CN104459678A - 多波束测深系统实时横摇补偿的方法 - Google Patents

Abstract

一种多波束测深系统实时横摇补偿的方法，采用以下步骤：一：根据船姿测量仪对测深系统实时测量的横摇角度和上位机传输的校正角度，预测将要测量的多测深系统覆盖线所对应的波束角度；二：针对每个波束角度实时计算相应的相位补偿系数；三：将相位补偿系数通过坐标旋转数字计算模块计算出相应的正弦和余弦数值作为复系数；四：将得到的复系数和原始复数据对应乘累加得到波束形成结果，完成实时横摇补偿。本发明不仅能够根据对测深系统实时横摇角度，预测等覆盖线对应的波束角；而且根据实时波束角做波束形成，使得测量覆盖线不受船舶横摇的影响；解决了多波束测量中船舶左右摇摆导致测量覆盖线不均的问题，提高了测深系统的测量效率。

Description

多波束测深系统实时横摇补偿的方法

技术领域

本发明涉及测深系统的测量方法，尤其涉及一种多波束测深系统实时横摇补偿的方法。

背景技术

随着科学技术的不断发展，多波束测深系统在海底地形测量的作用越来越重要，它的出现大大提高了海底地形测量的效率和精度。但是，由于多波束测量船在行进过程中，受到风、海流等因素的影响，致使船的姿态(航偏角、横摇角、纵摇角)和动态吃水等发生变化，安装在船体上的多波束换能器也随之变化；而且，由于多波束实测断面与铅垂方向、航向之间存在有夹角，多波束实测的深度和平面位置，不再真实地反映波束脚印在当地坐标系下的位置。因此，必须对船姿引起的水深及水下地形误差进行补偿。

横摇补偿是多波束测深系统中较为重要的一项任务。目前，多波束测深系统中的横摇补偿，一般都是事后处理，在测量时，记录下原始数据和横摇数据，并在后处理时再做补偿。这样，其所测得的测深系统覆盖线将会随着横摇角度的变化，出现忽左忽右的情况，导致测深系统覆盖线整体不均匀。这就要求两条测线间要有较高的交叠率，因此，降低了测深系统的测量的效率。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术存在的上述缺点，而提供一种多波束测深系统实时横摇补偿的方法，其不仅能够根据对测深系统实时横摇角度，预测等覆盖线对应的波束角；而且，根据实时波束角做波束形成，使得测量覆盖线不受船舶横摇的影响；解决了多波束测量中船舶左右摇摆导致测量覆盖线不均的问题，降低了测线间的交叠率，有效地提高了测深系统的测量效率。

本发明的目的是由以下技术方案实现的：

一种多波束测深系统实时横摇补偿的方法，其特征在于：采用以下步骤：

第一步：根据船姿测量仪对测深系统实时测量的横摇角度和上位机传输的校正角度，预测将要测量的多测深系统覆盖线所对应的波束角度；

第二步：针对每个波束角度实时计算相应的相位补偿系数；其中，相位补偿系数计算公式为：

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ik}}=i\frac{2\mathrm{\πl}}{\mathrm{\λ}}\sin \left({\mathrm{\θ}}_0\left(k\right)\right)$

式中：i代表输入数据的通道序号，k代表波束形成的波束序号，φ_ik代表第i路原始数据在第k个波束上的相移角度，λ代表接收声信号的波长，l代表基阵长度，π为圆周率，θ₀(k)代表第k个波束的预成波束角度，sin()代表正弦函数；

第三步：将相位补偿系数通过坐标旋转数字计算模块计算出相应的正弦和余弦数值作为复系数；

第四步：将得到的复系数和原始复数据对应乘累加得到波束形成结果，完成实时横摇补偿，其中，波束形成公式为：

$V\left(k\right)=\underset{i=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i(\cos \left({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ik}}\right)-j\sin \left({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ik}}\right)));$

式中：V(k)代表波束形成的k个波束输出，V_i代表第i路原始数据输入信号，M代表原始数据的总通道数，j代表复数的虚部，cos()代表余弦函数。

所述第一步中，姿态传感器的横摇角度输出速率要达到10Hz以上，并对姿态传感器的横摇角度进行插值滤波处理，使姿态传感器的横摇角度高速率输出；上位机传输的校正角度，是在测量之前，通过相关校准方法得到的系统实际横摇偏差值；预测的覆盖线位置是相对大地坐标系的，所对应的波束角度按照等角或等距方式计算。

所述第三步中，坐标旋转数字计算模块迭代次数需达到20次以上，以保证波束形成的精度。

一种为实施上述多波束测深系统实时横摇补偿方法的装置，其特征在于：包括：一可编程片上系统平台、与可编程片上系统平台相连的实时横摇补偿波束形成器，其中，可编程片上系统平台包括：用于实时参数计算的第一处理器、该第一处理器分别与为第一处理器提供数据和程序存储功能的片上存储器、为第一处理器实时提供姿态信息功能的姿态传感器串口模块、为第一处理器提供多波束测深探头的姿态校准数据的上位机端串口模块、用于存储计算的参数结果的数片双口片上存储器相连；实时横摇补偿波束形成器包括：用于提供船的实时姿态信息的一姿态传感器、通过串口提供多波束测深探头姿态校准信息的一上位机，该姿态传感器及上位机分别通过串口与第二处理器的输入端相连，第二处理器通过可编程片上系统平台内部总线与数个双口随机存储器相连，根据横摇角度，实时，计算出横摇补偿算法的相关系数，并将横摇补偿算法的相关系数分别存到数个双口随机存储器中，数个双口随机存储器采用并行总线与数个坐标旋转数字计算处理模块对应相连，用于完成正弦和余弦函数的计算；数个坐标旋转数字计算处理模块分别和原始数据并行、并与数个乘累加器相连，实现对应乘累加；数个乘累加器采用现场可编程门阵列内部并行总线与并行转串行处理模块相连；最后，直接输出波束形成结果。

其特征在于：所述数个累加器将已经经过前端算法预处理的原始数据的结果和数个坐标旋转数字计算处理模块结果对应乘累加后，将并行转串行处理模块，再将三部分并行结果串行起来输出给出波束形成结果，并完成实时横摇补偿波束形成。

所述实时横摇补偿波束形成器中，提供船的实时姿态信息的姿态传感器是以20Hz的速度输出姿态信息，并通过姿态传感器串口模块传到第一处理器中；然后，再经过实时横摇补偿波束形成器，计算出波束形成的角度，并传送到数片双口随机存储器中；由于姿态传感器11数据的更新速度为20Hz，故波束角计算程序的计算时间应该小于50ms。

所述实时横摇补偿波束形成器中，原始数据的采样速度是：28kHz，故逻辑部分也同样应以28kHz的速度，读出数个双口随机存储器的角度信息，经过数个坐标旋转数字计算处理模块输出结果与原始数据做复数乘累加，完成实时横摇波束形成的计算。

本发明的有益效果：本发明由于采用上述技术方案，其不仅能够根据对测深系统实时横摇角度，预测等覆盖线对应的波束角；而且，根据实时波束角做波束形成，使得测量覆盖线不受船舶横摇的影响；解决了多波束测量中船舶左右摇摆导致测量覆盖线不均的问题，降低了测线间的交叠率，有效地提高了测深系统的测量效率。

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步具体说明。

附图说明：

图1为本发明船横摇后覆盖线的变化图。

图2为本发明有效覆盖率η与最大横摇角θ_max的关系示意图。

图3为本发明可编程片上系统(SOPC)平台的结构示意图。

图4为本发明实时横摇补偿波束形成器结构图。

图5为本发明实时横摇补偿与事后横摇补偿的覆盖线对比图。

图中主要标号说明：

1.处理器、2、片上存储器、3、姿态传感器串口模块、4.上位机端串口模块、5.双口片上存储器、6.双口片上存储器、7.双口片上存储器、11、姿态传感器、12.上位机、13.处理器、14.双口随机存储器、15.双口随机存储器、16.双口随机存储器、17.坐标旋转数字计算处理模块、18.坐标旋转数字计算处理模块、19.坐标旋转数字计算处理模块、20.原始数据、21.乘累加器、22.乘累加器、23.乘累加器、24.并行转串行处理模块，25.波束形成结果。

具体实施方式

通过研究发现，在多波束测深系统中，发射波束的覆盖角度可以较宽，即便当测量船横摇角度较大时，其正下方区域仍然是有效覆盖区域。在波束形成时，我们仍可以把波束角指向相对于大地坐标系的角度不变。从而，保证每次测量的数据对于大地坐标系而言，波束角度不变。这样，就可保证每次测量的覆盖范围都是一致的，降低了两条测线间的交叠率，从而，提高了整个的测量效率。根据上述原理，对多波束测深系统实时横摇补偿的方法如下：

如图3，图4所示，本发明包括：一可编程片上系统平台、与可编程片上系统平台相连的实时横摇补偿波束形成器，其中，可编程片上系统平台包括：用于实时参数计算的NIOS II处理器1、该NIOS II处理器1采用AVALON总线连接方式分别与为NIOS II处理器1提供数据和程序存储功能的片上存储器2、为NIOS II处理器1实时提供姿态信息功能的姿态传感器串口模块3、为NIOS II处理器1提供多波束测深探头的姿态校准数据的上位机端串口模块4、用于存储计算的参数结果的数片双口片上存储器(5、6、7)相连；

实时横摇补偿波束形成器包括：用于提供船的实时姿态信息的姿态传感器11、通过串口提供多波束测深探头姿态校准信息的上位机12，姿态传感器11及上位机12分别通过串口与NIOS II处理器13的输入端相连，NIOS II处理器13通过可编程片上系统平台内部AVALON总线与数个双口随机存储器(14，15，16)相连，根据横摇角度，实时，计算出横摇补偿算法的相关系数，并将横摇补偿算法的相关系数分别存到数个双口随机存储器(14，15，16)中，数个双口随机存储器(14，15，16)采用并行总线与数个坐标旋转数字计算处理模块(17、18、19)对应相连，用于完成正弦和余弦函数的计算；数个坐标旋转数字计算处理模块(17、18、19)分别和原始数据20并行与乘累加器(21，22，23)相连，实现对应乘累加；乘累加器(21，22，23)采用现场可编程门阵列(FPGA)内部并行总线与并行转串行处理模块24相连，实现并转串功能；最后，直接输出波束形成结果25；其中，累加器(21，22，23)将已经经过前端算法预处理的原始数据20的结果和坐标旋转数字计算处理模块(17、18、19)结果对应乘累加后，将并行转串行处理模块24，再将三部分并行结果串行起来输出，给出波束形成结果25，并完成实时横摇补偿波束形成。

如图3所示，实时横摇补偿波束形成器中，提供船的实时姿态信息的姿态传感器11是以20Hz的速度输出姿态信息，并通过姿态传感器串口模块3传到NIOS II处理器1中；然后，再经过实时横摇补偿波束形成器，计算出波束形成的角度，并传送到双口随机存储器(14，15，16)中。由于姿态传感器11数据的更新速度为20Hz，故波束角计算程序的计算时间应该小于50ms。

如图4所示，由于实时横摇补偿波束形成器中原始数据20的采样速度是28kHz，故逻辑部分也同样应以28kHz的速度，读出双口随机存储器(14，15，16)的角度信息，经过坐标旋转数字计算处理模块(17、18、19)输出结果25与原始数据20做复数乘累加，完成实时横摇波束形成的计算。

本发明采用以下步骤：

第一步：根据船姿测量仪对测深系统实时测量的横摇角度和上位机12传输的校正角度，预测将要测量的多测深系统覆盖线所对应的波束角度；其中，姿态传感器11的横摇角度输出速率要达到10Hz以上，并对其进行插值滤波处理，使其高速率输出，以达到实时准确估计波束角的目的；上位机12传输的校正角度，是在测量之前，通过相关校准方法得到的系统实际横摇偏差值；预测的覆盖线位置是相对大地坐标系的，所对应的波束角度按照等角或等距方式计算；

第二步：针对每个波束角度实时计算相应的相位补偿系数；其中，相位补偿系数计算公式为：

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ik}}=i\frac{2\mathrm{\πl}}{\mathrm{\λ}}\sin \left({\mathrm{\θ}}_0\left(k\right)\right)$

式中：i代表输入数据的通道序号，k代表波束形成的波束序号，φ_ik代表第i路原始数据在第k个波束上的相移角度，λ代表接收声信号的波长，l代表基阵长度，π为圆周率，θ₀(k)代表第k个波束的预成波束角度，sin()代表正弦函数；

第三步：将相位补偿系数通过坐标旋转数字计算模块(CORDIC)计算出相应的正弦和余弦数值作为复系数；坐标旋转数字计算模块(CORDIC)迭代次数需达到20次以上，以保证波束形成的精度；

第四步：将得到的复系数和原始复数据对应乘累加得到波束形成结果，完成实时横摇补偿，其中，波束形成公式为：

$V\left(k\right)=\underset{i=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i(\cos \left({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ik}}\right)-j\sin \left({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ik}}\right)));$

式中：V(k)代表波束形成的k个波束输出，V_i代表第i路原始数据输入信号，M代表原始数据的总通道数，j代表复数的虚部，cos()代表余弦函数。

如图1所示，为了方便分析，在本实施方式中，假设被测海底为平海底，本发明的覆盖范围为N倍覆盖。由于测量船在行进过程中，受风浪的影响是左右摇摆的，其横摇角也会随之变化。在现有的多波束系统里，当测量船横摇角为零时(如图1中的实线所示)，其覆盖线为AB；横摇角为θ(如图1中的虚线所示)时，其覆盖线为DE。

由于单次测量的覆盖线产生了偏移，致使覆盖线AD之间不能有效覆盖。考虑到船的左右摇晃，可以近似认为实际的有效覆盖线长度仅为DO长度的两倍。从整条测线来看，为实现海区的全覆盖测量，影响有效覆盖率的主要因素是最大横摇角。其关系如下：影响有效覆盖率η的主要因素是最大横摇角θ_max。其关系如下：

$\mathrm{\η}=\frac{2\×\tan (\arctan \left(\frac{N}{2}\right)-{\mathrm{\θ}}_{\max })}{N}$

如图2所示，可以清晰的看到最大横摇角θ_max越大，有效覆盖率越低，进而，导致测量的效率也就越低。即是说对于常规多波束系统而言，海况越差，测量效率就越低。

本实施方式中，现场可编程门阵列(FPGA)采用Altera公司的Stratix II系列的EP2S130F1020C5，该款芯片包含106032个ALUT，6747840bit存储器和504个DSP运算单元。

为满足前面的实时性要求和功能，在现场可编程门阵列(FPGA)里面构建一个可编程片上系统平台。首先，需要构建一个NIOS II基本系统，包括：NIOS II处理器核，片上存储器等。为了实时接收姿态仪的横摇角度信息，在可编程片上系统平台里面需添加一个姿态传感器串口模块3。考虑到多波束系统的安装会有一定的误差，须将校准后的横摇角传到NIOS II处理器1中，本参数仅在安装系统时才会变化，故可编程片上系统平台中需添加一个上位机端串口模块。另外，为了存储NIOS II处理器1的计算结果，需加入三个双口片上存储器(5，6，7)，一端给NIOS II处理器1，一端供外部的逻辑使用，互不影响，每个双口片上存储器(5，6，7)里面存放43个需要计算的波束角度。

考虑到现场可编程门阵列(FPGA)内部的时序问题，现场可编程门阵列(FPGA)的时钟定到150MHz，将双口随机存储器(DPRAM)及后面的逻辑复制三份，并行计算，即可满足系统的指标要求。

如图5所示，为方便分析，假设测深的环境为平海底，水深100m，多波束测深系统的覆盖为4倍。并将试验中的横摇数据，经过事后横摇补偿的算法得到的覆盖线情况和将其经过实时横摇补偿系统的覆盖线情况进行对比；其中，横线为事后横摇补偿的覆盖线情况，竖线为理想情况下实时横摇补偿之后的情况。从中，可以清晰的看到，由于事后横摇补偿的覆盖线边缘随着横摇角度的变化而变得不规则。为了实现全覆盖，两条测线间的交叠率比较高。而实时横摇补偿的覆盖线边缘却很规则，相应的交叠率就较低，测量效率得到大大提高。

在这些横摇数据里面，最大值为5.5度，由前面公式计算可得事后横摇补偿方法的有效覆盖率为79.8％。在实际测量中，所有覆盖线交叠部分为10％的情况下，事后横摇补偿的方法所需要的交叠率为28.18％。而实时横摇补偿的交叠率接近于10％，相比于未作实时横摇补偿的多波束测深系统而言测量效率提高了25.3％。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种多波束测深系统实时横摇补偿的方法，其特征在于：采用以下步骤：

第一步：根据船姿测量仪对测深系统实时测量的横摇角度和上位机传输的校正角度，预测将要测量的多测深系统覆盖线所对应的波束角度；

第二步：针对每个波束角度实时计算相应的相位补偿系数；其中，相位补偿系数计算公式为：

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ik}}=i\frac{2\mathrm{\πl}}{\mathrm{\λ}}\sin \left({\mathrm{\θ}}_0\left(k\right)\right)$

式中：i代表输入数据的通道序号，k代表波束形成的波束序号，φ_ik代表第i路原始数据在第k个波束上的相移角度，λ代表接收声信号的波长，l代表基阵长度，π为圆周率，θ₀(k)代表第k个波束的预成波束角度，sin()代表正弦函数；

第三步：将相位补偿系数通过坐标旋转数字计算模块计算出相应的正弦和余弦数值作为复系数；

第四步：将得到的复系数和原始复数据对应乘累加得到波束形成结果，完成实时横摇补偿，其中，波束形成公式为：

$V\left(k\right)=\underset{i=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i(\cos \left({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ik}}\right)-j\sin \left({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ik}}\right)));$

式中：V(k)代表波束形成的k个波束输出，V_i代表第i路原始数据输入信号，M代表原始数据的总通道数，j代表复数的虚部，cos()代表余弦函数。

2.根据权利要求1所述的多波束测深系统实时横摇补偿的方法，其特征在于：所述第一步中，姿态传感器的横摇角度输出速率要达到10Hz以上，并对姿态传感器的横摇角度进行插值滤波处理，使姿态传感器的横摇角度高速率输出；上位机传输的校正角度，是在测量之前，通过相关校准方法得到的系统实际横摇偏差值；预测的覆盖线位置是相对大地坐标系的，所对应的波束角度按照等角或等距方式计算。

3.根据权利要求1所述的多波束测深系统实时横摇补偿的方法，其特征在于：所述第三步中，坐标旋转数字计算模块迭代次数需达到20次以上，以保证波束形成的精度。

4.一种为实施上述多波束测深系统实时横摇补偿方法的装置，其特征在于：包括：一可编程片上系统平台、与可编程片上系统平台相连的实时横摇补偿波束形成器，其中，可编程片上系统平台包括：用于实时参数计算的第一处理器、该第一处理器分别与为第一处理器提供数据和程序存储功能的片上存储器、为第一处理器实时提供姿态信息功能的姿态传感器串口模块、为第一处理器提供多波束测深探头的姿态校准数据的上位机端串口模块、用于存储计算的参数结果的数片双口片上存储器相连；实时横摇补偿波束形成器包括：用于提供船的实时姿态信息的一姿态传感器、通过串口提供多波束测深探头姿态校准信息的一上位机，该姿态传感器及上位机分别通过串口与第二处理器的输入端相连，第二处理器通过可编程片上系统平台内部总线与数个双口随机存储器相连，根据横摇角度，实时，计算出横摇补偿算法的相关系数，并将横摇补偿算法的相关系数分别存到数个双口随机存储器中，数个双口随机存储器采用并行总线与数个坐标旋转数字计算处理模块对应相连，用于完成正弦和余弦函数的计算；数个坐标旋转数字计算处理模块分别和原始数据并行、并与数个乘累加器相连，实现对应乘累加；数个乘累加器采用现场可编程门阵列内部并行总线与并行转串行处理模块相连；最后，直接输出波束形成结果。

5.根据权利要求4所述的为实施上述多波束测深系统实时横摇补偿方法的装置，其特征在于：所述数个累加器将已经经过前端算法预处理的原始数据的结果和数个坐标旋转数字计算处理模块结果对应乘累加后，将并行转串行处理模块，再将三部分并行结果串行起来输出给出波束形成结果，并完成实时横摇补偿波束形成。

6.根据权利要求4所述的为实施上述多波束测深系统实时横摇补偿方法的装置，其特征在于：所述实时横摇补偿波束形成器中，提供船的实时姿态信息的姿态传感器是以20Hz的速度输出姿态信息，并通过姿态传感器串口模块传到第一处理器中；然后，再经过实时横摇补偿波束形成器，计算出波束形成的角度，并传送到数片双口随机存储器中；由于姿态传感器11数据的更新速度为20Hz，故波束角计算程序的计算时间应该小于50ms。

7.根据权利要求4或6所述的为实施上述多波束测深系统实时横摇补偿方法的装置，其特征在于：所述实时横摇补偿波束形成器中，原始数据的采样速度是：28kHz，故逻辑部分也同样应以28kHz的速度，读出数个双口随机存储器的角度信息，经过数个坐标旋转数字计算处理模块输出结果与原始数据做复数乘累加，完成实时横摇波束形成的计算。