CN108614269B - 一种基于图像声呐的水下定位系统的工作方法 - Google Patents

一种基于图像声呐的水下定位系统的工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于水下定位、坐标获取技术领域，提供一种基于图像声呐的水下定位系统的工作方法，该系统包括图像声呐设备、两台GPS、水下探测支架和计算机，所述水下探测支架包括水平方向的横杆和竖直方向的探测杆，横杆中部设有连接杆，横杆通过连接杆插入探测杆端部，所述横杆两端分别安装GPS1和GPS2，所述探测杆底部安装图像声呐设备。本发明采用基于图像声呐的水下定位技术方法，能够在水下作业过程中，快速的获取一定目标区域内任意点在外部坐标系中的坐标值，操作简单易行，系统造价低。

Description

一种基于图像声呐的水下定位系统的工作方法
技术领域
本发明属于水下定位、坐标获取技术领域，具体涉及一种基于图像声呐的水下定位系统的工作方法。
背景技术
现有的水下定位技术主要是水下声学定位技术，是用水声设备确定水下载体或设备的方位、距离的技术。根据从构成基阵的三个以上声应答器接收到的声脉冲信号到达时间或相位进行定位。按应答器基阵基线长度分为长基线定位，短基线定位、超短基线定位。
长基线系统包含两部分，一部分是安装在船只上的收发器或水下机器人，另一个部分是一系列已知位置的固定在海底上的应答器，至少三个以上。应答器之间的距离构成基线，长度在上百米到几千米之间，称为长基线系统。长基线系统是通过测量收发器和应答器之间的距离，采用测量中的前方或后方交会对目标定位，从而获取目标的三维坐标。
短基线定位系统由3个以上换能器组成，换能器的阵形为三角形或四边形，组成声基阵。换能器之间的距离一般超过10m，换能器之间的相互关系精确测定，组成声基阵坐标系，基阵坐标系与船坐标系的相互关系由常规测量方法确定。短基线系统的测量方式是由一个换能器发射，所有换能器接收，得到一个斜距观测值和不同于这个观测值的多个斜距值，系统根据基阵相对船坐标系的固定关系，配以外部传感器观测值，如GPS、MRU、Gyro提供的船的位置、姿态、船艏向值，计算得到目标的大地坐标。
超短基线的所有声单元（≥3）集中安装在一个收发器中，组成声基阵，声单元之间的相互位置精确测定，组成声基阵坐标系，声基阵坐标系与船的坐标系之间的关系要在安装时精确测定，包括位置和姿态。系统通过测定声单元的相位差来确定换能器到目标的方位（垂直和水平角度）；换能器与目标的距离通过测定声波传播的时间，再用声速剖面修正波束线，确定距离，进而通过极坐标确定目标的具体坐标值。
现有的长基线、短基线、超短基线水下定位方法，都是通过在测量船或水底布置应答器和声基阵来实现目标的坐标获取的，而布置水底应答器或者声基阵方法复杂、成本也较高。长基线定位系统整体操作繁琐，且需要详细对海底声基阵进行校准测量；短基线定位系统中，换能器之间的位置关系、换能器与船坐标系的相互关系都需要精确测定，操作复杂且误差源较多；超短基线定位系统需要依赖外围设备（如罗经、姿态传感器等）对系统安装校准后才能得到目标的准确绝对位置。最后，现有的这三种水下定位方法均只能获取单点的坐标信息，难以实现同时获取多点或者某区域内任意点的坐标信息的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种基于图像声呐的水下定位系统的工作方法，能够在水下作业过程中，快速的获取一定目标区域内任意点在外部坐标系中的坐标值，操作简单易行，系统造价低。
本发明的目的是由以下技术方案实现的。
一种基于图像声呐的水下定位系统，包括图像声呐设备、两台GPS、水下探测支架和计算机，所述水下探测支架包括水平方向的横杆和竖直方向的探测杆，横杆中部设有连接杆，横杆通过连接杆插入探测杆端部，并通过螺丝拧紧固定，所述横杆两端分别安装GPS1和GPS2，所述探测杆底部安装图像声呐设备。
在上述技术方案中，所述探测杆最下端连接有一个用于安装图像声呐设备的探头罩，探头罩与探测杆之间采用刚性连接，相互位置关系确定，图像声呐设备安装时采用抱箍固定，使声呐设备整体不能移动、旋转，以确保其与水下探测支架整体为刚性连接，采集数据时，仅图像声呐设备的声呐探头旋转以实现360°扫测。
本发明还提供了一种上述基于图像声呐的水下定位系统的工作方法，包括以下步骤：
（1）选用合适的测量船舶，并在船舶上固定安装水下探测支架。测量船舶应能够提供220V交流电，且吃水深度和干舷高度不宜超过2米。水下探测支架固定安装于船舷一侧，确保探测杆能伸入水中，且伸出超过船底板以下。测量区域水深不超过30米、且不低于3米，流速不大于1.5m/s。
（2）确定声呐探头的初始朝向，然后旋转横杆，使GPS1指向GPS2的连线方向与声呐探头的朝向相同，拧紧螺丝，使横杆不能绕竖杆旋转。
（3）在测量区域附近选取较高位置架设GPS基准站和电台，向探测杆上的两台GPS发射差分数据信号，以确保GPS1和GPS2采集数据的精度可靠。
（4）通过串口卡将GPS数据、图像声呐数据接入计算机（笔记本电脑）中。图像声呐启动后，以一定的角度向外发射频率为675KHz的声呐信号。根据测区水文情况，设置声速在1480m/s，扫测半径在50m以内，声呐探头以360°扫描，扫描线速度为0.225m/s，并根据现场水深设置斜距校正数值，一般为现场水深与声呐设备入水深度的差值。如现场水深10米，设备入水2米，则斜距校正数值设置为8米左右。最终使目标区域被声呐信号覆盖，得到完整的声呐图像。
（5）对声呐图像进行整体判读、精细分析，通过目标相互位置关系、外形尺度等，识别声呐图像中的目标物和目标点。
（6）对声呐图像进行定位、定向。
（6-1）根据横杆上两台GPS天线位置坐标（x1，y1）、（x2，y2），计算得到声呐探头中心点平面坐标[(x1+ x2)/2，( y1+ y2)/2]，实现定位；
（6-2）使用GPS1指向GPS2的方向方位角作为声呐图像的偏转角，在声呐图像采集软件中设置声呐图像的方位角Heading值为该偏转角，对声呐图像整体进行旋转，使其与探头实际方位角相一致，从而实现定向；
（6-3） 根据当地位置，在地图投影里设置对应于当地区域的高斯投影带、坐标转换参数，使之与外部坐标系，如国家坐标系或世界坐标系等相联接。
（7）声呐图像中各个部分、各个点之间的相互位置关系同其在实地中的实际位置关系严格相对应。通过计算每个点与声呐图像中心点（声呐探头）的相对位置关系，进而得到声呐图像上任意点的坐标值。在对声呐图像精细识别的基础上，通过鼠标拾取目标点，进而得到对应的坐标值。
本发明的有益效果在于：采用基于图像声呐的水下定位技术方法，克服了现有的水下定位方法（长基线定位、短基线定位和超短基线定位）实施复杂、成本高且只能获取单点的坐标信息，难以同时获取多点或者某区域内任意点的坐标信息的缺点。本发明可以在水下作业过程中，快速的获取一定目标区域内任意点在外部坐标系中的坐标值，并且，作为一种低价的集成系统，可以通过判读图像声呐上面的目标，快速的获取目标物各个部位的坐标值，操作上也简单易行。
附图说明
图1为本发明系统的示意图。
其中，1 GPS，2横杆，3探测杆，4 连接杆，5 图像声呐设备，6探头罩，7紧固螺丝。
实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本实施例基于图像声呐的水下定位系统主要包括图像声呐设备5、两台GPS、水下探测支架和计算机。所述水下探测支架包括水平方向的横杆2和竖直方向的探测杆3，横杆2中部设有连接杆4，横杆2通过连接杆4插入探测杆3端部，并通过螺丝拧紧固定，所述横杆2两端分别安装GPS1和GPS2，所述探测杆3最下端连接有一个用于安装图像声呐设备5的探头罩6，探头罩6与探测杆3之间采用刚性连接，图像声呐设备5安装时采用抱箍固定。其中，两台GPS主要是用于对声呐探头进行初始朝向（Heading）的确定，并且确定声呐探头的准确坐标值，将之与外部坐标系联接起来。图像声呐设备5是通过发射一定频率、一定开角的声呐波束，并随声呐探头以一定的速度转动，形成对应的水下扫测声呐数据，通过数据线传入计算机，最终形成完整的声呐图像。声呐图像中各个部分、各个点之间的相互位置关系同其在实地中的实际位置关系严格相对应。通过计算每个点与声呐图像中心点（声呐探头）的相对位置关系，进而得到声呐图像上任意点的坐标值。
以某水下抛石范围检测为例，通过以下技术方案，来确定水下抛石边界坐标：
（1）组织专业性强、经验丰富、业务精干的作业班组和配备了水下探测支架、图像声呐设备、GPS等工作性能良好的检测工作船舶及设备进场。在进场之前，先确定作业区域的水深、流速等水文情况，其中，水深不得小于3米，且不宜大于30米，流速不宜大于1.5m/s。
（2）进场后，根据作业任务要求，对图像声呐设备、GPS等进行调试。先将水下探测支架固定安装在船舶侧舷位置，确保探测杆能伸入水中，且伸出超过船底板以下。在水下探测支架上安装两台GPS和图像声呐设备。在横杆上安装两台GPS，在探测杆底部安装图像声呐设备后，确定声呐探头的初始朝向，然后旋转横杆，使GPS1指向GPS2的连线方向与声呐探头的朝向相同，再拧紧螺丝，使横杆不能绕竖杆旋转。
（3）确定检测具体位置，根据提供的检测区域坐标，利用GPS定位系统，指导检测工作船顺水流方向抛锚定位于作业区域内。
（4）连接设备，进行水下扫测，扫描过程中应通过调节增益、扫描速度、扫描角度、扫描半径得到清晰明确的扫描图像。在测量作业中，设置扫描速度0.225m/s，扫描半径40m，图形增益11%，扫描范围为360°全扫描。严密监视记录图像和各项采集参数，发现异常情况及时记录。发现水底障碍物或特殊物件时，要及时记录，以备对图像的异常进行解释和准确度评估使用。
（5）对声呐图像进行整体判读、精细分析，通过目标相互位置关系、外形尺度等，识别声呐图像中的水下抛石边界。
（6）对声呐图像进行定位、定向。
（6-1）根据横杆上两台GPS天线位置坐标（x1，y1）、（x2，y2），计算得到声呐探头中心点平面坐标[(x1+ x2)/2，( y1+ y2)/2]，从而实现定位；
（6-2）使用GPS1指向GPS2的方向方位角作为声呐图像的偏转角，在声呐图像采集软件中设置声呐图像的方位角Heading值为该偏转角，对声呐图像整体进行旋转，使其与探头实际方位角相一致，从而实现定向；
（6-3）根据当地位置，在地图投影里面设置对应于当地区域的高斯投影带、坐标转换参数，使之与外部坐标系，如国家坐标系或世界坐标系等相联接。
（7）在图像中水下抛石边界线上拾取多个点坐标，记录相关坐标信息，即为水下抛石边界。
本说明书中未作详细描述的内容，属于本专业技术人员公知的现有技术。
本发明的上述实例仅仅为清楚说明本发明所作的举例，而非本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (3)

1.一种基于图像声呐的水下定位系统的工作方法，其特征在于：所述水下定位系统包括图像声呐设备、两台GPS、水下探测支架和计算机，所述水下探测支架包括水平方向的横杆和竖直方向的探测杆，横杆中部设有连接杆，横杆通过连接杆插入探测杆端部，并通过螺丝拧紧固定，所述横杆两端分别安装GPS1和GPS2，所述探测杆底部安装图像声呐设备；
该方法包括以下步骤：
（1）选用合适的测量船舶，并在船舶上固定安装水下探测支架，水下探测支架固定安装于船舷一侧，确保探测杆能伸入水中，且伸出超过船底板以下，测量区域水深不超过30米、且不低于3米，流速不大于1.5m/s；
（2）确定声呐探头的初始朝向，然后旋转横杆，使GPS1指向GPS2的连线方向与声呐探头朝向相同，拧紧螺丝，使横杆不能绕探测杆旋转；
（3）在测量区域附近选取较高位置架设GPS基准站和电台，向水下探测支架上的两台GPS发射差分数据信号，以确保GPS1和GPS2采集数据的精度可靠；
（4）通过串口卡将GPS数据、图像声呐数据接入计算机中，图像声呐启动后，以一定的角度向外发射频率为675KHz的声呐信号，根据测区水文情况，设置声速在1480m/s，扫测半径在50m以内，声呐探头以360°扫描，扫描线速度为0.225m/s，并根据现场水深设置斜距校正数值，最终使目标区域被声呐信号覆盖，得到完整的声呐图像；
（5）对声呐图像进行整体判读、精细分析，识别声呐图像中的目标物和目标点；
（6）对声呐图像进行定位、定向；
（6-1）根据横杆上两台GPS天线位置坐标（x1，y1）、（x2，y2），计算得到声呐探头中心点平面坐标[(x1+ x2)/2，( y1+ y2)/2]，实现定位；
（6-2）使用GPS1指向GPS2的方向方位角作为声呐图像的偏转角，在声呐图像采集软件中设置声呐图像的方位角Heading值为该偏转角，对声呐图像整体进行旋转，使其与探头实际方位角相一致，实现定向；
（6-3）根据当地位置，在地图投影里设置对应于当地区域的高斯投影带、坐标转换参数，使之与外部坐标系相联接；
（7）声呐图像中各个部分、各个点之间的相互位置关系同其在实地中的实际位置关系严格相对应，通过计算每个点与声呐图像中心点即声呐探头的相对位置关系，进而得到声呐图像上任意点的坐标值，在对声呐图像精细识别的基础上，通过鼠标拾取目标点，进而得到对应的坐标值。
2.根据权利要求1所述的工作方法，其特征在于：所述探测杆最下端连接有一个用于安装图像声呐设备的探头罩，探头罩与探测杆之间采用刚性连接，图像声呐设备安装时采用抱箍固定。
3.根据权利要求1所述的工作方法，其特征在于：测量船舶提供220V交流电，且吃水深度和干舷高度不超过2米。
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