CN111190168B - 一种侧扫声纳的姿态稳定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种侧扫声纳的姿态稳定方法，包括：步骤1)设置多基元传感器阵列，单独采集每一独立基元传感器的信号，对每一基元传感器采集的信号进行处理，得到与目标距离阵列的距离和目标入射角度有关的声纳信号的导向矢量；步骤2)根据声纳信号的导向矢量在声图坐标系内建立波束域信号模型；步骤3)当声纳载体姿态变化时，利用多基元传感器阵列，逐像素点聚焦完成测量点不变的扫描探测；确定测量点在所述坐标系的新坐标，将新坐标输入所述波束域信号模型，得到声图坐标系无失真的化成图。本发明的侧扫声纳的姿态稳定方法可以得到真正的无失真测量声图；能够抵抗恶劣的环境对测量声图的影响，可扩大侧扫声纳的适用范围。

Description

一种侧扫声纳的姿态稳定方法

技术领域

本发明属于水声信号处理领域，具体而言，涉及一种侧扫声纳的姿态稳定方法。

背景技术

侧扫声纳是目前应用广泛的水下地貌测量设备。工作时，侧扫声纳在垂直于航行方向形成两个窄波束，通过目标回波强度变化反应海底的地貌特征。侧扫声纳成像的精细度比较高，是水下沉底小目标检测的重要设备。特别是近年来，随着UUV的不断推广使用，侧扫声纳搭载于UUV上可以应用于登陆区海滩等浅海水域，是浅海区的勘探、小目标搜寻的重要装备。然而，在浅海区使用时，由于受到风浪的影响，载体姿态很难稳定，会导致侧扫声纳采集的信号的声图发生畸变甚至漏报。

针对由于载体姿态不稳定引起的声图畸变问题，常规的解决办法是在声图成图以后进行后期处理，即利用传感器数据对成图进行校准修正，但由于是后处理，已经发生错位的测量点不能做到完全无失真，例如由载体姿态不稳定引起的测量点漏测是无法补偿的。

发明内容

本发明的目的在于解决由于载体姿态不稳定导致根据侧扫声纳采集的信号得到的声图发生畸变的问题，本发明提供了一种侧扫声纳的姿态稳定方法，即通过波束自稳定技术实现声纳姿态稳定，以保证声图质量的方法。

为实现上述目的，本发明提出一种侧扫声纳的姿态稳定方法，所述方法包括：

步骤1)设置多基元传感器阵列，单独采集每一独立基元传感器的信号，计算每一基元传感器接收到信号与参考基元接收到信号之间的时间差，得到与目标距离阵列的距离和目标入射角度有关的声纳信号的导向矢量；

步骤2)在声图坐标系内根据声纳信号的导向矢量建立波束域信号模型；

步骤3)当声纳载体姿态变化时，利用多基元传感器阵列，逐像素点聚焦完成测量点不变的扫描探测；确定测量点在所述声图坐标系的新坐标，将新坐标输入所述波束域信号模型，得到声图坐标系无失真的化成图。

作为上述方法的一种改进，所述多基元传感器阵列呈线性排布。

作为上述方法的一种改进所述步骤1)具体包括：

步骤1-1)设置多基元传感器阵列，单独采集每一独立基元的信号；

步骤1-2)以第1个基元为参考基元，每个基元之间的距离为d，第n个基元与参考基元之间的距离为x_n：

x_n＝(n-1)d (3)

其中，n＝2，3，…，N；

步骤1-3)第n个基元与测量点之间的距离

为：

其中，θ_s为导向角，r_s为参考基元到测量点之间的实际距离；

步骤1-4)每一个基元接收到信号的时间与参考基元接收到信号之间的时间差为：

c为声速；

步骤1-5)声纳信号的导向矢量a为：

f₀为系统工作频率。

作为上述方法的一种改进所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)建立声图坐标系，以载体所在的平面为XOY平面，垂直于载体所在的平面为XOZ平面，在XOZ平面分别有Z轴和X轴，载体航行方向为Y轴正向，满足右手法则；

步骤2-2)将所述声纳信号的导向矢量在所述声图坐标系内建立波束域信号模型X(t)：

X(t)＝aS(t)+N(t) (1)

其中，S(t)为信号的复包络，为CW信号或chirp信号，N(t)为噪声和干扰信号，t为时间变量。

作为上述方法的一种改进所述步骤3)的声纳载体姿态变化具体包括载体艏摇、载体纵倾和载体横滚。

作为上述方法的一种改进所述步骤3)具体包括：

当载体发生艏摇时，存在艏摇角

通过重新对焦，完成测量点不变的探测，反映在声图上测量点信号导向角θ_s发生变化，新的导向角θ′_s为：

在声图坐标系内，将新的导向角θ′_s为导向角输入所述波束域信号模型，得到声图信号的无失真的化成图；

当载体发生横滚时，存在横摇角α，通过重新对焦，完成测量点不变的探测；在声图上测量点信号x轴的原始坐标x(t)发生变化，新坐标为x′(t)为：

其中，t为时间，H为声纳距海底高度；在声图坐标系内，以新坐标x′(t)为x轴的坐标输入所述波束域信号模型，得到声图信号的无失真的化成图；

当载体发生纵倾时，存在纵摇角β，通过重新对焦，完成测量点不变的探测；在声图上，测量点在y轴上的原始坐标为0，新坐标为y′(t)：

y′(t)＝H·tg(β) (8)

在声图坐标系内，以新坐标y′(t)为y轴的坐标输入所述波束域信号模型，得到声图信号的无失真的化成图。

本发明的优势在于：

1、通过本发明的侧扫声纳的姿态稳定方法可以得到真正的无失真测量声图；

2、本发明的侧扫声纳的姿态稳定方法通过姿态稳定技术，能够抵抗恶劣的环境对测量声图的影响，可扩大侧扫声纳的适用范围；

3、仿真分析方法验证了本发明的姿态稳定方法的可行性。

附图说明

图1为本发明的侧扫声纳的姿态稳定方法的侧扫扫测空间示意图；

图2为本发明的侧扫声纳的姿态稳定方法的基元与测量点的示意图；

图3(a)为本发明的艏摇导致的扫测空间变化示意图；

图3(b)为本发明的艏摇导致的扫测空间变化对应俯视图；

图4(a)为本发明的横滚导致的扫测空间变化示意图；

图4(b)为本发明的横滚导致的扫测空间变化对应俯视图；

图5(a)为本发明的纵倾导致的扫测空间变化示意图；

图5(b)为本发明的纵倾导致的扫测空间变化对应俯视图；

图6为现有技术的无修正声图；

图7为利用本发明的侧扫声纳的姿态稳定方法绘制的姿态补偿声图。

具体实施方式

本发明的一种侧扫声纳的姿态稳定方法，针对声纳载体姿态变化，利用多基元传感器阵列，通过逐像素点聚焦的办法，实现声图无失真化成图。

本发明的具体方法如下：

步骤1)将每个基元单独引线，单独采集独立基元的信号，对每一基元采集的信号进行信号处理，形成多基元侧扫声纳的预成波束；

步骤2)将所述多基元侧扫声纳的预成波束在声图坐标系内建立波束域信号模型；载体所在的平面为XOY平面，垂直于载体所在的平面为XOZ平面，在XOZ平面分别有z轴和x轴，载体航行方向为y轴正向，满足右手法则。空间几何关系如图1所示；

将所述多基元侧扫声纳的预成波束在所述坐标系内建立波束域信号模型X(t)：

X(t)＝aS(t)+N(t) (1)

其中，a为信号导向矢量，与测量点距离阵列的距离和测量点入射角度有关，S(t)为信号的复包络，为CW信号或chirp信号，N(t)为噪声和干扰信号，t为时间变量；

假设基元个数为N，N个基元呈均匀直线分布，两个相邻基元间距为d；

如图2所示由三角形余弦定理可得，以第1个基元为参考基元，则第n(n＝1，2，3，…，N)个基元与测量点之间的距离

为：

其中，θ_s为导向角，r_s为参考基元到测量点之间的距离；

第n个基元与参考基元之间的距离为x_n：

x_n＝(n-1)d (3)

n＝2，3，…，N；各个基元接收到信号的时间与参考基元接收到信号之间的时间差为：

则声纳信号的导向矢量a为：

f₀为系统工作频率，c为声速；

步骤3)当载体存在艏摇时，为了保证测量点不变，侧扫声纳在xy平面内发生相应角度变化，变化的角度为实际扫测空间与预定扫测空间存在角度差，通过预成波束导向矢量a补偿载体姿态变化产生的影响。即存在艏摇角

时，导向角更替为

如图3(a)和图3(b)所示，将新的导向角替换到导向矢量a形成新的预成波束，通过重新对焦，完成当载体存在艏摇时，测量点不变的探测；在声图坐标系内，将新的导向角θ′_s为导向角输入所述波束域信号模型，得到声图信号的无失真的化成图；

当载体存在横滚时，横滚导致绕y轴转动，导致声图对应的地理空间与预期发生变小或拉伸，影响如图4(a)所示，通过距离调整成图4(b)位置。X(t)为预成波束后波束域信号序列，x(t)为测量点在x轴的原始坐标，当存在横摇角α，声纳距海底高度为H时，测量点新坐标为x′(t)

其中，t为时间。当载体存在横滚时，调整侧扫声纳的测量点的新坐标为x′(t)，通过重新对焦，完成测量点不变的探测，在声图坐标系内，以新坐标x′(t)为x轴的坐标输入所述波束域信号模型，得到声图信号的无失真的化成图。

当存在纵倾时，纵倾导致绕x轴在y-z平面旋转，导致声图对应的地理空间与预期发生纵向移动，影响如图5(a)和5(b)所示。当存在纵摇角β，声纳距海底高度为H时，原始坐标在y轴上为0，测量点的新坐标为

y′(t)＝H·tg(β) (8)

即当载体存在纵倾时，调整侧扫声纳的测量点的新坐标为y′(t)，通过重新对焦，完成测量点不变的探测。在声图坐标系内，以新坐标y′(t)为y轴的坐标输入所述波束域信号模型，得到声图信号的无失真的化成图。

通过本发明的姿态稳定方法，能够抵抗环境恶劣对声图的影响，可扩大声纳的适用范围。

利用仿真分析验证本发明所述方法的可行性。侧扫声纳单侧基元数12，声纳离底高度10m，航速2节(1米/秒)，存在艏摇角10度，目标是长度2m、直径0.5m的圆柱体。如果不进行姿态补偿，目标声图如图6所示。经过修正之后的声图如图7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 (5)

1.一种侧扫声纳的姿态稳定方法，所述方法包括：

步骤1)设置多基元传感器阵列，单独采集每一独立基元传感器的信号，计算每一基元传感器接收到信号与参考基元接收到信号之间的时间差，得到与目标距离阵列的距离和目标入射角度有关的声纳信号的导向矢量；

步骤2)在声图坐标系内根据声纳信号的导向矢量建立波束域信号模型；

步骤3)当声纳载体姿态变化时，利用多基元传感器阵列，逐像素点聚焦完成测量点不变的扫描探测；确定测量点在所述声图坐标系的新坐标，将新坐标输入所述波束域信号模型，得到声图坐标系无失真的化成图；

所述步骤3)具体包括：

当载体发生艏摇时，存在艏摇角

通过重新对焦，完成测量点不变的探测，反映在声图上测量点信号导向角θ_s发生变化，新的导向角θ′_s为：

在声图坐标系内，将新的导向角θ′_s为导向角输入所述波束域信号模型，得到声图信号的无失真的化成图；

当载体发生横滚时，存在横摇角α，通过重新对焦，完成测量点不变的探测；在声图上测量点信号x轴的原始坐标x(t)发生变化，新坐标为x′(t)为：

其中，t为时间，H为声纳距海底高度；在声图坐标系内，以新坐标x′(t)为x轴的坐标输入所述波束域信号模型，得到声图信号的无失真的化成图；

当载体发生纵倾时，存在纵摇角β，通过重新对焦，完成测量点不变的探测；在声图上，测量点在y轴上的原始坐标为0，新坐标为y′(t)：

y′(t)＝H·tg(β) (8)

在声图坐标系内，以新坐标y′(t)为y轴的坐标输入所述波束域信号模型，得到声图信号的无失真的化成图。

2.根据权利要求1所述的侧扫声纳的姿态稳定方法，其特征在于，所述多基元传感器阵列呈线性排布。

3.根据权利要求2所述的侧扫声纳的姿态稳定方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：

步骤1-1)设置多基元传感器阵列，单独采集每一独立基元的信号；

步骤1-2)以第1个基元为参考基元，每个基元之间的距离为d，第n个基元与参考基元之间的距离为x_n：

x_n＝(n-1)d (3)

其中，n＝2，3，…，N；

步骤1-3)第n个基元与测量点之间的距离

为：

其中，θ_s为导向角，r_s为参考基元到测量点之间的实际距离；

步骤1-4)每一个基元接收到信号时间与参考基元接收到信号之间的时间差为：

c为声速；

步骤1-5)计算声纳信号的导向矢量a为：

f₀为系统工作频率。

4.根据权利要求3所述的侧扫声纳的姿态稳定方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)建立声图坐标系，以载体所在的平面为XOY平面，垂直于载体所在的平面为XOZ平面，在XOZ平面分别有Z轴和X轴，载体航行方向为Y轴正向，满足右手法则；

步骤2-2)将所述声纳信号的导向矢量在所述声图坐标系内建立波束域信号模型X(t)：

X(t)＝aS(t)+N(t) (1)

其中，S(t)为信号的复包络，为CW信号或chirp信号，N(t)为噪声和干扰信号，t为时间变量。

5.根据权利要求4所述的侧扫声纳的姿态稳定方法，其特征在于，所述步骤3)的声纳载体姿态变化具体包括载体艏摇、载体纵倾和载体横滚。

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