光学成像；

通过该系统采用三维声纳（1）和水下机器人（4）的联合工作方式对受检船舶（8）底部的可疑目标进行识别的方式为：当通过三维声纳（1）的声纳图像确定受检船舶（8）底部有可疑目标后，布放水下机器人（4），使其位于三维声纳（1）的探测区，此时水下机器人（4）和可疑目标均显示在三维声纳（1）的声纳图像中，控制水下机器人（4）移动至可疑目标附近，水下机器人（4）通过其自身的摄像机对可疑目标进行近距离光学成像，并将图像实时发送给识别船（6）上的显控单元。

5.如权利要求4所述的一种船舶底部目标识别系统，其特征在于，采用该系统进行船舶底部目标识别的方式为：

识别船（6）控制受检船舶（8）在指定区域抛锚停泊，并将三维声纳（1）和水下云台（2）布放到水下设定深度；

控制模块控制识别船（6）围绕受检船舶（8）移动，同时通过水下云台（2）控制三维声纳（1）调整角度对受检船舶（8）底部进行扫描，并将扫描的信息发送给声纳主机，声纳主机进行声纳图像的显示；若声纳图像中有异常，则初步认为有可疑目标；否则，认为没有可疑目标，结束流程；

初步认为有可疑目标后，显控单元控制水下机器人先从水面航行到受检船舶（8）的附近，然后再下潜至可疑目标所在深度；水下机器人通过其自身的摄像机对船底可疑目标进行近距光学成像，并将图像实时发送给显控单元；

若水下机器人（4）进入水中后通过步骤三没有找到可疑目标，则进入三维声纳和水下机器人联合工作状态。

6.如权利要求4所述的一种船舶底部目标识别系统，其特征在于，所述三维声纳（1）内置角度传感器，补偿和修正水下云台（2）转动引起的声纳图像目标偏移。

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