CN115856898B - 一种适应于全海深的面阵三维成像声呐点位归算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适应于全海深的面阵三维成像声呐点位归算方法，属于超声波测量技术领域，用于声呐点位的归算，包括考虑二维面阵横纵两方向波束导向作用，并分别在接收面阵横纵两方向构建圆锥面波束能量几何分布模型，据此解算换能器坐标系下波束单位入射向量方向，进而根据姿态设备记录的换能器姿态角和换能器自身的安装偏差角，计算波束空间入射角；最后根据记录的波束旅行时间和定位设备记录的地理坐标，实现三维成像声呐探测点声线跟踪和地理坐标归算。本发明结合二维面阵波束形成原理，以波束导向作用下圆锥面状波束能量交叉为数学模型，有效弥补了当前全海深面阵三维成像声呐点位归算技术的空缺，具有可行性和实际参考意义。

Description

一种适应于全海深的面阵三维成像声呐点位归算方法

技术领域

本发明公开一种适应于全海深的面阵三维成像声呐点位归算方法，属于超声波测量技术领域。

背景技术

目前，高精度高分辨率的海底地形地貌和水下目标探测需求日益增多，常规的探测手段主要包括多波束测深、侧扫声呐探测和前视声呐探测等技术，这些探测技术在海道测量、各类海洋工程测量以及水下目标探测应用广泛。然而，随着水下目标精细化探测和监测需求的增加，尤其是以ROV和AUV等水下潜器的高速发展，将探测设备搭载在这些水下潜器进行海底地形地貌和目标物高精度精细化探测正成为民用和军用行业里的研究热点，如钻井平台情况的监控、海底地形地貌的探测、海底矿产探测、沉船打捞、水下爆炸物的探测识别、水下AUV避障和保障航行安全等。三维成像声呐技术可以直观的了解水下的各种情况，是当前较为理想的探测方法，该项技术可实时快速获取目标物的高分辨率的三维信息，探测点数量是常规多波束探测点数量的数倍，满足诸多海洋探测及相关行业的需求。所以，三维成像声呐系统的研究与应用得到了越来越广泛的关注。

当前三维成像声呐系统从原理上可分为三类，主要包括一维线阵为基础的扫描声呐、二维面阵成像声呐和声透镜技术成像声呐。扫描声呐原理与三维激光扫描仪相似，即在一个方向上形成多波束，在另一个方向上进行机械扫描，从而获取目标的三维信息；面阵成像声呐是利用二维面阵，通过在面阵两个方向进行波束形成，进而在垂直、水平、距离三个方面直接获得分辨率，再通过计算机合成具有高分辨率的三维信息；声透镜成像声纳则利用声波的聚焦原理获取目标的实时图像。扫描声纳和二维面阵成像声纳应用较为广泛，引起广大研究者的关注，然而，针对三维成像声纳波束点位置精确归算的研究相对较少，大部分集中在T型或L型的线阵声纳，公开的二维成像声纳波束位置计算鲜有报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适应于全海深的面阵三维成像声呐点位归算方法，以解决现有技术中，三维成像声纳波束点位置精确归算方法未结合二维面阵波束形成原理，从而导致精度不足的问题。

一种适应于全海深的面阵三维成像声呐点位归算方法，采用三维成像声呐测量系统，三维成像声呐测量系统包括水下测量成像部分和定位导航部分，所述水下测量成像部分采用固定在探测载体的面阵三维成像声呐，随探测载体运动，获取探测目标和海底地形的三维信息，所述定位导航部分结合水下定位设备和姿态测量设备，获取水下载体的定位定姿以及航向信息；

一种适应于全海深的面阵三维成像声呐点位归算方法包括：

步骤1：对三维成像声呐测量系统进行标定，确定面阵三维成像声呐、水下定位设备和姿态测量设备之间在载体上的空间相对位置与角度关系；

步骤2：建立声呐换能器坐标系O_t-XYZ，基于波束导向原理，在接收面阵横纵两方向构建圆锥面波束能量几何分布模型，两方向圆锥面相交方向即为声呐换能器坐标系下波束入射向量方向，所述面阵横纵两方向具体为垂直航向X方向和沿航向Y方向；

步骤3：以单位长波束入射向量为基准，以XO_tY面作为平行换能器接收阵列面，构建XO_tY面的投影面，波束探测点为横向波束圆锥面与纵向波束圆锥面在投影面形成的两双曲线交点，根据横向波束导向角和纵向波束导向角计算得到双曲线参数；

步骤4：利用高斯牛顿或牛顿迭代法求解两双曲线方程，得到单位入射向量在换能器坐标系下坐标(x_t，y_t，z_t)；

步骤5：根据声呐换能器安装偏差角和瞬时姿态角，计算三维空间下单位入射向量方向，基于入射向量，利用测量的声速信息进行声线跟踪，得到声呐当地水平坐标系下测点坐标(X_s，Y_s，Z_s)；

步骤6：根据水下定位设备记录的载体定位信息和步骤1得到的各个设备间相对位置关系，计算地理坐标系下测点坐标(X_{ECEF_S}，Y_{ECEF_S}，Z_{ECEF_S})。

步骤3包括：步骤3.1：横向波束接收能量在XO_tY面的投影面形成的双曲线为横向双曲线f_across(x，y)，纵向波束接收能量在XO_tY面的投影面形成的双曲线为纵向双曲线f_along(x，y)；

步骤3.2：f_across(x，y)的参数为：，b₁=1，f_along(x，y)参数为，b₂=1；

f_across(x，y)双曲线方程为： (1)；

f_along(x，y)双曲线方程为： (2)；

其中，e₁和e₂为未知量，e₁的物理意义为描述波束向量在横向波束圆锥面上的方位，e₂的物理意义为描述波束向量在纵向波束圆锥面上的方位。

步骤4包括：步骤4.1：根据步骤3中的两个双曲线方程，联立（1）和（2）构建相交双曲线方程，具体为：

 (3)；

步骤4.2：利用高斯牛顿或牛顿迭代法求解(3)，得到换能器坐标系下坐标(x_t，y_t，z_t)。

步骤5包括：步骤5.1：计算三维空间下单位入射向量方向：

 (4)；

式中，[U_lx，U_ly，U_lz]为三维空间下单位入射向量的坐标，R为3个方向安装偏差角构成的旋转矩阵，R为瞬时姿态角构成的旋转矩阵，波束三维入射向量中入射角和方位角为：

；

 (5)；

式中，范围为0～90°，范围为-180°～180°；

步骤5.2：基于入射角、方位角和波束往返旅行时的一半，依据获取的声速剖面信息进行声线跟踪，获取水平状态下波束探测点相对声纳换能器的位置与水深（X_s，Y_s，Z_s）。

步骤6中，计算地理坐标系下测点坐标(X_{ECEF_S}，Y_{ECEF_S}，Z_{ECEF_S})为：

 (6)；

式中，[X_{ECEF_S}，Y_{ECEF_S}，Z_{ECEF_S}]为波束点空间直角坐标，[X_{ECEF_p}，Y_{ECEF_p}，Z_{ECEF_p}]为水下定位系统中心空间直角坐标，由大地坐标转换得到，为关于大地经度和纬度的旋转矩阵。

相对比现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明在三维成像声纳波束点位置精确归算中，结合了二维面阵波束形成原理，通过实施例计算可知10组同名点点位在X、Y和Z方向的平均偏差分别为0.06m、0.05m和0.09m，而对应偏差标准差分别为0.01m、0.02m和0.02m，完全满足标准差要求，本发明的方法有效提高了三维成像声呐点位归算精度。

附图说明

图1为本发明一种适应于全海深的面阵三维成像声呐点位归算方法的流程框图。

图2为本发明中波束导向原理示意图。

图3为本发明中两圆锥面相交示意图。

图4为本发明中平面与圆锥面相交形成不同圆曲线的正面示意图。

图5为本发明中第一双曲线方程定义示意图。

图6为本发明中第二双曲线方程定义示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种适应于全海深的面阵三维成像声呐点位归算方法，采用三维成像声呐测量系统，三维成像声呐测量系统包括水下测量成像部分和定位导航部分，所述水下测量成像部分采用固定在探测载体的面阵三维成像声呐，随探测载体运动，获取探测目标和海底地形的三维信息，所述定位导航部分结合水下定位设备和姿态测量设备，获取水下载体的定位定姿以及航向信息；

一种适应于全海深的面阵三维成像声呐点位归算方法包括：

步骤1：对三维成像声呐测量系统进行标定，确定面阵三维成像声呐、水下定位设备和姿态测量设备之间在载体上的空间相对位置与角度关系；

步骤2：建立声呐换能器坐标系O_t-XYZ，基于波束导向原理，在接收面阵横纵两方向构建圆锥面波束能量几何分布模型，两方向圆锥面相交方向即为声呐换能器坐标系下波束入射向量方向，所述面阵横纵两方向具体为垂直航向X方向和沿航向Y方向；

步骤3：以单位长波束入射向量为基准，以XO_tY面作为平行换能器接收阵列面，构建XO_tY面的投影面，波束探测点为横向波束圆锥面与纵向波束圆锥面在投影面形成的两双曲线交点，根据横向波束导向角和纵向波束导向角计算得到双曲线参数；

步骤4：利用高斯牛顿或牛顿迭代法求解两双曲线方程，得到单位入射向量在换能器坐标系下坐标(x_t，y_t，z_t)；

步骤5：根据声呐换能器安装偏差角和瞬时姿态角，计算三维空间下单位入射向量方向，基于入射向量，利用测量的声速信息进行声线跟踪，得到声呐当地水平坐标系下测点坐标(X_s，Y_s，Z_s)；

步骤6：根据水下定位设备记录的载体定位信息和步骤1得到的各个设备间相对位置关系，计算地理坐标系下测点坐标(X_{ECEF_S}，Y_{ECEF_S}，Z_{ECEF_S})。

步骤3包括：步骤3.1：横向波束接收能量在XO_tY面的投影面形成的双曲线为横向双曲线f_across(x，y)，纵向波束接收能量在XO_tY面的投影面形成的双曲线为纵向双曲线f_along(x，y)；

步骤3.2：f_across(x，y)的参数为：，b₁=1，f_along(x，y)参数为，b₂=1；

f_across(x，y)双曲线方程为： (1)；

f_along(x，y)双曲线方程为： (2)；

其中，e₁和e₂为未知量，e₁的物理意义为描述波束向量在横向波束圆锥面上的方位，e₂的物理意义为描述波束向量在纵向波束圆锥面上的方位。

步骤4包括：步骤4.1：根据步骤3中的两个双曲线方程，联立（1）和（2）构建相交双曲线方程，具体为：

 (3)；

步骤4.2：利用高斯牛顿或牛顿迭代法求解(3)，得到换能器坐标系下坐标(x_t，y_t，z_t)。

步骤5包括：步骤5.1：计算三维空间下单位入射向量方向：

 (4)；

式中，[U_lx，U_ly，U_lz]为三维空间下单位入射向量的坐标，R为3个方向安装偏差角构成的旋转矩阵，R为瞬时姿态角构成的旋转矩阵，波束三维入射向量中入射角和方位角为：

；

 (5)；

式中，范围为0～90°，范围为-180°～180°；

步骤5.2：基于入射角、方位角和波束往返旅行时的一半，依据获取的声速剖面信息进行声线跟踪，获取水平状态下波束探测点相对声纳换能器的位置与水深（X_s，Y_s，Z_s）。

步骤6中，计算地理坐标系下测点坐标(X_{ECEF_S}，Y_{ECEF_S}，Z_{ECEF_S})为：

 (6)；

式中，[X_{ECEF_S}，Y_{ECEF_S}，Z_{ECEF_S}]为波束点空间直角坐标，[X_{ECEF_p}，Y_{ECEF_p}，Z_{ECEF_p}]为水下定位系统中心空间直角坐标，由大地坐标转换得到，为关于大地经度和纬度的旋转矩阵。

本发明的流程框图如图1所示，其他与本发明有关的包括以下理论基础：

波束形成理论：为了产生不同方向的波束，需对声呐换能器阵列中各基元基于一定算法进行波束导向，以保证各基元在非0°方向输出信号时能满足同向叠加的要求，获得最大输出响应。波束导向方法主要包括时间延迟法、相位延迟法和快速傅里叶变换。以时间延迟法为例，如图2为波束导向原理示意图。图中换能器在水平方向具有N个基阵单元，阵元间距为l，换能器附近表层声速为C₀，平面波以入射角θ到达接收换能器基阵面，i表示第i个基阵单元。

设换能器在水平或垂直方向具有N个基阵单元，阵元间距为l，换能器附近表层声速为C₀，当平面波以入射角θ_steer到达接收换能器基阵面时，第i个基阵单元与第N个基阵单元间因声程差异引起的时延为：

 (7)；

式中，为第i个基阵单元与第N个基阵单元间因声程差异引起的时延；

此时，为了在方向获得最大输出响应，对第i个基阵单元引入时延为：

 (8)；

式中，为对第i个基阵单元引入时延；

因此，第i个基阵响应的的总时延为：

 (9)；

式中，为第i个基阵响应的的总时延。

可见换能器阵列各基阵单元总时间延迟一致，与表层声速直接相关。当表层声速值存在误差时，相应的波束导向角也因此不准确，从而引入测深误差。波束形成的基本原理便是通过对各阵元接收信号进行补偿，使目标方向的入射波实现同相相加，即对目标方向的来波有最大响应。

波束导向作用理论与双曲线选择依据：根据加拿大新不伦瑞克大学声学探测理论可知，波束探测点本质为发射与接收波束的声学能量于海底投影的交叉区域，当无波束导向作用时，发射与接收波束声学能量的物理模型可抽象为规则的扇形平面；当进行波束导向作用时，发射和接收声学能量的物理模型则可抽象为规则的圆锥面，当无波束导向作用时，发射与接收波束声学能量的物理模型可抽象为规则的扇形平面；当进行波束导向作用时，发射和接收声学能量的物理模型则可抽象为规则的圆锥面。

因此，波束探测点即为发射与接收能量所形成的两圆锥面在海底测点所在平面投影形成的两相交曲线的交点，如图3所示，为两圆锥面相交，图中两个圆锥面分别代表波束导向作用下发射与接收圆面，平面为投影平面，平面内曲线为投影后两双曲线，双曲线交点为波束点。

根据平面与圆锥面截线定理可知，平面与圆锥面相交可形成椭圆、抛物线和双曲线。在空间中，取直线AD为轴，直线AB与AD相交于A点，其夹角为α，围绕AD旋转即可得到以A为顶点、AB为母线的圆锥面，任取平面π，设其与轴交角为β（当π平行于AD时，记β=0），则：

β> α，平面π与圆锥的交线为椭圆；

β= α，平面π与圆锥的交线为抛物线；

β< α，平面π与圆锥的交线为双曲线。

波束导向角与圆锥角成互余关系，如图6所示。由上述截线定理可知，在声呐换能器坐标系下，通过构造一平面使其与平行于 XO _t Y平面并与发射圆锥面、接收圆锥面相交，即β=0，则发射圆锥面和接收圆锥面于该平面上投影形成的曲线始终为双曲线，波束脚印即为两双曲线的交点。

根据发射圆锥面与接收圆锥面的朝向，可得接收双曲线与发射双曲线的焦点在声呐换能器坐标系下分别沿 X _T 轴和 Y _T 轴方向，如图5和图6所示， a为发射双曲线， b为接收双曲线，分别对应二维面阵中横纵两双曲线。

根据丹迪林双球定理，当构造平面所在深度为H_R时，则双曲线参数a和b为：

 (10)；

式中，θ_s为导向角。

因此，根据上述理论，全海深三维成像声纳可利用二维面阵在横纵两方向波束导向角，基于导向作用下两相交圆锥面几何模型，获取相交双曲线方程和波束探测点坐标。

本发明实施例采用中科院声学所研发的三维成像声呐和Mini Ranger 2 USBL水下定位系统，实验采用面阵三维扫描成像声呐进行水下柱状目标探测，并利用EM2040MKII多波束进行测量，其中多波束探测数据作为检核值，验证本方法的有效性，位姿数据采用组合导航后处理数据。选取目标物上10三维扫描声呐和多波束探测的同名点，进行比对分析，结果如表1所示：

表1点位归算精度分析

。

可见，10组同名点点位在X、Y和Z方向的平均偏差分别为0.06m、0.05m和0.09m，对应偏差标准差分别为0.01m、0.02m和0.02m；10组点点位平均偏差和偏差标准差分别为0.09m和0.02m。

本发明提出一种适应于全海深的面阵三维成像声呐点位归算方法，充分考虑二维面阵横纵两方向波束导向作用，并分别在接收面阵横纵两方向构建圆锥面波束能量几何分布模型，据此解算换能器坐标系下波束单位入射向量方向，进而根据姿态设备记录的换能器姿态角和换能器自身的安装偏差角，计算波束空间入射角；最后根据记录的波束旅行时间和定位设备记录的地理坐标，实现三维成像声呐探测点声线跟踪和地理坐标归算。因此，本发明提出方法有效弥补了当前全海深面阵三维成像声呐点位归算技术的空缺。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种适应于全海深的面阵三维成像声呐点位归算方法，采用三维成像声呐测量系统，三维成像声呐测量系统包括水下测量成像部分和定位导航部分，所述水下测量成像部分采用固定在探测载体的面阵三维成像声呐，随探测载体运动，获取探测目标和海底地形的三维信息，所述定位导航部分结合水下定位设备和姿态测量设备，获取水下载体的定位定姿以及航向信息；

其特征在于，一种适应于全海深的面阵三维成像声呐点位归算方法包括：

步骤1：对三维成像声呐测量系统进行标定，确定面阵三维成像声呐、水下定位设备和姿态测量设备之间在载体上的空间相对位置与角度关系；

步骤2：建立声呐换能器坐标系O_t-XYZ，基于波束导向原理，在接收面阵横纵两方向构建圆锥面波束能量几何分布模型，两方向圆锥面相交方向即为声呐换能器坐标系下波束入射向量方向，所述面阵横纵两方向具体为垂直航向X方向和沿航向Y方向；

步骤3：以单位长波束入射向量为基准，以XO_tY面作为平行换能器接收阵列面，构建XO_tY面的投影面，波束探测点为横向波束圆锥面与纵向波束圆锥面在投影面形成的两双曲线交点，根据横向波束导向角和纵向波束导向角计算得到双曲线参数；

步骤4：利用高斯牛顿或牛顿迭代法求解两双曲线方程，得到单位入射向量在换能器坐标系下坐标(x_t，y_t，z_t)；

步骤5：根据声呐换能器安装偏差角和瞬时姿态角，计算三维空间下单位入射向量方向，基于入射向量，利用测量的声速信息进行声线跟踪，得到声呐当地水平坐标系下测点坐标(X_s，Y_s，Z_s)；

步骤6：根据水下定位设备记录的载体定位信息和步骤1得到的各个设备间相对位置关系，计算地理坐标系下测点坐标(X_{ECEF_S}，Y_{ECEF_S}，Z_{ECEF_S})。

2.根据权利要求1所述的一种适应于全海深的面阵三维成像声呐点位归算方法，其特征在于，步骤3包括：步骤3.1：横向波束接收能量在XO_tY面的投影面形成的双曲线为横向双曲线f_across(x，y)，纵向波束接收能量在XO_tY面的投影面形成的双曲线为纵向双曲线f_along(x，y)；

步骤3.2：f_across(x，y)的参数为：，b₁=1，f_along(x，y)参数为，b₂=1；

f_across(x，y)双曲线方程为： (1)；

f_along(x，y)双曲线方程为： (2)；

其中，e₁和e₂为未知量，e₁的物理意义为描述波束向量在横向波束圆锥面上的方位，e₂的物理意义为描述波束向量在纵向波束圆锥面上的方位。

3.根据权利要求2所述的一种适应于全海深的面阵三维成像声呐点位归算方法，其特征在于，步骤4包括：步骤4.1：根据步骤3中的两个双曲线方程，联立（1）和（2）构建相交双曲线方程，具体为：

 (3)；

步骤4.2：利用高斯牛顿或牛顿迭代法求解(3)，得到换能器坐标系下坐标(x_t，y_t，z_t)。

4.根据权利要求3所述的一种适应于全海深的面阵三维成像声呐点位归算方法，其特征在于，步骤5包括：步骤5.1：计算三维空间下单位入射向量方向：

 (4)；

式中，[U_lx，U_ly，U_lz]为三维空间下单位入射向量的坐标，R为3个方向安装偏差角构成的旋转矩阵，R为瞬时姿态角构成的旋转矩阵，波束三维入射向量中入射角和方位角为：

；

 (5)；

式中，范围为0～90°，范围为-180°～180°；

步骤5.2：基于入射角、方位角和波束往返旅行时的一半，依据获取的声速剖面信息进行声线跟踪，获取水平状态下波束探测点相对声纳换能器的位置与水深（X_s，Y_s，Z_s）。

5.根据权利要求4所述的一种适应于全海深的面阵三维成像声呐点位归算方法，其特征在于，步骤6中，计算地理坐标系下测点坐标(X_{ECEF_S}，Y_{ECEF_S}，Z_{ECEF_S})为：

 (6)；

式中，[X_{ECEF_S}，Y_{ECEF_S}，Z_{ECEF_S}]为波束点空间直角坐标，[X_{ECEF_p}，Y_{ECEF_p}，Z_{ECEF_p}]为水下定位系统中心空间直角坐标，由大地坐标转换得到，为关于大地经度和纬度的旋转矩阵。

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