CN112698349B - 浅海岛礁水上水下同步一体化空间测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种浅海岛礁水上水下同步一体化空间测量系统及方法，该测量系统包括系统固定底座和连接杆，所述连接杆穿过所述系统固定底座，连接杆位于系统固定底座的上半部分设有水上激光雷达，连接杆位于系统固定底座的下半部分设有水下多波束测量装置。本发明通过水上激光雷达和水下多波束测量装置同步测量得出水上和水下空间信息数据，然后处理数据后得到点云信息，进而得出水上空间结构信息以及水下空间信息和地形，本发明实现水上水下同步测量，相比传统测量大大提高了测量效率和数据完整性，为浅海岛礁水下水上各类工程提供了全新的测量手段。

Description

浅海岛礁水上水下同步一体化空间测量系统及方法
技术领域
本发明涉及浅海的空间测量，具体地指浅海岛礁水上水下同步一体化空间测量系统及方法。
背景技术
在浅海岛礁水上水下的工程中，需要对水下的空间结构进行探测，以获取水下空间的信息，从而满足水下工程的需要。公布号为CN 105547261 A的中国发明专利公开了一种《一种边远岛礁水下地形地貌勘测系统与方法》，该系统由测量小艇前视避碰声呐探测测量小艇前行方向障碍物，若测量小艇前视避碰声呐探测到障碍物，则由测量小艇作业优化与中控终端控制测量小艇航行系统向邻近已测的测线方向进行避让，避让完成后重新返回测线进行勘测；由测量小艇浅水多波束测深系统探测测量小艇所在区域水深；若测量小艇浅水多波束测深系统中央波束所测水深小于0.5m的安全门限，则由测量小艇作业优化与中控终端判断为遭遇浅水障碍，并向小艇航行系统发送避让信号，从而使测量小艇向邻近已测测线方向进行避让，避让完成后测量小艇重新返回测线进行勘测；若所述的测量小艇浅水多波束测深系统连续100呯(ping)的边缘波束所测平均水深小于0.5m的安全门限，则由测量小艇作业优化与中控终端将测量结束信息传回勘测母船基站。该专利采用多波束测深系统进行探测，然而多波束测深系统具有以下不足：1、多波束测深是一种动态测量，受到现场环境条件的影响很大，例如风浪过大能引起涌浪滤波器测量的失真；2、多波束测深中姿态传感器、罗经偏差的静态测定和多波束探头综合偏差的动态测定存在偏差；3、多波束水深测量每ping需要接收很多波束，从接收第一个回波到最后一个回波，有一个时间差，在这一接收时段内，起伏和摇摆都会发生变化，可能影响水深及其点位归算的准确性。
发明内容
本发明目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种浅海岛礁水上水下同步一体化空间测量系统及方法，该系统在多波束探测空间数据的同时，利用量子雷达测量装置检测出水下空间数据，将两者检测的空间数据进行相似性比较从而判断多波束探测空间信息的准确度。
实现本发明目的采用的技术方案是：一种浅海岛礁水上水下同步一体化空间测量系统，其包括系统固定底座和连接杆，所述连接杆穿过所述系统固定底座，连接杆位于系统固定底座的上半部分设有水上激光雷达，连接杆位于系统固定底座的下半部分设有水下多波束测量装置。
进一步地，所述连接杆顶端设有外壳载体，所述外壳载体的一面为斜面，水上激光雷达的激光扫描头设于该斜面上；所述外壳载体的内部设有PC处理器和惯性测量单元，所述外壳载体的侧面设有供电口、移动存储接口和外置WiFi天线；所述外壳载体的顶端通过GNSS连接杆连接有GNSS天线。
进一步地，所述连接杆的底端通过角度调节座与水下多波束测量装置连接。
更进一步地，所述连接杆的底端还连接有量子雷达测量装置，所述量子雷达测量装置包括：所述连接杆的底端还连接有量子雷达测量装置，所述量子雷达测量装置包括激光光源、球形底座、信号发生器、光子存储器、光子检测器和处理器，其中激光光源用于产生纠缠光子信号，纠缠光子信号包括发射光子和本地光子；球形底座连接有驱动器，该驱动器能够驱动球形底座做360度旋转；信号发生器设于球形底座上，信号发生器与激光光源连接，信号发生器用于将所述发射光子发射出；光子存储器用于存储纠缠光子信号中的本地光子，当发射光子遇到目标时，本地光子从光子存储装置中射出；光子检测器用于检测从光子存储装置中射出的本地光子；处理器分别与球形底座和光子检测器连接，处理器包括计算模拟模块，计算模块用于根据球形底座带动信号发生器的发射方位和发射光子遇到目标的时间计算模拟出水下空间位置。
此外，本发明还提供一种通过上述系统实现浅海岛礁水上水下同步一体化空间测量方法，该方法包括通过水上激光雷达和水下多波束测量装置同步得出水上和水下空间信息数据，通过数据处理得出空间水上水下一体的点云信息，通过点云信息可以得出水上空间结构信息和水下空间信息fij＇。
进一步地，上述浅海岛礁水上水下同步一体化空间测量方法还包括：
S1、处理器在获得多波束测量系统的测量数据时，处理器控制激光光源产生纠缠光子信号，并控制信号发生器将纠缠光子信号中的发射光子射出，发射光子(信号发生器)的坐标Oi(Xi，Yi，Zi)，Oi(Xi，Yi，Zi)＝(X0+i，Y0+i，Z0+i)，X0、Y0、Z0为测量中心位置(原点)O的坐标，并将此时发射光子的坐标Oi(Xi，Yi，Zi)作为测量点，并记录发射光子在原测量点坐标系中的发射角度
Figure BDA0002842747510000031
S2、当发射光子遇到目标时发生状态改变，此时引起本地光子的状态改变，本地光子从光子存储器中溢出后被光子检测器检测，处理器根据光子检测器检测到本地光子的时间t计算出原点到目标的距离L，根据发射光子的发射角度
Figure BDA0002842747510000032
以及原点到目标的距离L，计算出目标在测量点坐标系的坐标Oij(Xij，Yij，Zij)；
S3、根据测量点相对于原点的位置，计算出目标距离原点的位置Oj(Xj，Yj，Zj)，将量子测量的所有目标与测量中心位置的位置信息，从而得到整个水下空间信息fij；
S4、计算通过量子雷达测量的水下空间信息f1和水下多波束测量装置测量的水下空间信息fij＇的相似性，如两者相似性在阈值范围内，则到下一地点进行测量。
在上述技术方案中，所述相似性通过下式计算：
Figure BDA0002842747510000033
式中，Xij，Yij，Zij为量子雷达测量的水下空间信息f1中某目标的三维坐标，Xij＇，Yij′，Zij＇为水下多波束测量装置测量的水下空间信息fij＇中对应该目标的三维坐标。
本发明具有以下优点：
1、通过水上激光雷达和水下多波束测量装置同步测量得出水上和水下空间信息数据，通过数据处理得出空间水上水下一体的点云信息，通过点云信息可以得出水上空间结构信息以及水下空间信息和地形，本发明实现水上水下同步测量，相比传统测量大大提高了测量效率和数据完整性，为浅海岛礁水下水上各类工程提供了全新的测量手段。
2、本发明当使用水下测量装置多波束测量系统测量出的水下空间信息时，几乎同时使用量子雷达测量装置进行辅助测量，对水下空间结构进行扫描探测，然后将探测的结果与多波束测量系统测量的结果进行相似性比较，如两者相似性在阈值范围内，则多波束测量系统测量的准确度较高，然后到下一地点进行测量。
附图说明
图1为本发明浅海岛礁水上水下同步一体化空间测量系统的结构示意图。
图2为本发明浅海岛礁水上水下同步一体化空间测量系统中惯性测量单元的结构及安装示意图。
图3为本发明浅海岛礁水上水下同步一体化空间测量系统安装在船体上的示意图。
图4为本发明浅海岛礁水上水下同步一体化空间测量系统中所用量子雷达测量装置的结构框图。
图中，1-外壳载体，2-GNSS天线，3-GNSS连接杆，4-PC处理器，5-供电口，6-移动存储接口，7-惯性测量单元，8-连接杆，9-系统固定座，10-紧固螺丝，11-固定螺丝，12-连接座，13-角度调节座，14-多波束固定座，15-多波束固定螺丝，16-多波束测量装置，17-WiFi天线，18-激光扫描头。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明浅海岛礁水上水下同步一体化空间测量系统包括系统固定底座9和连接杆8，连接杆8穿过系统固定底座9，连接杆8位于系统固定底座9上方的部分设有水上激光雷达，连接杆8位于系统固定底座9下方的部分设有水下多波束测量装置16。
连接杆8顶端设有外壳载体1，外壳载体1的一面为斜面，水上激光雷达的激光扫描头18设于该斜面上，得激光扫描头18的轴线与前进方向形成一定夹角。外壳载体1的内部设有PC处理器4和惯性测量单元(IMC)7，PC处理器4位于惯性测量单元7的上方，并使L0Y轴平行于前进方向，L0Z竖直向上，如图2所示，外壳载体1的侧面设有供电口5、移动存储接口6和外置WiFi天线17，通过WiFi天线17进行无线通信实现控制测量和采集；外壳载体1的顶端通过GNSS连接杆3连接有GNSS天线2，GNSS天线2位于最高处，接收卫星信号不受遮挡。
作为本发明的优先实施方案，多波束测量装置16与连接杆8的连接方式为：连接杆1的底端通过多波束固定座14与水下多波束测量装置16连接，多波束测量装置16通过多波束固定螺丝15与多波束固定座14连接；为了使多波束测量装置16能够多方向调节，还可以在连接杆1与多波束固定座14之间设置一个角度调节座13；为了方便安装角度调节座13，连接杆1的底端设置一个可拆卸的连接座12，角度调节座13通过紧固螺丝连接于连接座12上。
本发明中水上激光雷达和水下多波束测量装置16依靠连接杆8连接，简单高效，整机系统固定座中间放置连接杆，通过上下两端卡箍和紧固螺丝10将系统固定座9与连接杆8抱紧，使整机系统不发生任何位移。系统固定座可以任意安装在无人船，汽艇，等中小型各类船体上，如图3所示。
为了提高测量精度，本发明还在连接杆8的下部还连接有量子雷达测量装置，如图4所示，本发明所用量子雷达测量装置包括：激光光源、球形底座、信号发生器、光子存储器、光子检测器和处理器，其中激光光源用于产生纠缠光子信号，纠缠光子信号包括发射光子和本地光子；球形底座连接有驱动器，该驱动器能够驱动球形底座做360度旋转；信号发生器设于球形底座上，信号发生器与激光光源连接，信号发生器用于将所述发射光子发射出；光子存储器用于存储纠缠光子信号中的本地光子，当发射光子遇到目标时，本地光子从光子存储装置中射出；光子检测器用于检测从光子存储装置中射出的本地光子；处理器分别与球形底座和光子检测器连接，处理器包括计算模拟模块，计算模块用于根据球形底座带动信号发生器的发射方位和发射光子遇到目标的时间计算模拟出水下空间结构。
使用上述本发明系统进行浅海岛礁水上水下同步一体化空间测量的过程如下：
通过水上测量装置和水下测量装置(多波束测量装置16)同步得出水上和水下空间信息数据，通过数据处理得出空间水上水下一体的点云信息，通过点云信息可以得出水上空间结构信息以及水下空间信息和地形。
为了确定水下多波束测量装置16的测量精度，当使用水下测量装置多波束测量系统16测量出的水下空间信息时，同时使用量子雷达测量装置进行辅助测量，具体包括以下步骤：
S1、处理器在获得多波束测量系统的测量数据时，处理器控制激光光源产生纠缠光子信号，并控制信号发生器将纠缠光子信号中的发射光子射出，发射光子(信号发生器)的坐标Oi(Xi，Yi，Zi)，Oi(Xi，Yi，Zi)＝(X0+i，Y0+i，Z0+i)，X0、Y0、Z0为测量中心位置(原点)O的坐标，并将此时发射光子的坐标Oi(Xi，Yi，Zi)作为测量点，并记录发射光子在原测量点坐标系中的发射角度
Figure BDA0002842747510000061
S2、当发射光子遇到目标(障碍物)时发生状态改变，此时引起本地光子的状态改变，本地光子从光子存储器中溢出后被光子检测器检测，处理器根据光子检测器检测到本地光子的时间t计算出原点到目标的距离L，根据发射光子的发射角度
Figure BDA0002842747510000062
以及原点到目标的距离L，计算出目标在测量点坐标系的坐标Oij(Xij，Yij，Zij)。
S3、根据测量点相对于原点的位置，计算出目标距离原点的位置Oj(Xj，Yj，Zj)，将量子测量的所有目标与测量中心位置的位置信息，从而得到整个水下空间的结构(各目标的方位)。
S4、计算通过量子雷达测量的水下空间信息f1和水下多波束测量装置测量的水下空间信息fij＇的相似性，如两者相似性在阈值范围内，则多波束测量系统测量的准确度较高，该阈值根据水下空间结构信息的精度要求选择确定。如符合精度要求，则到下一地点继续进行测量。其中相似性通过欧式距离计算，具体计算公式为：
Figure BDA0002842747510000071
式中，Xij，Yij，Zij为量子雷达测量的水下空间信息f1中某目标的三维坐标，Xij＇，Yij′，Zij＇为水下多波束测量装置测量的水下空间信息fij＇中对应该目标的三维坐标。

Claims (5)

1.一种浅海岛礁水上水下同步一体化空间测量系统，其特征在于：包括系统固定底座和连接杆，所述连接杆穿过所述系统固定底座，连接杆位于系统固定底座的上半部分设有水上激光雷达，连接杆位于系统固定底座的下半部分设有水下多波束测量装置，所述连接杆的底端还连接有量子雷达测量装置，所述量子雷达测量装置包括激光光源、球形底座、信号发生器、光子存储器、光子检测器和处理器，其中激光光源用于产生纠缠光子信号，纠缠光子信号包括发射光子和本地光子；球形底座连接有驱动器，该驱动器能够驱动球形底座做360度旋转；信号发生器设于球形底座上，信号发生器与激光光源连接，信号发生器用于将所述发射光子发射出；光子存储器用于存储纠缠光子信号中的本地光子，当发射光子遇到目标时，本地光子从光子存储装置中射出；光子检测器用于检测从光子存储装置中射出的本地光子；处理器分别与球形底座和光子检测器连接，处理器包括计算模拟模块，计算模拟模块用于根据球形底座带动信号发生器的发射方位和发射光子遇到目标的时间计算模拟出水下空间位置，计算模拟模块还用于将多波束装置和量子雷达装置检测的水下空间数据进行相似性比较，如两者相似性在阈值范围内，则发出到下一地点进行测量的信息。
2.根据权利要求1所述的浅海岛礁水上水下同步一体化空间测量系统，其特征在于：所述连接杆顶端设有外壳载体，所述外壳载体的一面为斜面，水上激光雷达的激光扫描头设于该斜面上；所述外壳载体的内部设有PC处理器和惯性测量单元，所述外壳载体的侧面设有供电口、移动存储接口和外置WiFi天线；所述外壳载体的顶端通过GNSS连接杆连接有GNSS天线。
3.根据权利要求2所述的浅海岛礁水上水下同步一体化空间测量系统，其特征在于：所述连接杆的底端通过角度调节座与水下多波束测量装置连接。
4.一种通过权利要求1所述系统实现浅海岛礁水上水下同步一体化空间测量方法，其特征在于：通过水上激光雷达和水下多波束测量装置同步得出水上和水下空间信息数据，通过数据处理得出空间水上水下一体的点云信息，通过点云信息可以得出水上空间结构信息和水下空间信息fij＇，具体包括：
S1、处理器在获得多波束测量系统的测量数据时，处理器控制激光光源产生纠缠光子信号，并控制信号发生器将纠缠光子信号中的发射光子射出，发射光子的坐标Oi(Xi，Yi，Zi)，Oi(Xi，Yi，Zi)＝(X0+i，Y0+i，Z0+i)，X0、Y0、Z0为测量中心位置O的坐标，并将此时发射光子的坐标Oi(Xi，Yi，Zi)作为测量点，并记录发射光子在原测量点坐标系中的发射角度
Figure FDA0003315591830000021
S2、当发射光子遇到目标时发生状态改变，此时引起本地光子的状态改变，本地光子从光子存储器中溢出后被光子检测器检测，处理器根据光子检测器检测到本地光子的时间t计算出原点到目标的距离L，根据发射光子的发射角度
Figure FDA0003315591830000022
以及原点到目标的距离L，计算出目标在测量点坐标系的坐标Oij(Xij，Yij，Zij)；
S3、根据测量点相对于原点的位置，计算出目标距离原点的位置Oj(Xj，Yj，Zj)，将量子测量的所有目标与测量中心位置的位置信息，从而得到整个水下空间信息fij；
S4、计算通过量子雷达测量的水下空间信息f1和水下多波束测量装置测量的水下空间信息fij＇的相似性，如两者相似性在阈值范围内，则到下一地点进行测量。
5.根据权利要求4所述浅海岛礁水上水下同步一体化空间测量方法，其特征在于所述相似性通过下式计算：
Figure FDA0003315591830000023
式中，Xij，Yij，Zij为量子雷达测量的水下空间信息f1中某目标的三维坐标，Xij＇，Yij′，Zij＇为水下多波束测量装置测量的水下空间信息fij＇中对应该目标的三维坐标。
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