CN110837086A - 一种基于侧扫声呐的海底目标定位方法和定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于侧扫声呐的海底目标定位方法和定位系统，侧扫声呐安装于船体外侧，其中定位方法包括：1、获取侧扫声呐的经纬度信息、船体姿态信息和侧扫声呐至海底平面的高度信息，得到声呐源的位置信息；2、计算姿态矫正矩阵；3、确定海底目标相对于声呐源的位置信息；4、利用姿态矫正矩阵T对海底目标的位置信息进行修正，得到海底目标在世界坐标系下的位置信息。该方法结合声呐源GPS坐标、水深距离、船体姿态参数，对海底目标与声呐源的相对位置信息进行修正，从而得到海底目标精确的位置信息。

Description

一种基于侧扫声呐的海底目标定位方法和定位系统

技术领域

本发明属于水下目标定位技术领域，具体涉及一种基于侧扫声呐对海底目标进行定位的方法和系统。

背景技术

在专业海洋探测中，主要依赖声呐探测技术，侧扫声呐是常用设备之一，通过向海底主动发射声波信号，接收反射回来的声波信号，判断海底目标基本参数，从而绘制出海底地图。

侧扫声呐摆放有悬挂和拖曳式两种。其中，拖曳式侧扫声呐需要结合拖鱼，实施复杂且硬件成本高。同时，受船速、船向、水流速度和流向影响，这种作业方式决定了侧扫声呐的定位精度不是很高。悬挂式侧扫声呐，机械安装虽然简单，但不能根据实际情况进行调整并获取声纳准确姿态信息。因此，水下目标精确定位是目前侧扫作业中急需解决的问题，如何将清晰的水下图像与精确定位相结合是水下目标探测技术的关键。

传统的基于侧扫声呐进行目标定位方法是，以声呐信号发射点处的GPS坐标为中心，根据侧扫声呐收发信号时间，推算海底目标的具体位置。但船体在海中主要有旋转、俯仰和偏航三种姿态变化，每种姿态变化都将影响信号的扫描范围。因此，仅根据GPS坐标直接进行推算，海底目标的坐标必然存在偏差。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明公开了一种基于侧扫声呐对海底目标进行定位的方法，该方法结合声呐源GPS坐标、水深距离、船体姿态参数，对海底目标与声呐源的相对位置信息进行修正，从而得到海底目标精确的位置信息。

技术方案：本发明一方面公开的一种基于侧扫声呐的海底目标定位方法，所述侧扫声呐安装于船体外侧，包括以下步骤：

(1)获取侧扫声呐的经纬度信息、船体姿态信息和侧扫声呐至海底平面的高度信息，得到声呐源的位置信息：

X_g1＝[x_g1 y_g1 H_g1 φ_pg1 φ_yg1 φ_rg1]

其中x_g1、y_g1分别为侧扫声呐的经纬度，H_g1为声呐源至海底平面的高度，φ_pg1、φ_yg1、φ_rg1分别为船体在世界坐标系下的俯仰角、偏航角和横滚角；

(2)计算姿态矫正矩阵T：

(3)以声呐源为原点，水平面上与航行方向垂直的方向为x轴，船航行方向为y轴，z轴与x轴和y轴成右手定则关系，建立声呐源坐标系C_S，确定海底目标相对于声呐源的位置信息：

X₁₂＝[x₁₂ y₁₂ H₁₂ φ_p12 φ_y12 φ_r12]

其中x₁₂为x轴上海底目标到声呐源的水平距离，计算公式为：

其中R₁₂为侧扫声呐发射信号倾斜距离，H₁₂为声呐源至海底平面水深距离，H₁₂＝H_g1；y₁₂是y轴上海底目标到声呐源的水平距离，y₁₂＝0；φ_p12,φ_y12,φ_r12分别为海底目标与C_S的x轴、y轴、z轴的夹角，计算如下：

其中atan2为计算反正切，atan2(α,β)为计算

的反正切，且返回值在(-π,π)之间；

(4)利用姿态矫正矩阵T对海底目标的位置信息进行修正，得到海底目标在世界坐标系下的位置信息。

另一方面，本发明公开了一种实现上述海底目标定位方法的定位系统，所述定位系统包括安装于船体外侧的侧扫声呐，还包括：声呐源位置信息获取模块、姿态矫正矩阵计算模块、海底目标相对位置信息获取模块和海底目标定位模块；

所述声呐源位置信息获取模块，用于获取侧扫声呐的经纬度信息、船体姿态信息和侧扫声呐至海底平面的高度信息，得到声呐源的位置信息：

X_g1＝[x_g1 y_g1 H_g1 φ_pg1 φ_yg1 φ_rg1]

其中x_g1、y_g1分别为侧扫声呐的经纬度，H_g1为声呐源至海底平面的高度，φ_pg1、φ_yg1、φ_rg1分别为船体在世界坐标系下的俯仰角、偏航角和横滚角；

所述姿态矫正矩阵计算模块，用于计算姿态矫正矩阵T：

所述海底目标相对位置信息获取模块，用于确定海底目标相对于声呐源的位置信息：

X₁₂＝[x₁₂ y₁₂ H₁₂ φ_p12 φ_y12 φ_r12]

其中x₁₂为x轴上海底目标到声呐源的水平距离，y₁₂是y轴上海底目标到声呐源的水平距离，所述x轴、y轴所在的坐标系为：以声呐源为原点，水平面上与航行方向垂直的方向为x轴，船航行方向为y轴，z轴与x轴和y轴成右手定则关系，建立声呐源坐标系C_S；H₁₂为声呐源至海底平面水深距离，φ_p12,φ_y12,φ_r12分别为海底目标与C_S的x轴、y轴、z轴的夹角；

所述海底目标定位模块，用于利用姿态矫正矩阵T对海底目标的位置信息进行修正，得到海底目标在世界坐标系下的位置信息。

有益效果：本发明公开的基于侧扫声呐的海底目标定位方法与系统具有以下优点：1、本发明公开的海底目标定位方法与定位系统易于实现，且能够得到较为精确的定位结果；2、本发明公开的海底目标定位方法与定位系统运算简单，能够快速获得精确的海底目标位置信息。

附图说明

图1为侧扫声呐的工作原理图；

图2为本发明公开的海底目标定位方法的流程图；

图3为横滚角对声呐信号扫描区域影响的示意图；

图4为俯仰角对声呐信号扫描区域影响的示意图；

图5为航向高度对声呐信号扫描区域影响的示意图；

图6为偏航角对声呐信号扫描区域影响的示意图；

图7为本发明公开的海底目标定位系统的组成框图；

图8声呐源位置信息获取模块组成框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。

本发明利用固定安装于船体外侧的侧扫声呐对海底进行扫描。侧扫声呐，即声呐源，以一定的角度，通过向海底发射一定频率、开角的波束，得到相应的海底声呐数据，根据收到的海底声呐数据，可以得到海底的声呐图像。如图1所示，为侧扫声呐的工作示意图。图中S为声纳源，OS为声纳到海底垂直距离。假设声纳的水平开角为θ，垂直开角为

图中所示盲区在瀑布图中表现为水柱区，由图可以直观看出声呐的侧扫范围。

实施例1

本实施例公开了一种基于侧扫声呐的海底目标定位方法，如图2所示，为其流程图，包括以下步骤：

步骤1、获取侧扫声呐的经纬度信息、船体姿态信息和侧扫声呐至海底平面的高度信息，得到声呐源的位置信息：

X_g1＝[x_g1 y_g1 H_g1 φ_pg1 φ_yg1 φ_rg1]

其中x_g1、y_g1分别为侧扫声呐的经纬度，H_g1为声呐源至海底平面的高度，φ_pg1、φ_yg1、φ_rg1分别为船体在世界坐标系下的俯仰角、偏航角和横滚角；

步骤2、分析船体横滚、俯仰、偏航三种姿态变化对信号扫描范围的具体影响，建立姿态修正模型；

(2.1)声纳系统，本发明中为侧扫声呐，固定在船体任意一侧，如图3所示，以右侧为例，当船身沿着自身中轴线左右旋转时，即横滚角不为0时，信号扫描区域产生偏移，如图3所示是船体横滚角对信号扫描范围影响。当船体自身没有旋转时，即横滚角为0时，其横轴方向和水平方向保持平行，信号扫描范围为虚线所围三角区域SAB；当船沿着自身中轴线逆时针旋转

时，即横滚角为

信号在海底平面的扫描位置产生巨大的偏移，信号扫描范围为阴影三角区域SA’B’；

(2.2)受复杂多变海况的影响，船体在航行过程中，产生俯仰角度的变化。随着俯仰变化，固定在船体一侧的侧扫声呐的声纳基阵位置发生相对变化，信号扫描区域也随之产生偏移，如图4所示。图4(a)中阴影三角区域为俯仰角为0时的信号扫描区域示意图，当船体的俯仰角为

时，扫描区域由三角区域SAB变为SA’B’。

信号扫描范围不仅与俯仰角紧密相关，还受航行高度影响，如图4与图5所示。船的航行高度为H，俯仰角为

沿航行方向，信号扫描范围的偏移距离为

如图4(b)中AB、A’B’边的中线位移所示。当航行高度保持不变时，俯仰角越大，信号扫描位置偏移量也越大。

(2.3)受海流影响，航行时的航向方向无法保持恒定，信号扫描范围也产生较大偏差，如图6所示。虚线范围为按照航向方向得到的扫描范围，当偏航角度为时，扫描范围也以信号发射为中心旋转

如图中阴影三角区域所示。

因此，在推算海底目标位置前，必须要结合船体的姿态实时修正声呐源的GPS坐标，具体的变换公式为：

其中，(x,y)为侧扫声呐声呐源的坐标，(x^’,y^’)为校正后的坐标，H为侧扫声呐到海底平面的垂直距离，T为姿态矫正坐标变换矩阵。该矩阵包含对声呐三种姿态的修正，为确保变换矩阵唯一，按照偏航修正、俯仰修正和横滚修正的顺序进行变换，则T为：

步骤3、以声呐源为原点，水平面上与航行方向垂直的方向为x轴，船航行方向为y轴，z轴与x轴和y轴成右手定则关系，建立声呐源坐标系C_S，确定海底目标相对于声呐源的位置信息：

X₁₂＝[x₁₂ y₁₂ H₁₂ φ_p12 φ_y12 φ_r12]

其中x₁₂为x轴上海底目标到声呐源的水平距离，计算公式为：

其中R₁₂为侧扫声呐发射信号倾斜距离，H₁₂为声呐源至海底平面水深距离，H₁₂＝H_g1；y₁₂是y轴上海底目标到声呐源的水平距离，y₁₂＝0；φ_p12,φ_y12,φ_r12分别为海底目标与C_S的x轴、y轴、z轴的夹角，计算如下：

其中atan2为计算反正切，atan2(α,β)为计算的反正切，且返回值在(-π,π)之间；

步骤4、利用姿态矫正矩阵T对海底目标的位置信息进行修正，得到海底目标在世界坐标系下的位置信息，具体包括：

(4.1)对海底目标相对于声呐源的位置信息进行修正：

其中x’₁₂、y’₁₂分别为修正后的x轴和y轴上海底目标到声呐源的水平距离，H’₁₂为修正后的声呐源至海底平面水深距离；

(4.2)计算世界坐标系下海底目标的位置：

其中x_g2、y_g2分别为海底目标的经纬度，H_g2为声呐源至海底平面的高度；

(4.3)计算海底目标的角度参数：

其中atan2为计算反正切，atan2(α,β)为计算的反正切，且返回值在(-π,π)之间，φ_pg2、φ_yg2、φ_rg2分别为海底目标与世界坐标系的三个坐标轴的夹角；

得到海底目标在世界坐标系下完整的位置信息：

X_g2＝[x_g2 y_g2 H_g2 φ_pg2 φ_yg2 φ_rg2]。

在获得了海底目标的精确位置信息后，可以将其标注在声呐图像中，得到完整的海底图像：

根据侧扫声呐接收到的海底声呐数据得到声呐图像，将定位的海底目标在世界坐标系下完整的位置信息标注在所述声呐图像上。

实施例2

本实施例公开了一种实施上述海底目标定位方法的定位系统，如图7所示，包括：

安装于船体外侧的侧扫声呐1，声呐源位置信息获取模块2、姿态矫正矩阵计算模块3、海底目标相对位置信息获取模块4和海底目标定位模块5；

声呐源位置信息获取模块，用于获取侧扫声呐的经纬度信息、船体姿态信息和侧扫声呐至海底平面的高度信息，得到声呐源的位置信息：

X_g1＝[x_g1 y_g1 H_g1 φ_pg1 φ_yg1 φ_rg1]

其中x_g1、y_g1分别为侧扫声呐的经纬度，H_g1为声呐源至海底平面的高度，φ_pg1、φ_yg1、φ_rg1分别为船体在世界坐标系下的俯仰角、偏航角和横滚角；

所述姿态矫正矩阵计算模块，用于计算姿态矫正矩阵T：

海底目标相对位置信息获取模块，用于确定海底目标相对于声呐源的位置信息：

X₁₂＝[x₁₂ y₁₂ H₁₂ φ_p12 φ_y12 φ_r12]

其中x₁₂为x轴上海底目标到声呐源的水平距离，y₁₂是y轴上海底目标到声呐源的水平距离，所述x轴、y轴所在的坐标系为：以声呐源为原点，水平面上与航行方向垂直的方向为x轴，船航行方向为y轴，z轴与x轴和y轴成右手定则关系，建立声呐源坐标系C_S；H₁₂为声呐源至海底平面水深距离，φ_p12,φ_y12,φ_r12分别为海底目标与C_S的x轴、y轴、z轴的夹角；

所述海底目标定位模块，用于利用姿态矫正矩阵T对海底目标的位置信息进行修正，按照实施例1中步骤4来得到海底目标在世界坐标系下的位置信息。

本实施例中，声呐源位置信息获取模块2包括GPS 2-1、姿态传感器2-2、测深设备仪2-3；如图8所示。

其中GPS安装于船体内，与侧扫声呐位于同一侧；姿态传感器安装于船体内，其中心线与船体轴线重合；测深设备仪安装于侧扫声呐旁边；本实施例中，在船体外侧采用抱箍固定安装探测支架，探测支架浸入水中，侧扫声呐和测深设备仪安装于探测支架上。这样侧扫声呐不能整体移动、旋转。

GPS用于获取侧扫声呐的经纬度；姿态传感器用于获取船体在世界坐标系下的俯仰角、偏航角和横滚角；测深设备仪用于获取声呐源至海底平面的高度。

为了显示完整的海底图像，本系统还包括声呐图像显示与标注模块6，用于显示根据侧扫声呐接收到的海底声呐数据得到的声呐图像，并将定位的海底目标在世界坐标系下完整的位置信息标注在所述声呐图像上。

本发明上述实施例实为清楚阐述本发明所做举例，此实施例非本发明实施方式的限定，对所属领域的技术人员来说，在上述对其系统与方法说明的基础上还可做出其他不同形式的修改。凡属于本发明技术方案所引申出的并未有创造性的修改仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (6)

1.一种基于侧扫声呐的海底目标定位方法，所述侧扫声呐安装于船体外侧，其特征在于，包括：

(1)获取侧扫声呐的经纬度信息、船体姿态信息和侧扫声呐至海底平面的高度信息，得到声呐源的位置信息：

X_g1＝[x_g1 y_g1 H_g1 φ_pg1 φ_yg1 φ_rg1]

其中x_g1、y_g1分别为侧扫声呐的经纬度，H_g1为声呐源至海底平面的高度，φ_pg1、φ_yg1、φ_rg1分别为船体在世界坐标系下的俯仰角、偏航角和横滚角；

(2)计算姿态矫正矩阵T：

(3)以声呐源为原点，水平面上与航行方向垂直的方向为x轴，船航行方向为y轴，z轴与x轴和y轴成右手定则关系，建立声呐源坐标系C_S，确定海底目标相对于声呐源的位置信息：

X₁₂＝[x₁₂ y₁₂ H₁₂ φ_p12 φ_y12 φ_r12]

其中x₁₂为x轴上海底目标到声呐源的水平距离，计算公式为：

其中R₁₂为侧扫声呐发射信号倾斜距离，H₁₂为声呐源至海底平面水深距离，H₁₂＝H_g1；y₁₂是y轴上海底目标到声呐源的水平距离，y₁₂＝0；φ_p12,φ_y12,φ_r12分别为海底目标与C_S的x轴、y轴、z轴的夹角，计算如下：

其中atan2为计算反正切，atan2(α,β)为计算的反正切，且返回值在(-π,π)之间；

(4)利用姿态矫正矩阵T对海底目标的位置信息进行修正，得到海底目标在世界坐标系下的位置信息。

2.根据权利要求1所述的海底目标定位方法，其特征在于，所述步骤(4)包括：

(4.1)对海底目标相对于声呐源的位置信息进行修正：

其中x′₁₂、y′₁₂分别为修正后的x轴和y轴上海底目标到声呐源的水平距离，H′₁₂为修正后的声呐源至海底平面水深距离；

(4.2)计算世界坐标系下海底目标的位置：

其中x_g2、y_g2分别为海底目标的经纬度，H_g2为声呐源至海底平面的高度；

(4.3)计算海底目标的角度参数：

其中atan2为计算反正切，atan2(α,β)为计算

的反正切，且返回值在(-π,π)之间，φ_pg2、φ_yg2、φ_rg2分别为海底目标与世界坐标系的三个坐标轴的夹角；

得到海底目标在世界坐标系下完整的位置信息：

X_g2＝[x_g2 y_g2 H_g2 φ_pg2 φ_yg2 φ_rg2]。

3.根据权利要求1所述的海底目标定位方法，其特征在于，还包括根据侧扫声呐接收到的海底声呐数据得到声呐图像，将定位的海底目标在世界坐标系下完整的位置信息标注在所述声呐图像上。

4.一种基于侧扫声呐的海底目标定位系统，所述定位系统包括安装于船体外侧的侧扫声呐，其特征在于，包括：声呐源位置信息获取模块、姿态矫正矩阵计算模块、海底目标相对位置信息获取模块和海底目标定位模块；

所述声呐源位置信息获取模块，用于获取侧扫声呐的经纬度信息、船体姿态信息和侧扫声呐至海底平面的高度信息，得到声呐源的位置信息：

X_g1＝[x_g1 y_g1 H_g1 φ_pg1 φ_yg1 φ_rg1]

其中x_g1、y_g1分别为侧扫声呐的经纬度，H_g1为声呐源至海底平面的高度，φ_pg1、φ_yg1、φ_rg1分别为船体在世界坐标系下的俯仰角、偏航角和横滚角；

所述姿态矫正矩阵计算模块，用于计算姿态矫正矩阵T：

所述海底目标相对位置信息获取模块，用于确定海底目标相对于声呐源的位置信息：

X₁₂＝[x₁₂ y₁₂ H₁₂ φ_p12 φ_y12 φ_r12]

其中x₁₂为x轴上海底目标到声呐源的水平距离，y₁₂是y轴上海底目标到声呐源的水平距离，所述x轴、y轴所在的坐标系为：以声呐源为原点，水平面上与航行方向垂直的方向为x轴，船航行方向为y轴，z轴与x轴和y轴成右手定则关系，建立声呐源坐标系C_S；H₁₂为声呐源至海底平面水深距离，φ_p12,φ_y12,φ_r12分别为海底目标与C_S的x轴、y轴、z轴的夹角；

所述海底目标定位模块，用于利用姿态矫正矩阵T对海底目标的位置信息进行修正，得到海底目标在世界坐标系下的位置信息。

5.根据权利要求4所述的海底目标定位系统，其特征在于，所述声呐源位置信息获取模块包括GPS、姿态传感器、测深设备仪；

所述GPS安装于船体内，与侧扫声呐位于同一侧；所述姿态传感器安装于船体内，所述姿态传感器的中心线与船体轴线重合；所述测深设备仪安装于侧扫声呐旁边；

所述GPS用于获取侧扫声呐的经纬度；所述姿态传感器用于获取船体在世界坐标系下的俯仰角、偏航角和横滚角；所述测深设备仪用于获取声呐源至海底平面的高度。

6.根据权利要求4所述的海底目标定位系统，其特征在于，还包括声呐图像显示与标注模块，所述声呐图像显示与标注模块用于显示根据侧扫声呐接收到的海底声呐数据得到的声呐图像，并将定位的海底目标在世界坐标系下完整的位置信息标注在所述声呐图像上。

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