CN105954752A - 一种用于矿井避碰声纳的目标探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于矿井避碰声纳的目标检测方法，包括：首先利用多波束声纳，在波束内对每个角度的回波信号进行检测，通过强度分析判断回波时刻，获得一组障碍目标的回波时刻；接着配合角度信息得到各个障碍物的位置；最后利用墙壁的线性特征，检测墙壁回波，实现障碍物分类。

Description

一种用于矿井避碰声纳的目标探测方法

技术领域

本发明涉及井下目标探测领域，特别涉及一种用于矿井避碰声纳的目标探测方法。

背景技术

矿井内水下救援车能够在水下航行，是矿井发生危险并出现井内充水的危急情况的重要救援设备。但是，矿井内通道狭窄，障碍物复杂，对水下救援车安全行驶造成严重威胁，为此，需要配备专用避碰声纳。避碰声纳探测到的目标包括两侧的墙壁以及通道内的障碍物，避碰声纳在检测到目标的基础上，还需要准确识别两侧墙壁，为制定航行方向提供参考。

在解决墙壁识别问题中，可以利用墙壁是线性目标这一几何特点，现有技术中通常采用Hough变换实现检测。但是，矿井内墙壁凸凹不整，常规的Hough变换不能解决。

发明内容

本发明的目的在于克服已有的避碰声纳在矿井环境下无法有效识别矿井墙壁的缺陷，从而提供一种能够有效识别“不太直”的矿井墙壁的检测方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于矿井避碰声纳的目标检测方法，包括：首先利用多波束声纳，在波束内对每个角度的回波信号进行检测，通过强度分析判断回波时刻，获得一组障碍目标的回波时刻；接着配合角度信息得到各个障碍物的位置；最后利用墙壁的线性特征，检测墙壁回波，实现障碍物分类。

上述技术方案中，该方法具体包括：

步骤1)、多波束声纳发出检测信号，检测信号遇到障碍物后反射回来，生成回波信号；

步骤2)、在波束内对每个角度的回波信号进行检测，通过回波幅度判断各个回波信号的回波时刻，获得每个角度下的目标距离，进而获得每一帧内的障碍物位置；

步骤3)、对步骤2)检测到的障碍物进行分类，识别并剔除其中属于墙壁的障碍物，得到通道内障碍物；其中，该步骤进一步包括：

步骤3-1)、通过Hough变换，将步骤2)中检测到的障碍物所在位置的测量点从图形空间变换到参数空间，相关的表达式为：

ρ＝Xcosθ+Ysinθ

其中，ρ表示测量点到坐标系原点的距离，X、Y分别表示测量点在X轴上与Y轴上的坐标，θ表示ρ与x轴夹角；

步骤3-2)、将参数空间量化成n×m个单元，即ρ方向分成n个单元，θ方向分成m个单元；给参数空间中的每个单元分配一个累加器Q，在参数空间内将ρ_i和θ_j所对应的累加器单元加1，1≤i≤n，1≤j≤m，即：

Q(i，j)＝Q(i，j)+1；

步骤3-3)、找出累加器数值最大的点，得到聚集性最大的点Q(ρ_k,θ_m)；

步骤3-4)、遍历每个测量点，对于任一测量点，检验该测量点是否经过Q(ρ_k,θ_m)对应的区间，若经过，则相应的测量点被认为是属于墙壁的测量点；

步骤3-5)、将属于墙壁的测量点剔除，剩余的测量点就属于通道内的障碍物。

上述技术方案中，在所述的步骤2)中，通过回波幅度判断各个回波信号的回波时刻遵循两条检测原则：一是回波的强度要高于门限值，门限值为波束能量的均值；二是回波要有一定的持续时间。

上述技术方案中，在所述的步骤3-4)中，对于一测量点的检测过程包括：

一测量点(X_i,Y_i)在参数空间内的表达式为：

ρ_i＝X_icosθ_m+Y_isinθ_m

如果ρ_k-1<ρ_i<ρ_k+1，则该测量点被认为经过Q(ρ_k,θ_m)对应的区间，即(X_i,Y_i)点为墙壁。

本发明的优点在于：

本发明针对矿井水下避碰声纳使用需求，提出一种障碍物探测、分类识别方法。该方法采用能量法检测目标，再通过扩展的Hough变换实现墙壁目标识别，方法简便有效，易于系统实现。探测结果可以为矿井水下救援车安全航行提供保障，对提高搜救效率、保障搜救人员安全具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的用于矿井避碰声纳的目标检测方法的流程图；

图2是波束照射墙壁的示意图；

图3是本发明的用于矿井避碰声纳的目标检测方法中墙壁分类识别的流程图；

图4是在一个仿真实例中检测结果的示意图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

参考图1，本发明的用于矿井避碰声纳的目标检测方法的整体流程包括：首先利用多波束声纳，在波束内对每个角度的回波信号进行检测，通过强度分析判断回波时刻，获得一组障碍目标的回波时刻；接着配合角度信息得到各个障碍物的位置；最后利用墙壁的线性特征，检测墙壁回波，实现障碍物分类。

下面对本发明方法的流程做具体说明。

本发明的方法包括：

步骤1)、多波束声纳发出检测信号，检测信号遇到障碍物后反射回来，生成回波信号。

步骤2)、在波束内对每个角度的回波信号进行检测，通过回波幅度判断各个回波信号的回波到达时刻(简称回波时刻)，从而获得每个角度下的目标距离，进而获得每一帧内的障碍物位置。

在矿井中探测障碍物时，具有距离近、扇形开角较小等特点，因此在检测各个回波信号的回波时刻时，采用幅度法检测。所述幅度法的检测原则有两条，一是回波的强度要高于门限值，门限值为波束能量的均值；二是回波要有一定的持续时间，即回波的持续时间需高于一阈值，所述阈值为波束内所有时刻回波能量的均值。只有同时满足上述两个检测原则，声纳所接收到的波信号才会被认为是回波信号。

其中，回波持续时间与发射信号长度以及入射角度有关，其计算公式如下：

$T_{echo}=t+\frac{2L\mathrm{\&theta;}}{c}\csc (\mathrm{\&alpha;}+\frac{\mathrm{\&theta;}}{2})\cot (\mathrm{\&alpha;}-\frac{\mathrm{\&theta;}}{2})---\left(1\right)$

其中，T_echo表示回波持续时间，L为声纳距离墙面的距离，θ为波束角，α为波束入射角，t为发射信号长度，c为声速。所述L、θ、α的具体含义可参见图2。

在确定目标回波后，声纳接收到该目标回波的时刻就是所述的回波到达时刻。障碍物位置可以用所在波束的角度和回波达到时刻来表征。在本步骤中，所检测到的障碍物是包括墙壁在内的所有障碍物。

步骤3)、对步骤2)检测到的障碍物进行分类，识别并剔除其中属于墙壁的障碍物，得到通道内障碍物。

在本发明中可采用Hough变换实现墙壁分类识别。Hough变换是一种图像边缘检测技术，利用点-线的对偶性，通过Hough变换方程建立起图像空间到参数空间的映射，图像空间中一点变换到参数空间中将对应一条曲线或曲面，而具有相同参数特征的点在参数空间中将交于一点，通过峰值提取对交点进行定位，再对交点进行反变换，从而完成图像空间中图形的检测。

参考图3，处理过程如下：

(a)通过Hough变换，将测量点(即步骤2)中检测到的障碍物所在位置)从图形空间变换到参数空间，相关的表达式为：

ρ＝Xcosθ+Ysinθ

其中，ρ表示测量点到原点的距离，X、Y分别表示测量点在X轴上与Y轴上的坐标，θ表示ρ与x轴夹角。

(b)将参数空间量化成n×m个单元，即ρ方向分成n个单元，θ方向分成m个单元。给参数空间中的每个单元分配一个累加器Q，在参数空间内将ρ_i和θ_j所对应的累加器单元加1(其中1≤i≤n，1≤j≤m)，即：

Q(i，j)＝Q(i，j)+1。

(c)找出累加器数值最大的点，得到聚集性最大的点Q(ρ_k,θ_m)

(d)遍历每个测量点，检验该测量点是否经过Q(ρ_k,θ_m)对应的区间；其中某一测量点(X_i,Y_i)在参数空间内的表达式为：

ρ_i＝X_icosθ_m+Y_isinθ_m

如果ρ_k-1<ρ_i<ρ_k+1，则该测量点被认为经过Q(ρ_k,θ_m)对应的区间，即(X_i,Y_i)点为墙壁。

(e)将属于墙壁的测量点剔除，剩余的测量点就属于通道内的障碍物。

与现有技术中采用Hough变换实现墙壁识别的方法相比，本发明的方法在原有hough变换的基础上做了扩展，使得本发明的方法可以适用于“不是太直”的直线检测，显然适用范围更广。

在一个仿真分析范例中，仿真条件为：两侧墙壁间距2m，声纳位于中间，距每侧墙壁距离都是1m，探测距离5m，扇形覆盖角60°，障碍物位于声纳正前方3m处。左侧墙壁有起伏。利用Hough变换，将接收到的信号转化到参数空间，参数空间量化成30×90个单元，ρ方向分成30个单元，θ为90个单元。

利用本方法进行处理，可以实现两侧墙壁和障碍物的检测，检测结果如图4所示。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种用于矿井避碰声纳的目标检测方法，包括：首先利用多波束声纳，在波束内对每个角度的回波信号进行检测，通过强度分析判断回波时刻，获得一组障碍目标的回波时刻；接着配合角度信息得到各个障碍物的位置；最后利用墙壁的线性特征，检测墙壁回波，实现障碍物分类。

2.根据权利要求1所述的用于矿井避碰声纳的目标检测方法，其特征在于，该方法具体包括：

步骤1)、多波束声纳发出检测信号，检测信号遇到障碍物后反射回来，生成回波信号；

步骤2)、在波束内对每个角度的回波信号进行检测，通过回波幅度判断各个回波信号的回波时刻，获得每个角度下的目标距离，进而获得每一帧内的障碍物位置；

步骤3)、对步骤2)检测到的障碍物进行分类，识别并剔除其中属于墙壁的障碍物，得到通道内障碍物；其中，该步骤进一步包括：

步骤3-1)、通过Hough变换，将步骤2)中检测到的障碍物所在位置的测量点从图形空间变换到参数空间，相关的表达式为：

ρ＝Xcosθ+Ysinθ

其中，ρ表示测量点到坐标系原点的距离，X、Y分别表示测量点在X轴上与Y轴上的坐标，θ表示ρ与x轴夹角；

步骤3-2)、将参数空间量化成n×m个单元，即ρ方向分成n个单元，θ方向分成m个单元；给参数空间中的每个单元分配一个累加器Q，在参数空间内将ρ_i和θ_j所对应的累加器单元加1，1≤i≤n，1≤j≤m，即：

Q(i，j)＝Q(i，j)+1；

步骤3-3)、找出累加器数值最大的点，得到聚集性最大的点Q(ρ_k,θ_m)；

步骤3-4)、遍历每个测量点，对于任一测量点，检验该测量点是否经过Q(ρ_k,θ_m)对应的区间，若经过，则相应的测量点被认为是属于墙壁的测量点；

步骤3-5)、将属于墙壁的测量点剔除，剩余的测量点就属于通道内的障碍物。

3.根据权利要求2所述的用于矿井避碰声纳的目标检测方法，其特征在于，在所述的步骤2)中，通过回波幅度判断各个回波信号的回波时刻遵循两条检测原则：一是回波的强度要高于门限值，门限值为波束能量的均值；二是回波要有一定的持续时间。

4.根据权利要求2所述的用于矿井避碰声纳的目标检测方法，其特征在于，在所述的步骤3-4)中，对于一测量点的检测过程包括：

一测量点(X_i,Y_i)在参数空间内的表达式为：

ρ_i＝X_icosθ_m+Y_isinθ_m

如果ρ_k-1＜ρ_i＜ρ_k+1，则该测量点被认为经过Q(ρ_k,θ_m)对应的区间，即(X_i,Y_i)点为墙壁。