CN112596061A - 一种3d水下声波扫描成像方法 - Google Patents

一种3d水下声波扫描成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种3D水下声波扫描成像方法，安装发射天线和接收天线，并利用所述接收天线接收根据所述发射天线发出发射信号产生的多个反射信号；对所述反射信号进行预处理，根据预处理后的所述反射信号计算出对应的幅度值、相位值和到达方向；利用设定的卡尔曼滤波器对所述反射信号中的关键点进行迭代滤波，并根据接收的调整指令对所述发射天线和所述接收天线进行调整；直至接收到的所述调整指令次数大于预设的循环数，并对得到的底部地形进行显示和可视化，使得在清洁或悬浮液条件下，减少深度测量误差。

Description

一种3D水下声波扫描成像方法
技术领域
本发明涉及声纳技术领域，尤其涉及一种3D水下声波扫描成像方法。
背景技术
即使在清澈的水中，光学系统的视距范围也为10-15米，在沿海地区或河流的情况下为0.5-1米。为了寻找下沉的物体，检查底部的当前状态，分析底部的管道状态，有必要对大面积区域进行实时检查。因此，唯一适合测量的物理场是水声场。
众所周知的2D测量声纳，例如Teledyne Blueview M900系列，它们能够形成平坦的图像，以显示来自水中物体的反射的亮度。这种声纳类似于侧视扫描声纳，并且由于只能测量到反射物体的距离，因此无法测量深度。
目前，用于形成水下物体的3D图像的已知系统是多波束回声测深仪的软件扩展，缺乏用于确定来自固定容器的水区域的深度图的方法，并且在浆液悬浮条件下工作时在确定深度方面存在误差，同时，缺乏对悬浮液密度跳跃的过滤，因此，在悬浮液条件下进行工作时，确定深度存在误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种3D水下声波扫描成像方法，在清洁或悬浮液条件下，减少深度测量误差。
为实现上述目的，本发明提供了一种3D水下声波扫描成像方法，包括以下步骤：
安装发射天线和接收天线，并利用所述接收天线接收根据所述发射天线发出发射信号产生的多个反射信号；
对所述反射信号进行预处理，根据预处理后的所述反射信号计算出对应的幅度值、相位值和到达方向；
利用设定的卡尔曼滤波器对所述反射信号中的关键点进行迭代滤波，并根据接收的调整指令对所述发射天线和所述接收天线进行调整；
直至接收到的所述调整指令次数大于预设的循环数，并对得到的底部地形进行显示和可视化。
其中，对所述反射信号进行预处理，根据预处理后的所述反射信号计算出对应的幅度值、相位值和到达方向，包括：
对所述反射信号进行放大和数字化转换，并利用希尔伯特换能器形成解析信号；
根据所述解析信号隔离出所述反射信号中的每个临界点的幅度值、相位值和到达方向，其中，每个所述临界点为所述反射信号中的每个离散值。
其中，根据所述解析信号隔离出所述反射信号中的每个临界点的幅度值、相位值和到达方向，包括：
根据所述解析信号隔离出每个所述临界点对应的幅度值和所述相位值；
根据相邻两个接收信号之间的两个所述相位值之间的差值计算出对应的延迟距离和到达方向。
其中，利用设定的卡尔曼滤波器对所述反射信号中的关键点进行迭代滤波，并根据接收的调整指令对所述发射天线和所述接收天线进行调整，包括：
利用基于正交外推算法的卡尔曼滤波器对所述反射信号中的临界点进行迭代滤波，并在滤波完成后，发出调整指令；
接收所述调整指令，并根据所述调整指令对所述发射天线和所述接收天线进行参数调整或旋转设定角度。
其中，利用设定的卡尔曼滤波器对所述反射信号中的关键点进行迭代滤波，并根据接收的调整指令对所述发射天线和所述接收天线进行调整之后，所述方法还包括：
对滤波删除假点后得到的关键点进行收集，得到关键点集合。
本发明的一种3D水下声波扫描成像方法，安装发射天线和接收天线，并利用所述接收天线接收根据所述发射天线发出发射信号产生的多个反射信号；对所述反射信号进行预处理，根据预处理后的所述反射信号计算出对应的幅度值、相位值和到达方向；利用设定的卡尔曼滤波器对所述反射信号中的关键点进行迭代滤波，并根据接收的调整指令对所述发射天线和所述接收天线进行调整；直至接收到的所述调整指令次数大于预设的循环数，并对得到的底部地形进行显示和可视化，使得在清洁或悬浮液条件下，减少深度测量误差。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种3D水下声波扫描成像方法的步骤示意图。
图2是本发明提供的3D水下声波扫描成像方法实施时的操作顺序的框图。
图3是本发明提供的天线相对于船的位置的示例图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1，本发明提供一种3D水下声波扫描成像方法，包括以下步骤：
S101、安装发射天线和接收天线，并利用所述接收天线接收根据所述发射天线发出发射信号产生的多个反射信号。
具体的，将测试需要的发射天线和接收天线进行安装放置，并且相邻两个所述接收天线之间的距离不超过接收信号波长的一半；通过所述发射天线发出的发射信号，并以当前测试水域中的声速对所述发射信号进行传播，并利用所述接收天线接收根据所述发射信号产生的多个反射信号，其中，所述反射信号为所述发射信号在当前水生环境和底部的任何不均匀性产生的反射信号。所述发射信号在旋转方向上指向很窄，并且在垂直平面中具有指向性广的指向底部的信号，考虑到水生环境中的悬浮液的粒径和在船舶操作期间确定深度的精度，选择发送信号的窄定向波束的频率。本实施例使用的是需要选择的所述发射天线和接收天线，还可以使用多元素阵列天线，无需旋转天线就可以改变信号到达的方向。
探测脉冲发生器1产生发射信号，该发射信号通过功率放大器2放大，并通过天线3发射窄波束信号到船下的水中。从底部和水柱中的不规则部分反射的信号到达天线4的接收元件，其中可以有2个或更多个信号用于明确的测向。对接收天线的位置有要求：它们之间的距离应不超过接收信号波长的一半。如果违反了此要求，则会出现测量方向模糊，即出现多个方向，所接收信号的相位差具有相同的值。发射的信号从发射天线以水中的声速传播，波阵穿过水土悬浮液，向底部传播并沿着底部移动。在水生环境和底部的任何不均匀性都会形成一个反射信号，该信号在所有方向（包括向接收天线的方向）传播。因此，从空间的不同点反射的大量信号的总和到达接收天线。
S102、对所述反射信号进行预处理，根据预处理后的所述反射信号计算出对应的幅度值、相位值和到达方向。
具体的，对所述反射信号进行放大和数字化转换，并利用希尔伯特换能器形成解析信号，根据所述解析信号隔离出所述反射信号中的每个临界点对应的幅度值和所述相位值，根据相邻两个接收信号之间的两个所述相位值之间的差值计算出对应的延迟距离和到达方向；其中，每个所述临界点为所述反射信号中的每个离散值。
众所周知，从介质不均匀性反射的信号幅度具有以下形式：
Figure 662184DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 278979DEST_PATH_IMAGE002
-接收天线处的压强，
Figure 192708DEST_PATH_IMAGE003
-发射天线处的压强，
Figure 654782DEST_PATH_IMAGE004
-到位置对象的距离，
Figure 767095DEST_PATH_IMAGE005
-特定的背反射系数，具体取决于反射量，粒径和辐射频率，
Figure 571103DEST_PATH_IMAGE006
是发射天线的方向性特性，
Figure 768866DEST_PATH_IMAGE007
是水中的声速，
Figure 565789DEST_PATH_IMAGE008
是相对于消息的时间延迟，
Figure 532608DEST_PATH_IMAGE009
是反射物体的等效半径，
Figure 507518DEST_PATH_IMAGE010
是介质的吸收系数。
为了接收从底部反射的信号，有必要：
反射物体远大于探测信号波长的一半（Re >> c / f）；
传导信号的介质吸收越少（参数β越小）。
探测信号的频率从下方受到位置精度（在底部检测小物体的能力）的限制，而从上方受到水土混合物吸收能力的限制。 当混合物的粒度小于1 mm时，探测信号的频率应在距船20-75米的位置处，大小为100-300 kHz。 应该记住的是，该位置的范围也受储层深度的限制，并且不能超过5-7的深度。 频率越高，定位精度越高，但是工作范围越短，相反地，频率越低，声纳范围越长，精度就越低。
来自底部不平整部分的反射信号撞击接收天线，因此从不同方向到达的信号以不同的信号时间延迟到达。为此，接收天线以一定的垂直距离定位，如图3所示。
因此，我们收到两个信号：
Figure 79278DEST_PATH_IMAGE012
Figure 900604DEST_PATH_IMAGE013
其中，
Figure 311994DEST_PATH_IMAGE014
是天线元件之间的距离；
Figure 218770DEST_PATH_IMAGE015
是信号到达的方向。
即信号仅在信号到达延迟方面有所不同，该延迟取决于接收天线之间的距离、到达方向和水中的声速。
当使用探测音时（发送时限正弦信号时），信号到达延迟可以用两个接收信号的相位差表示：
Figure 91917DEST_PATH_IMAGE016
其中，
Figure 33328DEST_PATH_IMAGE017
是发射窄带信号的中心频率。
测量两个信号的相位差是信号的数字处理和分析表示中的典型操作，例如，在希尔伯特变换之后：
Figure 615619DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure 9691DEST_PATH_IMAGE019
是复数的辐角主值。
因此，从空间的不同点反射的大量信号的总和到达接收天线。如前所述，信号的幅度取决于不均匀性的大小、对比度和底部边界的反射，其中，不均匀性越大，信号的幅度越强；束或水的材料之间声音的密度和速度差异越大，信号的幅度越强；底部边界的反射越强，信号的幅度越大。因此，我们可以假设接收信号的每个离散值（被视为临界点）根据天线接收元件之间的相位差确定发送后的延迟距离和到达方向，从而可以计算出位置深度和距天线的偏移量。
S103、利用设定的卡尔曼滤波器对所述反射信号中的关键点进行迭代滤波，并根据接收的调整指令对所述发射天线和所述接收天线进行调整。
具体的，利用基于正交外推算法的卡尔曼滤波器对所述反射信号中的临界点进行迭代滤波，并在滤波完成后，发出调整指令，接收所述调整指令，并根据所述调整指令对所述发射天线和所述接收天线进行参数调整或旋转设定角度，由于本发明采用的是通过旋转改变到达方向的天线，因此此处是旋转设定角度。
详细流程为：由于许多来自不同异质性的信号同时到达接收天线，因此它们是混合的，并且几乎不可能将它们分开，除非一个信号比另一个信号大得多。因此，为了进一步分析，使用具有最大振幅的临界点通过鞍点与相邻点分离。这些点被认为是“正确的”并且与底面有关。为了确定表面临界点的重要性作为合适的依据，我们将使用在外国制图学中广泛使用的“地形突出”概念。
在原型中提出的方法（莫尔斯表面，克伦罗德-里巴树）在存在水与土壤悬浮液的情况下不适用，因为它们不允许从水与土壤混合物的凝块中滤出“代表性”的临界点，因为这些临界点具有足够大的反射信号振幅，包含鞍点但不显示底部的当前状态。因此，有必要使用附加的空间过滤来滤除与底表面和底部物体无关的临界点。
卡尔曼滤波就是这样一种过滤方法，它可以物理上合理地分离与底表面和噪音相关的点。但是普通的卡尔曼滤波器（CKF）仅在特殊情况（所谓的条件良好）中起作用，并且在大多数实际问题中会有所不同。因此需要一种鲁棒且数值高效的空间滤波算法。
CKF算法的发散现象导致人们寻找代数上与CKF等价的替代方案，但在计算中更加稳定。
众所周知，卡尔曼滤波器中的主要计算负荷落在Riccati方程的迭代中。为了减少计算量，Martin Morph和Thomas Kailat 提出在一种正交计算方案中将外推法和滤波测量的处理相结合，从而使算法稳定。目前已经出现了使用并行计算的可能性，因此该算法被改写成块形式，便于并行计算。通过使用基于马丁·莫夫（Martin Morph）和托马斯·凯拉特（Thomas Kailat）表达式的卡尔曼滤波器，对底部表面和噪声的关键点进行迭代滤波，从而从所有获得的关键点中形成一组关键点，对滤波删除假点后得到的关键点进行收集，得到关键点集合。
S104、直至接收到的所述调整指令次数大于预设的循环数，并对得到的底部地形进行显示和可视化。
具体的，得到一组所述关键点集合即为完成一次循环，当接收到的所述调整指令次数大于预设的循环数时，结束循环，并将在所述接收天线的不同位置获得的所述关键点集合以边界为条件的形式进行连接，同时生成底面模型，并在设定的时间内对生成的底面模型进行可视化操作。
使用（图2）探测脉冲发生器1，功率放大器2，压电声发射器3，一组压电声接收器4，放大器5，模数转换器6，希尔伯特换能器7，用于分离信号幅度和相位的分离单元8，用于确定信号的到达距离和方向的计算单元9，空间滤波单元10和显示单元11。天线旋转单元12提供天线旋转控制，压电声发射器3可以与接收器4之一组合并使用相同的压电元件。
该方法如下工作。
探测脉冲发生器1产生发射信号，该发射信号通过功率放大器2，并且窄波束信号由压电声发射器3发射到船下的水中。从底部和水柱中的不规则部分反射的信号到达压电声接收器4的接收元件，其中有2个或多个信号可以用于明确地确定方向。来自接收元件的信号被馈送到放大器5，通过模数转换器6转换成数字信号，使用希尔伯特换能器7转换成解析信号，在解析信号中确定每个信号的幅度和相位。到达的方向由信号之间的相位差确定，并且在发送之后，在计算单元9中确定到反射异质性的距离。将得到的点云（每个点具有其自己的距离和到达方向）发送到空间滤波单元10，在其中删除假点（噪声）并形成底面模型，然后将结果馈送到显示单元11以显示和可视化底部地形。在完成一个探测周期的处理之后，将命令发送到天线旋转单元12进行下一探测周期。循环数由系统角度扇区的大小和构建底图所需的精度确定。
由于即使在浊度条件下也可以在操作期间实时地“看见”水下物体，因此本发明的使用提高了水下工作的效率，这使得可以省去由于预期的悬浮物沉淀而在船舶运行期间的停机时间。 在转盘上使用便宜可靠的侧面扫描干涉式声纳天线，可以实时提供比许多昂贵的多波束回声测深仪更准确，更详细的底面地图。
本发明的替代目的是车身测量，寻找鱼群，控制桥墩，水下结构的状况，控制对保护区的穿透等等。超声波水下视觉系统允许使用紧凑且便宜的设备实时长距离查看浑浊水中的底部和上方物体。
本发明的一种3D水下声波扫描成像方法，安装发射天线和接收天线，并利用所述接收天线接收根据所述发射天线发出发射信号产生的多个反射信号；对所述反射信号进行预处理，根据预处理后的所述反射信号计算出对应的幅度值、相位值和到达方向；利用设定的卡尔曼滤波器对所述反射信号中的关键点进行迭代滤波，并根据接收的调整指令对所述发射天线和所述接收天线进行调整；直至接收到的所述调整指令次数大于预设的循环数，并对得到的底部地形进行显示和可视化，使得在清洁或悬浮液条件下，减少深度测量误差。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种3D水下声波扫描成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
安装发射天线和接收天线，并利用所述接收天线接收根据所述发射天线发出发射信号产生的多个反射信号；
对所述反射信号进行预处理，根据预处理后的所述反射信号计算出对应的幅度值、相位值和到达方向；
利用设定的卡尔曼滤波器对所述反射信号中的关键点进行迭代滤波，并根据接收的调整指令对所述发射天线和所述接收天线进行调整；
直至接收到的所述调整指令次数大于预设的循环数，并对得到的底部地形进行显示和可视化。
2.如权利要求1所述的3D水下声波扫描成像方法，其特征在于，对所述反射信号进行预处理，根据预处理后的所述反射信号计算出对应的幅度值、相位值和到达方向，包括：
对所述反射信号进行放大和数字化转换，并利用希尔伯特换能器形成解析信号；
根据所述解析信号隔离出所述反射信号中的每个临界点的幅度值、相位值和到达方向，其中，每个所述临界点为所述反射信号中的每个离散值。
3.如权利要求2所述的3D水下声波扫描成像方法，其特征在于，根据所述解析信号隔离出所述反射信号中的每个临界点的幅度值、相位值和到达方向，包括：
根据所述解析信号隔离出每个所述临界点对应的幅度值和所述相位值；
根据相邻两个接收信号之间的两个所述相位值之间的差值计算出对应的延迟距离和到达方向。
4.如权利要求1所述的3D水下声波扫描成像方法，其特征在于，利用设定的卡尔曼滤波器对所述反射信号中的关键点进行迭代滤波，并根据接收的调整指令对所述发射天线和所述接收天线进行调整，包括：
利用基于正交外推算法的卡尔曼滤波器对所述反射信号中的临界点进行迭代滤波，并在滤波完成后，发出调整指令；
接收所述调整指令，并根据所述调整指令对所述发射天线和所述接收天线进行参数调整或旋转设定角度。
5.如权利要求1所述的3D水下声波扫描成像方法，其特征在于，利用设定的卡尔曼滤波器对所述反射信号中的关键点进行迭代滤波，并根据接收的调整指令对所述发射天线和所述接收天线进行调整之后，所述方法还包括：
对滤波删除假点后得到的关键点进行收集，得到关键点集合。
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