CN115774259B - 中水多波束测深系统、方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种中水多波束测深系统、方法及装置。所述系统设置于载体上，包括：平面发射阵，用于向目标水域发射测深波束和多个指定方向的测速波束；沿载体的宽度方向呈线性阵列排布的多个第一接收基元以及沿载体的长度方向布设的第二接收基元及第三接收基元，用于接收目标水域针对测深波束反射的测深信号以及目标水域针对多个指定方向的测速波束分别反射的测速信号；惯性导航设备，用于采集载体的位姿信息；控制设备，用于根据测速信号确定多个指定方向上的载体速度信息，将得到的载体速度信息与惯性导航设备当前采集的位姿信息进行融合处理，以得到修正位姿信息，以及根据修正位姿信息和测深信号，确定目标水域的水深信息。

Description

中水多波束测深系统、方法及装置

技术领域

本申请涉及水域探测领域，尤其涉及一种中水多波束测深系统、方法及装置。

背景技术

中水多波束测深系统是一种高效率、高精度和高分辨率的水域地形测量装备，其利用发射换能器向中水水域发射声波信号，并利用接收换能器接收中水水域反射的声波信号，通过波束形成技术和位置姿态补偿技术，得到高精度的水深信息。中水多波束测深系统对惯性导航设备的实时性和精确性有着严格的要求，当惯性导航设备精度降低甚至失效时，多波束测深数据质量将显著下降。如何保证多波束测深数据质量是中水多波束测深系统研究的重要方向。

目前，解决惯性导航设备精度降低甚至失效时对中水多波束测深系统造成的影响，一种常用的方式是基于多普勒计程仪（Doppler Velocity Log，DVL）实时获取载体的速度信息和位置信息，然后利用这些信息修改惯性导航设备的累积误差。但是，这种方式需要载体同时搭载DVL和中水多波束测深系统两套系统，设备安装及信息互通复杂，且还需要解决两套系统之间的时间同步及声干扰等问题，从而增加成本。

发明内容

本申请实施例的目的提供一种中水多波束测深系统、方法及装置，用于以成本低且简单的方式解决惯性导航设备精度降低甚至失效时的测量精度下降的问题。

为了实现上述目的，本申请实施例采用下述技术方案：

第一方面，本申请实施例提供一种中水多波束测深系统，设置于载体上，所述中水多波束测深系统包括：

平面发射阵，包括呈二维阵列排布的多个发射基元，用于在控制设备的控制下，向目标水域发射测深波束和多个指定方向的测速波束，所述多个指定方向包括向所述载体的宽度方向偏离的指定方向以及向所述载体的长度方向偏离的指定方向；

多个接收基元，包括沿所述载体的宽度方向呈线性阵列排布的多个第一接收基元以及沿所述载体的长度方向布设的第二接收基元及第三接收基元，用于在控制设备的控制下，接收所述目标水域针对所述测深波束反射的测深信号以及所述目标水域针对所述多个指定方向的测速波束分别反射的测速信号；

惯性导航设备，用于采集所述载体的位姿信息；

控制设备，用于根据所述测速信号，确定所述多个指定方向上的载体速度信息，将所述多个指定方向上的载体速度信息与所述惯性导航设备当前采集的位姿信息进行融合处理，以得到所述载体的修正位姿信息，以及根据所述载体的修正位姿信息和所述测深信号，确定所述目标水域的水深信息。

第二方面，本申请实施例提供一种中水多波束测深方法，应用于具有平面发射阵、多个接收基元以及惯性导航设备的中水多波束测深系统，所述中水多波束测深系统设置在载体上，所述平面发射阵包括呈二维阵列排布的多个发射基元，所述多个接收基元包括沿所述载体的宽度方向呈线性阵列排布的多个第一接收基元以及沿所述载体的长度方向布设的第二接收基元及第三接收基元，所述方法包括：

控制所述平面发射阵向目标水域发射测深波束和多个指定方向的测速波束，所述多个指定方向包括向所述载体的宽度方向偏离的指定方向以及向所述载体的长度方向偏离的指定方向；

控制所述多个接收基元接收所述目标水域针对所述测深波束反射的测深信号以及所述目标水域针对所述多个指定方向的测速波束分别反射的测速信号；

根据所述测速信号，确定所述多个指定方向上的载体速度信息；

将所述多个指定方向上的载体速度信息与所述惯性导航设备当前采集的位姿信息进行融合处理，以得到所述载体的修正位姿信息；

根据所述载体的修正位姿信息和所述测深信号，确定所述目标水域的水深信息。

第三方面，本申请实施例提供一种中水多波束测深装置，应用于具有平面发射阵、多个接收基元以及惯性导航设备的中水多波束测深系统，所述中水多波束测深系统设置在载体上，所述平面发射阵包括呈二维阵列排布的多个发射基元，所述多个接收基元包括沿所述载体的宽度方向呈线性阵列排布的多个第一接收基元以及沿所述载体的长度方向布设的第二接收基元及第三接收基元，所述装置包括：

控制单元，用于控制所述平面发射阵向目标水域发射测深波束和多个指定方向的测速波束，所述多个指定方向包括向所述载体的宽度方向偏离的指定方向以及向所述载体的长度方向偏离的指定方向；

所述控制单元，还用于控制所述多个接收基元接收所述目标水域针对所述测深波束反射的测深信号以及所述目标水域针对所述多个指定方向的测速波束分别反射的测速信号；

确定单元，用于根据所述测速信号，确定所述多个指定方向上的载体速度信息；

融合单元，用于将所述多个指定方向上的载体速度信息与所述惯性导航设备当前采集的位姿信息进行融合处理，以得到所述载体的修正位姿信息；

所述确定单元，还用于根据所述载体的修正位姿信息和所述测深信号，确定所述目标水域的水深信息。

第四方面，本申请实施例提供一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如第一方面所述的方法的步骤。

第五方面，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储一个或多个程序，所述一个或多个程序当被包括多个应用程序的电子设备执行时，使得所述电子设备执行如第一方面所述的方法的步骤。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：对中水多波束测深系统的换能器中的发射基元和接收基元的布设方式进行改进，并对控制设备的软件算法进行改进，利用波束形成技术控制平面发射阵向水域发射测深波束和多个指定方向的测速波束以及控制这些接收基元接收目标水域针对测深波束反射的测深信号和目标水域针对多个指定方向的测速波束分别反射的测速信号，进一步基于数据融合处理及修正技术，根据多个指定方向的测速信号对惯性导航设备采集的载体位姿信息进行修正，以及根据载体的修正位姿信息和测深信号确定目标水域的水深信息，从而通过换能器的硬件改进以及控制设备的软件算法改进，在中水多波束测深系统中实现DVL导航功能，相较于在载体中同时搭载DVL和中水多波束测深系统两套系统的方案，实现简单、成本低。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请的一个实施例提供的一种中水多波束测深系统的结构示意图；

图2为本申请的一个实施例提供的一种中水多波束测深系统中换能器的结构示意图；

图3为本申请的一个实施例提供的一种换能器的波束发射和接收示意图；

图4为本申请的一个实施例提供的一种中水多波束测深方法的示意图；

图5为本申请的一个实施例提供的一种平面发射阵发射向载体的宽度方向偏离的测速波束的示意图；

图6为本申请的一个实施例提供的一种多个第一接收基元的阵列排布示意图；

图7为本申请的一个实施例提供的一种多个第一接收基元接收的波束的示意图；

图8A为本申请的一个实施例提供的一种多个指定方向的测速波束的示意图之一；

图8B为本申请的一个实施例提供的一种多个指定方向的测速波束的示意图之二；

图9为本申请的一个实施例提供的一种信息融合及修正过程的示意图；

图10为本申请的一个实施例提供的一种卡尔曼滤波器的结构示意图；

图11本申请的一个实施例提供的一种每一级数据解算、状态估计及误差反馈处理的流程示意图；

图12为本申请的另一个实施例提供的一种中水多波束测深方法的示意图；

图13本申请的又一个实施例提供的一种中水多波束测深方法的流程示意图；

图14为本申请的一个实施例提供的一种中水多波束测深装置的结构示意图；

图15为本申请的另一个实施例提供的一种电子设备的结构示意图。

实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应理解，这样使用的数据在适当的情况下可以互换，以便本申请实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，本说明书和权利要求书中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

如背景技术所述，目前，解决惯性导航设备精度降低甚至失效时对中水多波束测深系统造成的影响，一种常用的方式是基于DVL实时获取载体的速度信息和位置信息，然后利用这些信息修改惯性导航设备的累积误差。但是，这种方式需要载体同时搭载DVL和中水多波束测深系统两套系统，设备安装及信息互通复杂，且还需要解决两套系统之间的时间同步及声干扰等问题，从而增加成本。有鉴于此，本申请实施例旨在提出一种中水多波束测深方案，对中水多波束测深系统的换能器中的发射基元和接收基元的布设方式进行改进，并对控制设备的软件算法进行改进，利用波束形成技术控制平面发射阵向水域发射测深波束和多个指定方向的测速波束以及控制这些接收基元接收目标水域针对测深波束反射的测深信号和目标水域针对多个指定方向的测速波束分别反射的测速信号，进一步基于数据融合处理及修正技术，根据多个指定方向的测速信号对惯性导航设备采集的载体位姿信息进行修正，以及根据载体的修正位姿信息和测深信号确定目标水域的水深信息，从而通过换能器的硬件改进以及控制设备的软件算法改进，在中水多波束测深系统中实现DVL导航功能，相较于在载体中同时搭载DVL和中水多波束测深系统两套系统的方案，实现简单、成本低。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

为了便于本领域技术人员更好地理解本申请实施例的方案，首先结合图1至图3，对本申请实施例提供的中水多波束测深系统进行说明。如图1所示，中水多波束测深系统设置于载体（如船只）上，中水多波束测深系统包括换能器、惯性导航设备以及控制设备等，换能器布设于湿端，惯性导航设备和控制设备布设于干端。当然，可选地，中水多波束测深系统还可以包括用于对惯性导航装置采集的信息进行处理的数据处理设备等；可选地，中水多波束测深系统还可以包括载体底部安装箱体、接收机柜、发射机柜、信号处理与显示机柜等中的至少一种（图中未示出）。

本申请实施例中，换能器用于进行多波束信号的发射及接收等。如图2所示，换能器包括平面发射阵和多个接收基元。其中，平面发射阵包括呈二维阵列排布的多个发射基元，用于在控制设备的控制下，向目标水域发射测深波束和多个指定方向的测速波束，多个指定方向包括向载体的宽度方向偏离的指定方向以及向载体的长度方向偏离的指定方向。实际应用中，平面发射阵中的发射基元间距（即相邻两个发射基元之间的间距）可以根据实际需要进行设置，比如发射基元间距可以设置为半波长等，本申请实施例对此不作限定。

其中，多个接收基元包括沿载体的宽度方向呈线性阵列排布的多个第一接收基元以及沿载体的长度方向布设的第二接收基元及第三接收基元，用于在控制设备的控制下，接收目标水域针对测深波束反射的测深信号以及目标水域针对多个指定方向的测速波束反射的测速信号。示例地，如图3所示，平面发射阵向目标水域发射的测深波束在目标水域的水底形成条带波束，该测深波束经目标水域发射后形成的窄带测深信号被多个第一接收基元接收，测速波束与测深波束之间的重叠区域即为水底深度条带波束脚印。具体地，多个第一接收基元用于接收测深信号以及目标水域针对向载体的宽度方向偏离的测速波束反射的测深信号；第二接收基元用于接收目标水域针对向载体的长度方向一侧偏离的测速波束反射的测速信号，第三接收基元用于接收目标水域针对向载体的长度方向另一侧偏离的测速波束反射的测速信号。实际应用中，相邻两个接收基元之间的间距可以根据实际需要进行设置，比如间距为半波长等，本申请实施例对此不作限定。另外，多个第一接收基元、第二接收基元以及第三接收基元可以一体化灌封。

除此之外，平面发射阵还向目标水域发射四个特定方向的测速波束，即包括向载体的长度方向两侧偏离的测速波束1和测速波束3，以及向载体的宽度方向两侧偏离的测速波束2和测速波束4。测速波束2和测速波束4经目标水域反射后形成的测速信号均被多个第一接收基元接收，测速波束1经目标水域反射后形成的测速信号被第二接收基元接收，测速波束3经目标水域反射后形成的测速信号被第三接收基元接收。

实际应用中，指定方向偏离的角度可根据实际需要进行设置，本申请实施例对此不作限定。示例地，为了便于准确计算载体速度信息，向载体的宽度方向偏离的指定方向可以包括相对于z轴向载体的宽度方向偏离±30°的方向，向载体的长度方向偏离的指定方向可以包括相对于z轴向载体的长度方向偏离±30°的方向。

本申请实施例中，惯性导航设备用于采集载体的位姿信息，具体可以包括但不限于载体的位置信息、姿态信息以及航向信息等。另外，惯性导航设备还可以输出用于时间同步的秒脉冲（Pulse Per Second，PPS）信号。实际应用中，惯性导航设备可以例如包括但不限于表面声速仪、惯性姿态测量传感器、卫星定位传感器等多个传感器，其中，表面声速仪用于测量声波波束信号在目标水域中的传播速率，惯性姿态测量传感器用于输出PPS信号以及采集载体的姿态信息、航向信息等，卫星定位传感器用于采集载体的位置信息等。

如图4所示，载体在目标水域中航行的过程中，控制设备可利用波束形成技术，控制平面发射阵向目标水域发射测深波束和多个指定方向的测速波束，控制多个接收基元接收目标水域针对测深波束反射的测深信号以及目标水域针对所述多个指定方向的测速波束分别反射的测速信号，以及控制惯性导航设备采集载体的位姿信息。进一步，控制设备根据目标水域反射的测速信号、确定多个指定方向上的载体速度信息，将多个指定方向上的载体速度信息与惯性导航设备当前采集的位姿信息进行融合处理，以得到载体的修正位姿信息，以及根据载体的修正位姿信息和测深信号，确定目标水域的水深信息。

本申请实施例中，控制设备可通过任意适当的方式控制平面发射阵和多个接收基元工作，具体可根据实际需要进行选择，本申请实施例对此不作限定。

可选地，为了避免发射的测深波束与多个指定方向的测速波束之间产生干扰，控制设备可采用时分复用机制控制平面发射阵进行波束发射以及控制多个接收基元进行波束接收。具体地，控制设备可按照预设脉冲击发周期，控制平面发射阵向目标水域发射测深波束，然后控制多个第一接收基元接收目标水域针对当前脉冲击发周期内的测深波束反射的测深信号；在测深信号接收完成之后，控制设备还根据平面发射阵的阵列排布信息以及发射波束参数，控制平面发射阵向目标水域发射多个指定方向的测速波束，然后控制多个第一接收基元接收目标水域针对向载体的宽度方向偏离的测速波束反射的测速信号，以及控制第二接收基元和第三接收基元接收目标水域针对向载体的长度方向偏离的测速波束反射的测速信号。其中，平面发射阵的阵列排布信息可以包括平面发射阵中的发射基元间距等，也即平面发射阵中相邻两个发射基元之间的间距。发射波速参数可以包括发射的波束的波长、幅值等。

可选地，考虑到在惯性导航设备的工作状态正常的情况下，其采集的位姿信息的精度较高，足以用于探测目标水域的水深信息，为了节省计算资源、提高水深探测效率，控制设备可在惯性导航设备的工作状态异常的情况下，开启DVL功能以对惯性导航设备采集的位姿信息进行修正。具体地，控制设备还用于在控制平面发射阵向目标水域发射多个指定方向的测速波束之前，监测惯性导航设备在当前脉冲击发周期内的工作状态；进一步，若惯性导航设备在当前脉冲击发周期内的工作状态异常，则根据平面发射阵的阵列排布信息以及发射波束参数，控制平面发射阵向目标水域发射多个指定方向的测速波束。

其中，惯性导航设备的工作状态可通过各种适当的方式确定，具体可根据实际需要进行选择，本申请实施例对此不作限定。示例地，若监测到惯性导航设备出现精度降低、失效等至少一种情况，则确定惯性导航设备的工作状态异常。

对于测深波束的发射，可采用本领域常用的各种波束形成技术，控制平面发射阵向目标水域发射测深波束。

对于多个指定方向的测速波束的发射，可选地，为了实现平面发射阵同时发射多个指定方向的测速波束，控制设备可调整平面发射阵中各发射基元的发射时延，以软件形式实现平面发射阵中各发射基元之间在物理上的串并联，从而同时形成向载体的长度方向偏离的测速波束以及向载体的宽度方向偏离的测速波束。

具体地，平面发射阵中各发射基元的发射时延可根据各发射基元的相位延迟量进行调整。相应地，控制设备根据平面发射阵的阵列排布信息以及发射波束参数，控制平面发射阵向目标水域发射多个指定方向的测速波束，可以包括如下步骤：步骤A1，根据平面发射阵中的发射基元间距、波长以及目标指定方向，确定平面发射阵中的发射基元在目标指定方向对应的相位延迟量，其中，发射基元在目标指定方向对应的相位延迟量用于表示发射基元在目标指定方向上的发射时延，目标指定方向为上述多个指定方向中的任一个；步骤A2，根据平面发射阵中的发射基元在目标指定方向对应的相位延迟量，控制平面发射阵中的发射基元进行波束发射，以形成目标指定方向的测速波束。

更为具体地，在上述步骤A1中，控制设备可针对平面发射阵中沿目标阵列方向排布的各行发射基元，将该行发射基元划分为多个子阵。其中，各子阵中的发射基元间距相等，且每个子阵中的发射基元间距大于平面发射阵中的发射基元间距；进一步，可根据第一发射基元与第二发射基元之间的间距以及目标指定方向，确定第二子阵在目标指定方向上相对于第一子阵的相位延迟量。其中，目标阵列方向是指与目标指定方向对应的阵列方向，若目标指定方向为向载体的宽度方向偏离的指定方向，那么，目标阵列方向为载体的宽度方向；若目标指定方向为向载体的长度方向偏离的指定方向，那么，目标阵列方向为载体的长度方向。多个子阵包括第一子阵和第二子阵，第一子阵与第二子阵相对应，第一发射基元为第一子阵中的任一个发射基元，第二发射基元为第二子阵中距离第一发射基元最近的发射基元。

相应地，在上述步骤A2中，控制设备可控制第一子阵中的各发射基元进行波束发射，以及根据第二子阵在目标指定方向上相对于第一子阵的相位延迟量，控制第二子阵中的各发射基元进行波束发射，以形成目标指定方向的测速波束。

示例地，下面结合图5，以目标指定方向包括向载体的宽度方向两侧偏离的方向、目标阵列方向为载体的宽度方向为例，对控制设备控制平面发射阵发射目标指定方向的测速波束的过程进行举例说明。

图5示出了沿载体的宽度方向阵列排布的其中一行发射基元，假设相邻两个发射基元之间的间距（即平面发射阵中的发射基元间距）为d，那么，可将该行发射基元划分为四组子阵，每个子阵中的发射基元间距为4d。接着，可将第一个子阵（编号为1的子阵）和第二个子阵（编号为2的子阵）作为第一子阵，将第三个子阵（编号为3的子阵）和第四个子阵（编号为4的子阵）作为第二子阵。这样，编号为1的子阵与编号为3的子阵相对应，编号为2的子阵与编号为4的子阵相对应，编号为1的子阵中第一发射基元（假设从左起第1个发射基元）与编号为3的子阵中第二发射基元（假设从左起第3个发射基元）之间的间距为2d，编号为2的子阵中第一发射基元（假设从左起第2个发射基元）与编号为4的子阵中第二发射基元（假设从左起第4个发射基元）之间的间距也为2d。

在此情况下，通过使第二子阵发射的波束相对于第一子阵中发射的波束产生一定的相位延迟，也即使得第二子阵中各发射基元产生发射时延，即可将沿载体的长度方向的波束抑制，从而形成沿载体的宽度方向两侧偏离的测速波束。可见，通过上述方式，相当于将平面发射阵转换为二级复合发射阵，第一子阵作为第二级复合发射阵，第二子阵作为第一级复合发射阵，通过控制第一级复合发射阵产生一定的相位延迟，将两级复合发射阵发射的波束的指向性调整到向载体的宽度方向两侧偏离并进行波束发射，即可形成沿载体的宽度方向两侧偏离的测速波束。

第二子阵相对于第一子阵的相位延迟量可通过如下方式确定：

首先，假设各级复合发射阵中各发射基元的波达方位角为θ且幅值相同，那么，各级复合发射阵的自然指向（即发射波束的方向）如下公式（1）所示：

 （1）

其中，表示第i级复合发射阵的自然指向，表示第i级复合发射阵中的发射基元数量，表示第i级复合发射阵中相邻两个发射基元之间的相位延迟量，，表示第i级复合发射阵中的发射基元间距，表示第i级复合发射阵中的发射基元的波达方位角，表示波长。

由复合发射理论可知，平面发射阵的指向为各级复合发射阵的自然指向的乘积，即如下述公式（2）所示：

（2）

其中，表示平面发射阵的指向，表示第一级复合发射阵的自然指向，表示第二级复合发射帧的自然指向。

进一步，保持第二级复合发射阵（即第一子阵）发射的波束无相位无延迟，将第一级复合发射阵（即第二子阵）的指向控制到目标指定方向上，即可形成目标指定方向上的测速波束。假设目标指定方向为沿载体的宽度方向偏离±30°，那么，只需使第一级复合发射阵中的发射基元的波达方位角满足即可。由此，第一级复合发射阵中相邻两个发射基元之间的相位延迟量为，该相位延迟量即为第二子阵相对于第一子阵的相位延迟量。因此，在控制第一子阵进行波束发射后，控制第二子阵中各发射基元发射相位延迟量为的波束，即可使平面发射阵发射沿载体的宽度方向偏移±30°的测速波束（即图3所示的测速波束2和测速波束4）。

由于平面发射阵中的发射基元是呈二维阵列排布的，所以对于向载体的长度方向偏移的指定方向同理，可产生该指定方向的测速波束，即图3所示的测速波束1和测速波束3。

对于向载体的宽度方向偏离的测速信号的接收，可选地，控制设备可调整多个第一接收基元中各发射基元的发射时延，即可灵活改变多个第一接收基元的接收指向，使其能够用于接收向载体的宽度方向偏离的测速信号。具体地，控制设备控制多个第一接收基元接收目标水域针对向载体的宽度方向偏离的测速波束发射的测速信号，可以包括如下步骤：首先，根据向载体的宽度方向偏离的指定方向以及相邻两个第一接收基元之间的间距，确定相邻两个第一接收基元之间的相位延迟量；然后，根据相邻两个第一接收基元之间的相位延迟量，控制多个第一接收基元接收目标水域针对向载体的宽度方向偏离的测速波束发射的测速信号。

更为具体地，下面结合图6对向载体的宽度方向偏离的测速波束的接收过程进行举例说明。图6示出了沿载体的宽度方向阵列排布的n个第一接收基元，假设相邻两个第一接收基元之间的间距为d且幅值相等，以向载体的宽度方向偏离的方向表示的角度作为第一接收基元的波达方位角θ，那么，相邻两个接收基元之间的时间延迟可通过如下公式（3）所示：

（3）

其中，表示相邻两个接收基元之间的时间延迟，表示声速。

接着，根据声纳方程，且，则上述公式（3）可转换为，其中，表示波长，表示转速，表示频率。

以编号为0的第一接收基元为参考，编号为n-1的第一接收基元相对于编号为0的第一接收基元的时间延迟为。由此可以推出，上述n个第一接收基元的归一化指向如下公式（4）所示：

（4）

由于只需关心换能器正前方的波束指向，所以。根据上述公式（4）可以得出，当时，此时，上述归一化指向出现极大值，其中时，波束幅值为z轴方向上的主级大，称为主瓣；当时，旁瓣的幅值与主瓣相同，称为栅瓣。

进一步，令，即，此时如图7所示，上述n个第一接收基元中只会有1个极大值即为主瓣，通过相位加权的方法可以灵活改变这条主瓣的接收指向。由此，通过将这条主瓣的接收指向设置为相对于z轴偏离0°的方向，即可接收目标水域针对测深波束反射的测速信号；同理，通过将这条主瓣的接收指向设置为向载体的宽度方向偏离的指定方向，即可接收目标水域针对该指定方向的测速波束发射的测速信号。

进一步，在波束的相位权值（即相邻两个第一接收基元在接收平面的相位差）为0的情况下，主瓣的指向性接收指向为相对于z轴偏离0°的方向，此时将主瓣乘以相应的相位权值，用来改变主瓣的幅值和相位。若忽略振幅的影响，只考虑相位信息，则。

此时，上述n个第一接收基元的归一化指向如下公式（5）所示：

（5）

由此可以推导出第一接收基元的波达方位角θ与波束的相位权值之间的关系为。将向载体的宽度方向偏离的指定方向表示的角度作为第一接收基元的波达方位角θ，根据上述关系，即可确定出波束的相位权值，该相位权值即为相邻两个第一接收基元之间的相位延迟量。示例地，假设相邻两个第一接收基元之间的间距，图3所示的测速波束2相对于z轴向载体的宽度方向偏离30°，测速波束4相对于z轴向载体的宽度方向偏离-30°，即，由此可确定出波束的相位权值。由此，上述n个第一接收基元即可接收到目标水域针对测速波束2反射的测速信号以及目标水域针对测速波束4反射的测速信号。

对于向载体的长度方向偏离的测速信号的接收，控制设备可控制第二接收基元接收向载体的长度方向前方偏离的测速信号，该测深信号即为目标水域针对图3所示的测速波束1反射的测速信号；控制设备还可控制第三接收基元接收向载体的长度方向后侧偏离的测速信号，该测速信号即为目标水域针对图3所示的测速波束3反射的测速信号。

可以理解的是，由于多个第一接收基元沿载体的宽度方向阵列排布，其无法在载体的长度方向进行波束形成，进而无法分辨沿载体的航迹线方向的波束方向，对此，通过在沿载体的长度方向两侧布设第二接收基元和第三接收基元，且使第二接收基元和第三接收基元也向载体的长度方向倾斜，即可实现对象载体的长度方向偏离的测速信号的接收。由此，在多个线性阵列的第一接收基元的基础上，以增加两个接收基元的代价，实现了四个指定方向的波束分辨能力。

本申请实施例中，控制设备可采用本领域常用的各种方式，根据接收到的测速信号确定多个指定方向上的载体速度信息，具体根据实际需要进行选择，本申请实施例对此不作限定。示例地，控制设备可针对每个指定方向，根据在该指定方向上相邻两次接收到测速信号的时间间隔、声速以及在该指定方向上相邻两次接收到测速信号时载体的位置信息等，计算该指定方向上的载体速度信息。其中，每个指定方向上的载体速度信息用于表示载体在该指定方向上的速度。

本申请实施例中，控制设备可采用任意适当的方式，将多个指定方向上的载体速度信息与惯性导航设备当前采集的位姿信息进行融合处理，以得到载体的修正位姿信息。具体方式可根据实际需要进行选择，本申请实施例对此不作限定。

可选地，将多个指定方向上的载体速度信息与惯性导航设备当前采集的位姿信息进行融合处理，以得到载体的修正位姿信息，可以包括如下步骤：

步骤B1，根据多个指定方向上的载体速度信息和多普勒测速原理，确定载体在多普勒坐标系下相对于水底的速度信息。

其中，载体在多普勒坐标系下相对于水底的速度信息可以包括载体的水平速度信息V_x（又称为对底速度信息）、转角速度信息V_y（又称为航向速度信息）以及垂直速度信息V_z（又称为升沉速度信息）。

示例地，图8A和图8B示出了在多普勒坐标系OXYZ下四个测速波束（测速波束1~测速波束4）对应的指定方向，其中，对应的指定方向相对于Z轴偏离的角度均为α，且测速波束1相对于X轴偏离的角度为β，测速波束3相对于X轴偏离的角度为-β，测速波束2相对于Y轴偏离的角度为β，测速波束4相对于Y轴偏离的角度为-β。

基于多普勒测速原理，对于每个测速波束对应的指定方向而言，该指定方向上的载体速度可以表示为V=V_xi+V_yj+V_zk，其中，i,j,k分别表示各个坐标轴对应的单位向量。

接着，以f₁、f₂、f₃、f₄分别表示各个测速波束对应的指定方向在XOY平面上的投影方向，那么，各个投影方向上的载体速度可以表示为：

其中，表示 方向上的载体速度，表示 方向上的载体速度，表示方向上的载体速度，表示 方向上的载体速度。

、、、四个方向上的多普勒频移分别为：

其中，、、、分别表示、、、四个方向上的多普勒频移。

进一步，基于上述公式可以计算出载体的水平速度信息V_x、转角速度信息V_y以及垂直速度信息V_z，即：

步骤B2，根据多普勒坐标系与载体的声学坐标系之间的映射关系以及声学坐标系与大地坐标系之间的映射关系，将载体在多普勒坐标系下相对于水底的速度信息转换为载体在大地坐标系下的速度信息。

在测深作业中，由于水底测深条带为测深波束与测深信号的交叉点，该点也就是系统的声学中心，由于测深波束与多个指定方向的测速波束均由平面发射阵发出，且发射的角度也都使基于声学中心通过算法所调节，所以其坐标也都在声学中心上。具体地，可根据多普勒坐标系与载体的声学坐标系之间的映射关系，将载体在多普勒坐标系下相对于水底的速度信息转换为载体在声学坐标系下的速度信息；然后，根据声学坐标系与大地坐标系之间的映射关系，将载体在声学坐标系下的速度信息转换为载体在大地坐标系下的速度信息。

一般来说，在声学坐标系下的速度信息并不是用户想要得到的最终速度信息。在实际应用过程中，大地坐标系所体现的信息往往具有更好的实用价值，因此需要将载体在多普勒坐标系下相对于水底的速度信息转换为载体在声学坐标系下的速度信息后，再进一步将载体在声学坐标系下的速度信息转换为载体在大地坐标系下的速度信息，此时就需要按照（航向角）、（纵摇角）、（横摇角）这三个欧拉角进行一定方向的旋转，这些角度可由通过惯性导航设备中的惯性姿态测量传感器提供。

设大地右手坐标系G的原点位于中水多波束测深系统的声学中心O上，它的三个轴、、分别指向北、东和垂直向下。在声学坐标系的基础上绕oz轴顺时针旋转一个角度，则相应的方向余弦矩阵为：

在声学坐标系的基础上绕oy轴顺时针旋转一个角度，则相应的方向余弦矩阵为：

在声学坐标系的基础上绕ox轴顺时针旋转一个角度，则相应的方向余弦矩阵为：

经过以上三次旋转后的新右手直角坐标系即转换为了大地坐标系、、，坐标转换矩阵为：，该坐标转换矩阵即可表示声学坐标系与大地坐标系之间的映射关系。

进一步，基于公式，即可将载体在声学坐标系下的速度信息转换为载体在大地坐标系G下的速度信息。由此，载体在大地坐标系下的速度信息可以包括载体在大地坐标系下的水平速度信息、垂直速度信息以及转角速度信息。

步骤B3，将载体在大地坐标系下的速度信息与惯性导航设备当前采集的位姿信息进行融合处理，以得到载体的修正位姿信息。

其中，惯性导航设备当前采集的位姿信息包括载体的当前位置信息和当前姿态信息。

可选地，为了准确修正惯性导航设备当前采集的位姿信息，以在惯性导航设备精度降低甚至失效时提高多波束测深数据质量，如图9所示，上述步骤B3可以实现为：根据卡尔曼滤波算法，将载体在大地坐标系下的转角速度信息与载体的当前姿态信息进行融合处理，得到第一级融合信息；根据卡尔曼滤波算法，将第一级融合信息与载体的当前位置信息进行融合处理，得到第二级融合信息；根据卡尔曼滤波算法，将第二级融合信息、载体在大地坐标系下的水平速度信息以及载体在大地坐标系下的垂直速度信息进行融合处理，得到第三级融合信息；最后，根据第三级融合信息，对惯性导航设备当前采集的位姿信息进行修正，得到载体的修正位姿信息。

更为具体地，在进行每一级信息融合之前，都可进行相应的数据解算、状态估计及误差反馈处理，比如：在对转角速度信息与当前姿态信息进行融合之前，可进行姿态解算、状态估计及误差反馈处理；在第一级融合信息与当前位置信息进行融合之前，可进行位置解算、状态估计及误差反馈处理，在对水平速度信息与垂直速度信息进行融合之前，可进行速度解算、状态估计及误差反馈处理。

具体地，每一级的数据解算、状态估计及误差反馈处理方式如下：

设随机动态系统的数学模型和随机向量的方程如下：

上式中：是中水多波束测深系统每一级传感器的状态向量，是每一级传感器的控制向量，是系统的观测向量，是系统状态转移矩阵，是与的联系矩阵，是与的联系矩阵；假定系统噪声和观测噪声是不相关的零均值白噪声，关于系统过程噪声和观测噪声的统计特性有以下式子：

是系统过程噪声的非负定协方差阵，是系统观测噪声的正定方差阵。设是系统每一级传感器依据系统观测向量所得到的滤波估计值，是根据系统模型在k-1时刻的状态值预测得出k时刻的最优预测估计值，该估计滤波过程实际上取决于最优预测估计、滤波估计以及相应的误差协方差矩阵和，该估计的准则就是估计量、的无偏估计也是最小方差估计。具体算法如下：

预测方程为：

预测误差协方差矩阵为：

估计滤波增益矩阵为：

滤波估计方程为：

滤波误差协方差矩阵为：

由以上的滤波方程和预测方程，可以得到如图10所示的多波束测深系统中多传感器每一级与对应上一级的卡尔曼滤波的结构。进一步，利用该结构即可实现各级信息的融合。

综上，如图11所示，每一级的数据解算、状态估计及误差反馈处理，可以包括：获取传感器初值，然后，重复执行下述处理：并计算当前状态值的下一时刻预测值；接着，依次计算下一个时刻预测误差、估计滤波增益矩阵、滤波估计值、滤波误差协方差矩阵等；进一步，存储滤波估计值与滤波误差协方差矩阵。

进一步，根据第三级融合信息，对惯性导航设备当前采集的位姿信息进行修正，得到载体的修正位姿信息，可以包括：根据第三级融合信息，对对惯性导航设备当前采集的位姿信息进行时间同步，经时间同步后的位姿信息即为载体的修正位姿信息。

具体地，时间同步流程包括：首先，通过接收卫星定位传感器的PPS信号用来作为唯一的时间基准，在PPS信号发生改变时，取当前改变时候的ZDA时间作为此时的绝对时间，记作ZDA_TIME；然后，各传感器记录当前PPS改变时刻的PPS个数即PPS_CNT，这里需要说明的是由于每个传感器的发送频率不同，PPS_CNT也不同；接着，各传感器通过FPGA时钟计数获取当前PPS改变的时刻的各传感器时间延迟，即当PPS改变后多长时间内接收到了各传感器的数据，如该时钟为100M计数频率，则每计数一次为10ns，也就是此时记录的传感器数据的时间精度，如需提高精度，则增加计数时钟频率即可。记作：PPS_NS_CNT；进一步，由于传感器是全时刻采样，在第一次出现ZDA_TIME时，用到来的ZDA_TIME与当前所获取的PPS及PPS_NS_CNT即可恢复所有传感器的绝对时间，即各传感器数据同步的计算公式为：

SENSOR_TIME=ZDA_TIME+PPS_NS_CNT/(1/100000000*100000)+PPS_CNT。

实际应用中，控制设备可以多ping工作模式控制换能器和惯性导航设备工作。具体地，如图12所示，首先，控制设备控制平面发射阵按照对应的ping率及脉宽进行条带波束的发射，用以测量水深信息，并控制多个第一接收基元接收目标水域针对测深波束反射的测深信号；然后，在第一接收基元接收完1ping的条带波束返回的测深信号后，开始通过波束形成算法调整发平面发射阵的发射角度，此时发射出多个指定方向的窄带波束（即测速波束）,并控制第一接收基元接收向载体的宽度方向偏离的测速信号且控制第二接收基元和第三接收基元接收向载体的长度方向偏离的测速信号；接着，在中水多波束测深系统进行测深工作的同时，控制设备控制惯性导航设备获取载体的当前位姿信息；紧接着，控制设备根据多个接收基元接收到的测速信号，确定多个指定方向上的载体速度信息，并将这些载体速度信息发送给惯性导航设备，使得这些载体速度信息与惯性导航设备当前采集的位姿信息进行融合及修正，得到载体的修正位姿信息，此时修正位姿信息相较惯性导航设备采集的位姿信息有了更高的准确性及稳定性；通过对位姿信息的获取，可以将以声学中心为基准的坐标系归算到以大地为基准的大地坐标系，而大地坐标系反映出了搭载中水多波束测深系统的载体的绝对位置信息，当惯性导航设备失效后，结合最近的历史位置信息、位姿信息和载体速度信息也可精准的获取载体位置。类似地，控制设备继续控制平面发射阵发射第2ping条带波束（测深波束），接着再发射第2ping的窄带波束（测速波束），类似于多ping发射技术。

在中水多波束测深系统长时间多ping工作时，控制设备通过嵌入式软件将融合后的数据多缓存1ping。同时，根据接收到的惯性导航设备提供的PPS信号作为唯一的时间基准，通过获取PPS信号发生改变时的绝对时间，来记录下当前的各传感器的绝对时间及当前时刻的水深信息，此时，在同以绝对时刻下，同一大地坐标下，就获取到了该时间、该位置下的唯一水深信息，从而完成中水多波束的测深工作；同步原理与多传感器数据同步流程一致；经过以上处理流程，即可获取绝对时间轴下的基于大地坐标系的水深信息。

一般而言，惯性导航设备精度降低甚至失效都存在于天线信号较弱，搜索到的卫星数量较少的情况，此时为降低系统工作复杂度，减少数据量，也可利用嵌入式软件实时检测惯性导航设备提供的卫星质量，如达到临界值，则启动DVL测速功能，并保存相应的数据以提供到惯性导航设备，直到数据质量满足条件的若干时间后，系统重新达到组合导航模式结束DVL功能，此时停止发射和接收多个指定方向上的波束。

通过本申请的一个或多个实施例提供的中水多波束测深系统，在中水多波束测深系统的基础上通过硬件扩展、软件算法升级等方向实现了DVL功能，此时需在不影响外业测深工作的情况下获取DVL测速信息，并与惯性导航设备采集的位姿信息融合，惯性导航设备频繁接收来自DVL的测速信息，从而在惯性导航设备精度降低甚至失效时可以通过DVL测速信息实时校正。

本申请实施例还提供一种中水多波束测深方法，应用于具有平面发射阵、多个接收基元以及惯性导航设备的中水多波束测深系统，所述中水多波束测深系统设置在载体上，所述平面发射阵包括呈二维阵列排布的多个发射基元，所述多个接收基元包括沿所述载体的宽度方向呈线性阵列排布的多个第一接收基元以及沿所述载体的长度方向布设的第二接收基元及第三接收基元。请参见图13 ，为本申请的一个实施例提供的一种中水多波束测深方法的流程示意图，该方法包括如下步骤：

S1302，控制平面发射阵向目标水域发射测深波束和多个指定方向的测速波束。

其中，多个指定方向包括向载体的宽度方向偏离的指定方向以及向载体的长度方向偏离的指定方向。

S1304，控制多个接收基元接收目标水域针对测深波束反射的测深信号以及目标水域针对多个指定方向的测速波束分别反射的测速信号。

S1306，根据测速信号，确定多个指定方向上的载体速度信息。

S1308，将多个指定方向上的载体速度信息与惯性导航设备当前采集的位姿信息进行融合处理，以得到载体的修正位姿信息。

S1310，根据所载体的修正位姿信息和测深信号，确定目标水域的水深信息。

可选地，可按照预设脉冲击发周期，控制所述平面发射阵向所述目标水域发射测深波束；控制所述多个第一接收基元接收所述目标水域针对当前脉冲击发周期内的测深波束反射的测深信号；在测深信号接收完成之后，根据所述平面发射阵的阵列排布信息以及发射波束参数，控制所述平面发射阵向所述目标水域发射所述多个指定方向的测速波束；控制所述多个第一接收基元接收所述目标水域针对向所述载体的宽度方向偏离的测速波束反射的测速信号；控制所述第二接收基元和所述第三接收基元接收所述目标水域针对向所述载体的长度方向偏离的测速波束反射的测速信号。

可选地，所述阵列排布信息包括所述平面发射阵中的发射基元间距，所述发射波束参数包括波长；

所述根据所述平面发射阵的阵列排布信息以及发射波束参数，控制所述平面发射阵向所述目标水域发射所述多个指定方向的测速波束，包括：根据所述平面发射阵中的发射基元间距、所述波长以及目标指定方向，确定所述平面发射阵中的发射基元在所述目标指定方向对应的相位延迟量，所述目标指定方向为所述多个指定方向中的任一个； 根据所述平面发射阵中的发射基元在所述目标指定方向对应的相位延迟量，控制所述平面发射阵中的发射基元进行波束发射，以形成所述目标指定方向的测速波束。

可选地，所述根据所述平面发射阵中的发射基元间距、所述波长以及目标指定方向，确定所述平面发射阵中的发射基元在所述目标指定方向对应的相位延迟量，包括：

对于所述平面发射阵中沿目标阵列方向阵列排布的各行发射基元，将该行发射基元划分为多个子阵，其中，各子阵中的发射基元间距相等，且每个子阵中的发射基元间距大于所述平面发射阵中的发射基元间距；若所述目标指定方向为向所述载体的宽度方向偏离的指定方向，则所述目标阵列方向为所述载体的宽度方向；若所述目标指定方向为向所述载体的长度方向偏离的指定方向，则所述目标阵列方向为所述载体的长度方向；

根据第一发射基元与第二发射基元之间的间距以及所述目标指定方向，确定第二子阵在所述目标指定方向上相对于第一子阵的相位延迟量，其中，所述多个子阵包括所述第一子阵和所述第二子阵，所述第一子阵与所述第二子阵相对应，所述第一发射基元为所述第一子阵中的任一个发射基元，所述第二发射基元为所述第二子阵中距离所述第一发射基元最近的发射基元；

所述根据所述平面发射阵中的发射基元在所述目标指定方向对应的相位延迟量，控制所述平面发射阵中的发射基元进行波束发射，以形成所述目标指定方向的测速波束，包括：

控制所述第一子阵中的各发射基元进行波速发射，以及根据所述相位延迟量，控制所述第二子阵中的各发射基元进行波束发射，以形成所述目标指定方向的测速波束。

可选地，所述控制所述多个第一接收基元接收所述目标水域针对向所述载体的宽度方向偏离的测速波束发射的测速信号，包括：根据向所述载体的宽度方向偏离的指定方向以及相邻两个第一接收基元之间的间距，确定相邻两个第一接收基元之间的相位延迟量；根据相邻两个第一接收基元之间的相位延迟量，控制所述多个第一接收基元接收所述目标水域针对向所述宽度方向偏离的测速波束反射的测速信号。

可选地，所述方法还包括：在控制所述平面发射阵向所述目标水域发射所述多个指定方向的测速波束之前，监测所述惯性导航设备在当前脉冲击发周期内的工作状态；所述根据所述平面发射阵的阵列排布信息以及发射波束参数，控制所述平面发射阵向所述目标水域发射所述多个指定方向的测速波束，包括：若所述工作状态异常，则根据所述平面发射阵的阵列排布信息以及发射波束参数，控制所述平面发射阵向所述目标水域发射所述多个指定方向的测速波束。

可选地，所述将所述多个指定方向上的载体速度信息与所述惯性导航设备当前采集的位姿信息进行融合处理，以得到所述载体的修正位姿信息，包括：根据所述多个指定方向上的载体速度信息和多普勒测速原理，确定所述载体在多普勒坐标系下相对于水底的速度信息；根据多普勒坐标系与所述载体的声学坐标系之间的映射关系以及所述声学坐标系与大地坐标系之间的映射关系，将所述载体在多普勒坐标系下相对于水底的速度信息转换为所述载体在所述大地坐标系下的速度信息；将所述载体在所述大地坐标系下的速度信息与所述惯性导航设备当前采集的位姿信息进行融合处理，以得到所述载体的修正位姿信息。

可选地，所述载体在所述大地坐标系下的速度信息包括所述载体在大地坐标系下的水平速度信息、垂直速度信息以及转角速度信息，所述位姿信息包括当前姿态信息和当前位置信息；

所述将所述载体在所述大地坐标系下的速度信息与所述惯性导航设备当前采集的位姿信息进行融合处理，以得到所述载体的修正位姿信息，包括：根据卡尔曼滤波算法，将所述载体在大地坐标系下的转角速度信息与所述载体的当前姿态信息进行融合处理，得到第一级融合信息；根据卡尔曼滤波算法，将所述第一级融合信息与所述载体的当前位置信息进行融合处理，得到第二级融合信息；根据卡尔曼滤波算法，将所述第二级融合信息、所述载体在大地坐标系下的水平速度信息以及所述载体在大地坐标系下的垂直速度信息进行融合处理，得到第三级融合信息；根据所述第三级融合信息，对所述惯性导航设备当前采集的位姿信息进行修正，得到所述载体的修正位姿信息。

上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

本申请实施例还提供一种中水多波束测深装置，应用于具有平面发射阵、多个接收基元以及惯性导航设备的中水多波束测深系统，所述中水多波束测深系统设置在载体上，所述平面发射阵包括呈二维阵列排布的多个发射基元，所述多个接收基元包括沿所述载体的宽度方向呈线性阵列排布的多个第一接收基元以及沿所述载体的长度方向布设的第二接收基元及第三接收基元。请参见图14，为本申请的一个实施例提供的一种中水多波束测深装置1400的结构示意图，该装置包括：

控制单元1410，用于控制所述平面发射阵向目标水域发射测深波束和多个指定方向的测速波束，所述多个指定方向包括向所述载体的宽度方向偏离的指定方向以及向所述载体的长度方向偏离的指定方向；

所述控制单元，还用于控制所述多个接收基元接收所述目标水域针对所述测深波束反射的测深信号以及所述目标水域针对所述多个指定方向的测速波束分别反射的测速信号；

确定单元1420，用于根据所述测速信号，确定所述多个指定方向上的载体速度信息；

融合单元1430，用于将所述多个指定方向上的载体速度信息与所述惯性导航设备当前采集的位姿信息进行融合处理，以得到所述载体的修正位姿信息；

所述确定单元，还用于根据所述载体的修正位姿信息和所述测深信号，确定所述目标水域的水深信息。

显然，本申请实施例提供的中水多波束测深装置能够作为图13所示的中水多波束测深方法的执行主体，例如，图13所示的中水多波束测深方法中步骤S1302和S1304可由图14所示的中水多波束测深装置中的控制单元执行，步骤S1306和S1310可由中水多波束测深装置中的确定单元执行，步骤S1308可由中水多波束测深装置中的融合单元执行。

根据本申请的另一个实施例，图14所示的中水多波束测深装置中的各个单元可以分别或全部合并为一个或若干个另外的单元来构成，或者其中的某个（些）单元还可以再拆分为功能上更小的多个单元来构成，这可以实现同样的操作，而不影响本申请实施例的技术效果的实现。上述单元是基于逻辑功能划分的，在实际应用中，一个单元的功能也可以由多个单元来实现，或者多个单元的功能由一个单元实现。在本申请的其他实施例中，中水多波束测深装置也可以包括其他单元，在实际应用中，这些功能也可以由其他单元协助实现，并且可以由多个单元协作实现。

根据本申请的另一个实施例，可以通过在包括中央处理单元（CentralProcessing Unit，CPU）、随机存取存储介质（Random Access Memory，RAM）、只读存储介质（Read-Only Memory，ROM）等处理元件和存储元件的例如计算机的通用计算设备上，运行能够执行如图13所示的相应方法所涉及的各步骤的计算机程序（包括程序代码），来构造如图14中所示的中水多波束测深装置，以及来实现本申请实施例的中水多波束测深方法。所述计算机程序可以记载于例如计算机可读存储介质上，并通过计算机可读存储介质转载于电子设备中，并在其中运行。

图15是本申请的一个实施例电子设备的结构示意图。请参考图15，在硬件层面，该电子设备包括处理器，可选地还包括内部总线、网络接口、存储器。其中，存储器可能包含内存，例如高速随机存取存储器(Random-Access Memory，RAM)，也可能还包括非易失性存储器（non-volatile memory），例如至少1个磁盘存储器等。当然，该电子设备还可能包括其他业务所需要的硬件。

处理器、网络接口和存储器可以通过内部总线相互连接，该内部总线可以是ISA(Industry Standard Architecture，工业标准体系结构）总线、PCI(PeripheralComponent Interconnect，外设部件互连标准)总线或EISA(Extended Industry StandardArchitecture，扩展工业标准结构）总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图15中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

存储器，用于存放程序。具体地，程序可以包括程序代码，所述程序代码包括计算机操作指令。存储器可以包括内存和非易失性存储器，并向处理器提供指令和数据。

处理器从非易失性存储器中读取对应的计算机程序到内存中然后运行，在逻辑层面上形成中水多波束测深装置。处理器，执行存储器所存放的程序，并具体用于执行以下操作：控制所述平面发射阵向目标水域发射测深波束和多个指定方向的测速波束，所述多个指定方向包括向所述载体的宽度方向偏离的指定方向以及向所述载体的长度方向偏离的指定方向；控制所述多个接收基元接收所述目标水域针对所述测深波束反射的测深信号以及所述目标水域针对所述多个指定方向的测速波束分别反射的测速信号；根据所述测速信号，确定所述多个指定方向上的载体速度信息；将所述多个指定方向上的载体速度信息与所述惯性导航设备当前采集的位姿信息进行融合处理，以得到所述载体的修正位姿信息；根据所述载体的修正位姿信息和所述测深信号，确定所述目标水域的水深信息。

上述如本申请图13所示实施例揭示的中水多波束测深装置执行的方法可以应用于处理器中，或者由处理器实现。处理器可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器（Central ProcessingUnit，CPU）、网络处理器（Network Processor，NP）等；还可以是数字信号处理器（DigitalSignal Processor，DSP）、专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）、现场可编程门阵列（Field－Programmable Gate Array，FPGA）或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。

该电子设备还可执行图13的方法，并实现中水多波束测深装置在图13所示实施例的功能，本申请实施例在此不再赘述。当然，除了软件实现方式之外，本申请的电子设备并不排除其他实现方式，比如逻辑器件抑或软硬件结合的方式等等，也就是说以下处理流程的执行主体并不限定于各个逻辑单元，也可以是硬件或逻辑器件。

本申请实施例还提出了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储一个或多个程序，该一个或多个程序包括指令，该指令当被包括多个应用程序的便携式电子设备执行时，能够使该便携式电子设备执行图13所示实施例的方法，并具体用于执行以下操作：控制所述平面发射阵向目标水域发射测深波束和多个指定方向的测速波束，所述多个指定方向包括向所述载体的宽度方向偏离的指定方向以及向所述载体的长度方向偏离的指定方向；控制所述多个接收基元接收所述目标水域针对所述测深波束反射的测深信号以及所述目标水域针对所述多个指定方向的测速波束分别反射的测速信号；根据所述测速信号，确定所述多个指定方向上的载体速度信息；将所述多个指定方向上的载体速度信息与所述惯性导航设备当前采集的位姿信息进行融合处理，以得到所述载体的修正位姿信息；根据所述载体的修正位姿信息和所述测深信号，确定所述目标水域的水深信息。

总之，以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并非用于限定本申请的保护范围。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

Claims (10)

1.一种中水多波束测深系统，其特征在于，设置于载体上，所述中水多波束测深系统包括：

平面发射阵，包括呈二维阵列排布的多个发射基元，用于在控制设备的控制下，向目标水域发射测深波束和多个指定方向的测速波束，所述多个指定方向包括向所述载体的宽度方向偏离的指定方向以及向所述载体的长度方向偏离的指定方向；

多个接收基元，包括沿所述载体的宽度方向呈线性阵列排布的多个第一接收基元以及沿所述载体的长度方向布设的第二接收基元及第三接收基元，用于在控制设备的控制下，接收所述目标水域针对所述测深波束反射的测深信号以及所述目标水域针对所述多个指定方向的测速波束分别反射的测速信号；

惯性导航设备，用于采集所述载体的位姿信息；

控制设备，用于根据所述测速信号，确定所述多个指定方向上的载体速度信息，将所述多个指定方向上的载体速度信息与所述惯性导航设备当前采集的位姿信息进行融合处理，以得到所述载体的修正位姿信息，以及根据所述载体的修正位姿信息和所述测深信号，确定所述目标水域的水深信息。

2.根据权利要求1所述的中水多波束测深系统，其特征在于，所述控制设备用于：

按照预设脉冲击发周期，控制所述平面发射阵向所述目标水域发射测深波束；

控制所述多个第一接收基元接收所述目标水域针对当前脉冲击发周期内的测深波束反射的测深信号；

在测深信号接收完成之后，根据所述平面发射阵的阵列排布信息以及发射波束参数，控制所述平面发射阵向所述目标水域发射所述多个指定方向的测速波束；

控制所述多个第一接收基元接收所述目标水域针对向所述载体的宽度方向偏离的测速波束反射的测速信号；

控制所述第二接收基元和所述第三接收基元接收所述目标水域针对向所述载体的长度方向偏离的测速波束反射的测速信号。

3.根据权利要求2所述的中水多波束测深系统，其特征在于，所述阵列排布信息包括所述平面发射阵中的发射基元间距，所述发射波束参数包括波长；

所述根据所述平面发射阵的阵列排布信息以及发射波束参数，控制所述平面发射阵向所述目标水域发射所述多个指定方向的测速波束，包括：

根据所述平面发射阵中的发射基元间距、所述波长以及目标指定方向，确定所述平面发射阵中的发射基元在所述目标指定方向对应的相位延迟量，所述目标指定方向为所述多个指定方向中的任一个；

根据所述平面发射阵中的发射基元在所述目标指定方向对应的相位延迟量，控制所述平面发射阵中的发射基元进行波束发射，以形成所述目标指定方向的测速波束。

4.根据权利要求3所述的中水多波束测深系统，其特征在于，所述根据所述平面发射阵中的发射基元间距、所述波长以及目标指定方向，确定所述平面发射阵中的发射基元在所述目标指定方向对应的相位延迟量，包括：

对于所述平面发射阵中沿目标阵列方向阵列排布的各行发射基元，将该行发射基元划分为多个子阵，其中，各子阵中的发射基元间距相等，且每个子阵中的发射基元间距大于所述平面发射阵中的发射基元间距；若所述目标指定方向为向所述载体的宽度方向偏离的指定方向，则所述目标阵列方向为所述载体的宽度方向；若所述目标指定方向为向所述载体的长度方向偏离的指定方向，则所述目标阵列方向为所述载体的长度方向；

根据第一发射基元与第二发射基元之间的间距以及所述目标指定方向，确定第二子阵在所述目标指定方向上相对于第一子阵的相位延迟量，其中，所述多个子阵包括所述第一子阵和所述第二子阵，所述第一子阵与所述第二子阵相对应，所述第一发射基元为所述第一子阵中的任一个发射基元，所述第二发射基元为所述第二子阵中距离所述第一发射基元最近的发射基元；

所述根据所述平面发射阵中的发射基元在所述目标指定方向对应的相位延迟量，控制所述平面发射阵中的发射基元进行波束发射，以形成所述目标指定方向的测速波束，包括：

控制所述第一子阵中的各发射基元进行波束发射，以及根据所述相位延迟量，控制所述第二子阵中的各发射基元进行波束发射，以形成所述目标指定方向的测速波束。

5.根据权利要求2所述的中水多波束测深系统，其特征在于，所述控制所述多个第一接收基元接收所述目标水域针对向所述载体的宽度方向偏离的测速波束发射的测速信号，包括：

根据向所述载体的宽度方向偏离的指定方向以及相邻两个第一接收基元之间的间距，确定相邻两个第一接收基元之间的相位延迟量；

根据相邻两个第一接收基元之间的相位延迟量，控制所述多个第一接收基元接收所述目标水域针对向所述宽度方向偏离的测速波束反射的测速信号。

6.根据权利要求2所述的中水多波束测深系统，其特征在于，所述控制设备还用于：

在控制所述平面发射阵向所述目标水域发射所述多个指定方向的测速波束之前，监测所述惯性导航设备在当前脉冲击发周期内的工作状态；

所述根据所述平面发射阵的阵列排布信息以及发射波束参数，控制所述平面发射阵向所述目标水域发射所述多个指定方向的测速波束，包括：

若所述工作状态异常，则根据所述平面发射阵的阵列排布信息以及发射波束参数，控制所述平面发射阵向所述目标水域发射所述多个指定方向的测速波束。

7.根据权利要求1所述的中水多波束测深系统，其特征在于，所述将所述多个指定方向上的载体速度信息与所述惯性导航设备当前采集的位姿信息进行融合处理，以得到所述载体的修正位姿信息，包括：

根据所述多个指定方向上的载体速度信息和多普勒测速原理，确定所述载体在多普勒坐标系下相对于水底的速度信息；

根据多普勒坐标系与所述载体的声学坐标系之间的映射关系以及所述声学坐标系与大地坐标系之间的映射关系，将所述载体在多普勒坐标系下相对于水底的速度信息转换为所述载体在所述大地坐标系下的速度信息；

将所述载体在所述大地坐标系下的速度信息与所述惯性导航设备当前采集的位姿信息进行融合处理，以得到所述载体的修正位姿信息。

8.根据权利要求7所述的中水多波束测深系统，其特征在于，所述载体在所述大地坐标系下的速度信息包括所述载体在大地坐标系下的水平速度信息、垂直速度信息以及转角速度信息，所述位姿信息包括当前姿态信息和当前位置信息；

所述将所述载体在所述大地坐标系下的速度信息与所述惯性导航设备当前采集的位姿信息进行融合处理，以得到所述载体的修正位姿信息，包括：

根据卡尔曼滤波算法，将所述载体在大地坐标系下的转角速度信息与所述载体的当前姿态信息进行融合处理，得到第一级融合信息；

根据卡尔曼滤波算法，将所述第一级融合信息与所述载体的当前位置信息进行融合处理，得到第二级融合信息；

根据卡尔曼滤波算法，将所述第二级融合信息、所述载体在大地坐标系下的水平速度信息以及所述载体在大地坐标系下的垂直速度信息进行融合处理，得到第三级融合信息；

根据所述第三级融合信息，对所述惯性导航设备当前采集的位姿信息进行修正，得到所述载体的修正位姿信息。

9.一种中水多波束测深方法，其特征在于，应用于具有平面发射阵、多个接收基元以及惯性导航设备的中水多波束测深系统，所述中水多波束测深系统设置在载体上，所述平面发射阵包括呈二维阵列排布的多个发射基元，所述多个接收基元包括沿所述载体的宽度方向呈线性阵列排布的多个第一接收基元以及沿所述载体的长度方向布设的第二接收基元及第三接收基元，所述方法包括：

控制所述平面发射阵向目标水域发射测深波束和多个指定方向的测速波束，所述多个指定方向包括向所述载体的宽度方向偏离的指定方向以及向所述载体的长度方向偏离的指定方向；

控制所述多个接收基元接收所述目标水域针对所述测深波束反射的测深信号以及所述目标水域针对所述多个指定方向的测速波束分别反射的测速信号；

根据所述测速信号，确定所述多个指定方向上的载体速度信息；

将所述多个指定方向上的载体速度信息与所述惯性导航设备当前采集的位姿信息进行融合处理，以得到所述载体的修正位姿信息；

根据所述载体的修正位姿信息和所述测深信号，确定所述目标水域的水深信息。

10.一种中水多波束测深装置，其特征在于，应用于具有平面发射阵、多个接收基元以及惯性导航设备的中水多波束测深系统，所述中水多波束测深系统设置在载体上，所述平面发射阵包括呈二维阵列排布的多个发射基元，所述多个接收基元包括沿所述载体的宽度方向呈线性阵列排布的多个第一接收基元以及沿所述载体的长度方向布设的第二接收基元及第三接收基元，所述装置包括：

控制单元，用于控制所述平面发射阵向目标水域发射测深波束和多个指定方向的测速波束，所述多个指定方向包括向所述载体的宽度方向偏离的指定方向以及向所述载体的长度方向偏离的指定方向；

所述控制单元，还用于控制所述多个接收基元接收所述目标水域针对所述测深波束反射的测深信号以及所述目标水域针对所述多个指定方向的测速波束分别反射的测速信号；

确定单元，用于根据所述测速信号，确定所述多个指定方向上的载体速度信息；

融合单元，用于将所述多个指定方向上的载体速度信息与所述惯性导航设备当前采集的位姿信息进行融合处理，以得到所述载体的修正位姿信息；

所述确定单元，还用于根据所述载体的修正位姿信息和所述测深信号，确定所述目标水域的水深信息。

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