CN116430391A - 水下掩埋目标位置和埋深测量系统与方法 - Google Patents

水下掩埋目标位置和埋深测量系统与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了水下掩埋目标位置和埋深测量系统与方法，涉及水下掩埋目标探测技术领域。其中，水下掩埋目标位置和埋深测量系统包括：水下分系统、水面分系统、互联分系统和收放分系统，水下分系统和水面分系统与互联分系统通讯连接；水面分系统与收放分系统电连接；水下分系统用于实时同步工作、实时同步输出地形、地貌和三维浅地层三类信息，以及悬浮、沉底和掩埋目标三类目标声学成像；水面分系统用于处理采集的实时数据。本发明，解决传统的水下测量声呐中，侧扫声呐、单波束测深声呐、多波束测深仪等，由于工作频率较高，所在频率的声波无法穿透海底，因此均不具备探测水下掩埋目标的能力，以及浅地层剖面仪探测掩埋目标效率低的问题。

Description

水下掩埋目标位置和埋深测量系统与方法
技术领域
本发明涉及水下掩埋目标探测技术领域，尤其涉及一种水下掩埋目标位置和埋深测量系统与方法。
背景技术
在海水环境中光波的传播损失很大，光波在水中的传播距离远小于声波，因此声学探查技术在海洋测绘、海洋工程、海上搜救、海洋资源勘探等海洋活动中，都保持举足轻重的作用。随着海洋科技、海洋经济的深入发展，各项工程业务对海洋探查装备的能力需求也越来越高。如今的海洋探查工程要求探查装备的探测能力从近海延展到中远海；从水中悬浮、沉底目标扩展到海底以下地质层或掩埋物体。成像的维度也从一维、二维扩展到三维。
传统的用于水下掩埋目标探测和测量的技术手段包括磁探仪、浅地层剖面仪、低频二维合成孔径声呐等。上述传统技术手段均存在一定局限性，局限性说明如下。
(1)磁探技术
磁探技术利用目标电磁场来查找目标位置。由于海水导电性强，因此磁探仪的作用距离近，分辨率低，探测能力有限(如不能探测非金属目标等)，虚警率高，且对载体有苛刻的要求(如消磁等)，应用范围和应用环境相对有限。
(2)浅地层剖面仪
浅地层剖面仪利用低频声波穿透性来探测掩埋目标，其主要局限在于：探测效率低、分辨率低；一般只能用于探测较粗的管线目标或较大范围的地质剖面，不适合用来探测较小的掩埋目标。此外浅地层为二维成像，只能获得设备下方的剖面图像。浅地层剖面仪对管线目标进行测量时，需要垂直穿越或者斜向穿越管线目标，因此一个航次仅能获得管线目标上一点的位置和埋深，作业效率很低。综上所述，浅地层剖面仪的主要问题有两个，一是探测能力有限，细小管缆目标无法探测，二是探测效率较低，无法连续探测管缆目标。
(3)侧视低频合成孔径声呐
侧视低频合成孔径声呐，其利用低频声波穿透性可获得海底掩埋目标的成像，但其主要不足之处有二：一是其掠射角较大，探掩埋目标的能力较弱，可探测掩埋目标的埋深较浅，一般仅为1m-2m左右；二是其为二维成像，沉底和掩埋目标叠加在二维强度图上，不能区分沉底和掩埋状态，且不能测量掩埋目标的掩埋深度指标。
综上所述，可总结如下问题：
(1)传统的水下测量声呐中，侧扫声呐、单波束测深声呐、多波束测深仪等，由于工作频率较高，所在频率的声波无法穿透海底，因此均不具备探测水下掩埋目标的能力。
(2)磁探仪仅能探测具有电磁场的目标，但探测能力弱，作业距离近，作业效率低。
(3)浅地层剖面仪仅能探测掩埋的大型目标，无法探测细小目标，且探测效率低。
(4)侧视低频合成孔径声呐仅能探测浅掩埋目标，无法探测深掩埋目标，且是二维俯视成像，仅能获得位置，无法测量埋深。
发明内容
发明目的：提供一种水下掩埋目标位置和埋深测量系统与方法，以解决现有技术存在的上述问题。
技术方案：水下掩埋目标位置和埋深测量的系统，包括：水下分系统、水面分系统、互联分系统和收放分系统，所述水下分系统和所述水面分系统与所述互联分系统通讯连接；所述水面分系统与所述收放分系统电连接；
所述水下分系统用于实时同步工作、实时同步输出地形、地貌和三维浅地层三类信息，以及悬浮、沉底和掩埋目标三类目标声学成像；
所述水面分系统用于处理采集的实时数据，并将数据存储和显示控制；
所述互联分系统用于连接所述水下分系统和所述水面分系统；
所述收放分系统用于收集和放置装置。
作为优选，所述水下分系统包括：水下安装平台、水下数据交换中心、多波束测深仪、侧视成像声呐、低频三维合成孔径声呐、声学同步控制器、时间统一控制器、姿态传感器、位置测量传感器、声速测量传感器、深度测量传感器和航速测量传感器组成。
作为优选，所述水面分系统包括：数据处理机、数据存储单元、显示控制单元和供电单元。
作为优选，所述互联分系统包括：互联水密缆和水密接插件。
作为优选，所述收放分系统包括：绞车和摇臂吊。
为了实现上述目的，根据本申请的另一方面，提供了水下掩埋目标位置和埋深测量的方法，采用1-5任一所述的水下掩埋目标位置和埋深测量的系统，包括以下步骤：
S1、加电；
S2、配置参数；
S3、启动系统；
S4、声学同步和时间统一；
S5、实时采集并存储声图和传感器数据；
S6、声图网格计算和对齐；
S7、掩埋目标埋深测量；
S8、埋深校准；
S9、任务结束关闭系统；
S10、断电。
作为优选，S2、配置参数，包括：采用参数自适应计算方法，自动生成工作参数；其中，所述工作参数包括：声纳参数和成像参数。
作为优选，S4、声学同步和时间统一，包括：通过声学同步控制器，根据参数配置确定整机工作的prt，并生成同步信号，将同步信号输出至多波束测深仪、侧视成像声呐和低频三维合成孔径声呐，三部声呐根据同步器的同步脉冲同步发射声学信号，确保三部声呐实时同步工作；时间同步器通过外部UTC时钟源和PPS秒脉冲进行时间同步。
作为优选，S5、实时采集并存储声图和传感器数据，包括：
三维合成孔径声呐分机上传的声呐数据包括：声呐回波数据、声呐图像数据；
多波束测深仪分机上传的声呐数据包括：声呐回波数据、波束数据、测底数据；
侧扫声呐分机上传的声呐数据包括：声呐回波数据、声呐图像数据；
传感器数据包括：卫星导航仪上传的卫星定位数据；姿态仪或惯性导航仪上传的惯性导航数据；多普勒测速仪上传的速度和距底高度数据；
将上述数据在统一的时间系统下进行打标，其中三类声呐分机通过同步控制器同步工作，其每一ping数据具有相同的时标，且传感器数据赋予了相同的时标系统，通过内插或其他滤波器，获得在声呐分机时标处的各类运动姿态信息。
作为优选，S6、声图网格计算和对齐，包括：在声呐系统坐标系框架下，利用声图参数计算目标与声呐系统坐标系原点的相对位置关系；在大地坐标系下，利用同步采集的卫星导航仪或惯性导航仪获得的位置信息，通过声呐和目标的几何关系，计算得到目标的绝对坐标，进而完成声图网格计算和对齐操作；
针对侧扫声呐分机，对二维声图进行网格计算对齐处理操作；针对多波束声呐分机，对水深数据进行网格计算对齐处理操作；针对低频三维合成孔径声呐分机，对三维体数据进行网格计算对齐处理操作。
作为优选，S7、掩埋目标埋深测量，包括：利用多波束测深仪获得目标处海底距离水面高度，再利用低频三维合成孔径声呐获得的掩埋目标距离水面高度，经过两个深度值做差后，计算得到掩埋目标的埋深。
作为优选，S7、掩埋目标埋深测量，还包括：
S7.1、潮位补偿，输入：潮汐表；包含潮汐的时刻ttide和潮汐的具体值Ttide；待补偿的多波束数据h2(e，n)和低频三维数据V2(e，n，h)；输出：经过潮位补偿后的多波束水深数据h3(e，n)和低频三维数据V3(e，n，h)；
S7.2、声速补偿，输入：待补偿的多波束数据h3(e，n)和低频三维数据V3(e，n，h)，声速剖面信息c；输出：声线跟踪后的多波束水深信息h4(e，n)；三维声图体数据V4(e，n，h)；
S7.3、姿态补偿，输入：运动姿态信息αheading，αpitch，αroll；待补偿的多波束数据h4(e，n)和低频三维数据V4(e，n，h)；输出：补偿后的多波束数据h5(e，n)和低频三维数据V5(e，n，h)；
S7.4、目标提取，输入：声呐三维图像数据V5(e，n，h)；输出：目标信息T1(e，n，h)，包括东坐标、北坐标和目标距离水面的深度；
S7.5、目标埋深的确定，输入：目标信息T1(e，n，h)；多波束获得的海底地形信息h5(e，n)；输出：目标信息T2(e，n，h，d)，与T1(e，n，h)相比，增加了目标的埋深信息d。
作为优选，S8、埋深校准，包括：输入：目标的三维信息T2(e，n，h，d)、侧扫分机数据I2(e，n)，多波束分机数据h5(e，n)；输出：经过埋深校准后的目标信息T3(e，n，h，d)。
有益效果：针对上述技术背景、工程难题和应用需求，提出了一种水下掩埋目标位置和埋深测量系统与方法，该系统由低频三维合成孔径声呐、侧扫声呐和多波束测深仪三部声呐组成，三部声呐可实时同步工作；该方法利用低频三维合成孔径声呐采集水下掩埋目标的声学影像，采用侧扫声呐获得海底声学影像，采用多波束测深仪获得海底地形(海底基准)，并进行分析和测量，解决了上述诸多技术手段各自存在的局限，为水下掩埋目标位置和埋深测量提供了新的技术手段。新技术手段的主要特点有：
(1)可同时获得目标的位置和埋深信息。
(2)对于管缆目标，采用平行而不是横穿的方式进行测绘，从传统方法(磁探、浅剖等)的单点测绘提升至连续测绘，因此可获得目标的连续信息，进而极大提高作业效率。
(3)低频三维合成孔径声呐可对掩埋目标进行三维成像，三部声呐的信息互相校验，海底基准面准确，掩埋目标埋深测量精度高，获得丰富的目标特征，更易于进行目标检测和识别。
附图说明
图1本方法总流程；
图2系统组成框图；
图3系统组成示意图；
图4三类分机基阵在水下分系统中的布局；
图5声学同步控制工作原理；
图6配置参数和埋深测量方法流程图；
图7掩埋线缆目标断面在不同坐标系下的表现形式；
图8线缆目标俯视图(左侧为斜距图，右侧为角度图)；
图9声线跟踪示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
根据本发明实施例，提供了一种水下掩埋目标位置和埋深测量的系统，如图2-3所示，包括：水下分系统、水面分系统、互联分系统和收放分系统，所述水下分系统和所述水面分系统与所述互联分系统通讯连接；所述水面分系统与所述收放分系统电连接；
所述水下分系统用于实时同步工作、实时同步输出地形、地貌和三维浅地层三类信息，以及悬浮、沉底和掩埋目标三类目标声学成像；
所述水面分系统用于处理采集的实时数据，并将数据存储和显示控制；
所述互联分系统用于连接所述水下分系统和所述水面分系统；
所述收放分系统用于收集和放置装置。
具体的，(1)系统概述：水下掩埋目标位置和埋深测量系统由水下分系统、水面分系统、互联分系统、收放分系统等组成。如图2-3所示：
其中水下分系统，由水下安装平台、水下数据交换中心、多波束测深仪、侧视成像声呐、低频三维合成孔径声呐、声学同步控制器、时间统一控制器、姿态传感器、位置测量传感器、声速测量传感器、深度测量传感器、航速测量传感器组成。如图4所示：
其中水面分系统，由数据处理机、数据存储单元、显示控制单元、供电单元等部分组成。
其中互联分系统通过互联缆，连接水面和水下分系统。
其中收放分系统由水下单元的收放装置组成。
上述：水下掩埋目标位置和埋深测量系统采用声学同步方法和时间统一方法，确保水下分系统的三部声呐(多波束测深仪、侧视成像声呐和低频三维孔径声呐)能够实时同步工作、实时同步输出地形、地貌和三维浅地层三类信息，以及悬浮、沉底和掩埋目标三类目标声学成像。该水下掩埋目标位置和埋深测量系统确保各传感器时标与三部声呐数据高精度统一，作为掩埋目标位置和深度测量方法的工作基础。
(2)系统组成：一种水下掩埋目标位置和埋深测量的系统，包括：水下分系统、水面分系统、互联分系统、收放分系统等。如图2-3所示。
(2.1)其中水下分系统，由水下安装平台、水下数据交换中心、多波束测深仪、侧视成像声呐、低频三维合成孔径声呐、声学同步控制器、时间统一控制器、姿态传感器、位置测量传感器、声速测量传感器、深度测量传感器、航速测量传感器组成。
(2.1.1)水下安装平台，主要指声呐基阵和电子系统的安装框架、拖体、绞车等设备。其中不同的产品配置使用不同的安装形式。采用拖曳方式时，水下安装平台主要包括拖体，采用挂船方式、ROV或AUV安装方式时，水下安装平台主要指安装框架。
(2.1.2)水下数据交换中心主要由万兆以太网交换机及相应的供电模块、水密舱体等组成，完成干湿端大规模数据的交换。
(2.1.3)多波束测深仪的主体为T型探头，含发射阵、接收阵、发射机、接收机、水密壳体等。
(2.1.4)侧视成像声呐包括收发合置换能器、发射机、接收机，以及相应的水密舱体等。
(2.1.5)低频三维合成孔径声呐包括低频发射阵阵列、低频接收阵阵列、低频发射机、低频接收机、水密舱体、互联水密缆等。
(2.1.6)声学同步控制器完成各声呐分机的同步控制，主要目的是通过同步收发控制，解决本系统的声学干扰问题。
(2.1.7)时间统一控制器完成各声呐分机的时间系统的统一，使各声呐分机、处理机等处于完全一致的时间框架下，形成高精度时间同步和时间统一。
(2.1.8)姿态传感器、位置测量传感器、声速测量传感器、深度测量传感器、航速测量传感器等是本系统的辅助仪器设备，完成各类运动信息的获取。
(2.2)其中水面分系统，由数据处理机、数据存储单元、显示控制单元、供电单元等部分组成。
(2.2.1)数据处理机可由CPU、GPU、FPGA组成的同构或异构高性能计算单元组成，完成大规模声呐数据处理工作，包括声呐数据的解析、声图重建、运动补偿、图像增强等功能。
(2.2.2)数据存储单元由大容量网络存储系统NAS或其它存储系统组成，可以存储多达数十至数百TB容量声呐数据，满足该声呐在海上长期作业使用的需求。
(2.2.3)显示控制单元由CPU、GPU、其它处理器组成的同构、异构高性能显示控制单元组成，可引出多台显示器，同时显示多部声呐分机、各类运动传感器等设备的数据和信息。包括多波束声呐图像、侧扫声呐图像、三维声呐图像、声呐运行状态、电源信息、漏水警报信息、导航信息、声速信息、航速信息、姿态信息等。
(2.2.4)供电单元完成DC/DC和AC/DC转换后，为声呐系统提供稳定、可靠、低噪声的高质量供电。
(2.3)其中互联分系统通过互联缆，连接水面和水下分系统。
互联分系统主要包括干湿端互联水密缆，水密缆主要包含供电芯、光纤、凯夫拉或铠装等，完成供电、数据传输、水密和承力等功能。
(2.4)收放分系统由水下单元的收放装置组成。
(2.4.1)系统以拖曳式工作时，收放分系统主要指绞车。绞车主要由储缆装置、牵引装置和绞车控制箱组成。储缆装置主要由驱动电机、绞盘、支架、排缆器及监测传感器等组成，牵引装置主要由驱动电机、主动轮、被动轮、支架及张力传感器等组成。
(2.4.2)系统以挂船方式工作时，收放分系统主要指摇臂吊。摇臂吊包括固定底座、竖杆、横杆、电机、转向轮、钢丝绳等。
为了实现上述目的，根据本申请的另一方面，提供了一种水下掩埋目标位置和埋深测量方法，包括以下步骤，如图1和图6所示：
S1：加电。
当设备安装完毕，并且船舶航行至目标区域，按照规划的测线上线后，即开始工作。
S2：配置参数。
系统固有参数为：频率(f0)、带宽(B)，由系统设计硬件决定，一般不需用户设置。
用户输入起始探测深度d1、结束探测深度d2，采用参数自适应计算方法，自动生成声呐工作参数。
其中，工作参数分为两类：
(1)声呐参数；
(2)成像参数；
其中：声呐参数包括：信号形式(sigtype)、脉宽(τ0)、周期(prt)、最小采样距离(rmin)、最大采样距离(rmax)、发射功率(tp)等参数。
其中：成像参数，包括成像的范围垂直航迹方向范围[x1,x2]、深度方向成像范围[z1 z2]，成像分辨率(dx,dy,dz)等参数。
具体的，在“用户模式”下，通过“参数自适应计算方法”计算各类工作参数。该参数自适应方法采用paracal进行描述，说明如下：
其输入为：起始探测深度d1、结束探测深度d2
其输出为：信号形式(sigtype)、脉宽(τ0)、周期(prt)、最小采样距离(rmin)、最大采样距离(rmax)、发射功率(tp)
即：[sigtype,τ0,prt,rmin,ramx,tp]＝paracal(d1,d2)
其中，参数自适应计算方法如下所示：
方法表达式：[sigtype,τ0,prt,rmin,ramx,tp]＝paracal(d1,d2)
输入：起始探测深度d1、结束探测深度d2。
系统根据上述参数自适应计算各类指标，“参数自适应计算方法”的具体内容如下：
工作频率：系统默认频率，由声呐换能器、电子系统等确定
波束覆盖宽度：β
信号形式sigtype：结束探测深度d2小于阈值时，采用CW信号，超过该阈值时，采用LFM信号。一般该阈值取10m。
最小采样距离rmin：Rmin＝d1
最大采样距离rmax：
Figure BDA0004180271670000141
脉宽τ0：设置基础脉宽τ0，实际使用脉宽τ为τ0的整数倍，具体倍数与最大采样距离Rmax为正相关，即Rmax越大，则τ越大，但不超过系统允许的最大脉宽。
工作周期prt：工作周期
Figure BDA0004180271670000142
其中c为水中声速，ρ为略大于1的调节系数，例如可取1.1。
发射功率：设置基础发射功率P0，实际使用发射功率P为P0的整数倍，具体倍数与最大采样距离Rmax为正相关，即Rmax越大，则P越大，但不超过系统最大功率(相对最大功率为100％)。
成像范围：在深度方向上的成像范围为d1～d2，在垂直航迹方向上的成像范围为
Figure BDA0004180271670000143
在沿航迹方向方向上的成像范围为/>
Figure BDA0004180271670000144
其中/>为声呐在沿航迹方向上的开角。
成像分辨率：设置基础分辨率为σ0，实际使用的分辨率σ为σ0的整数倍，满足的条件为成像范围内的成像点数不大于点数阈值。设成像点数阈值为Mth，三个方向上的成像距离分别为Dx，Dx，Dz，则
Figure BDA0004180271670000146
其中运算符/>
Figure BDA0004180271670000147
表示向上取整。
S3：系统启动开始工作。
启动工作，船舶沿测线航行。
S4：声学同步和时间统一。
在工作过程中，为了确保低频三维合成孔径声呐、下视多波束测深仪声呐、侧视成像声呐实时同步工作。采用声学同步和时间统一方法。
如图5所示，声学同步方法；声学同步控制器，根据参数配置确定整机工作的prt，并生成同步信号，将同步信号输出至上述三部声呐。三部声呐根据同步器的同步脉冲同步发射声学信号，确保三部声呐实时同步工作。
除了三部声呐分机外，安装于系统内的其他声学设备也一并受声学同步控制器的控制，包括多普勒计程仪等。
为了确保三部声呐和传感器的时间统一，系统中配置了统一的时间系统来源，能够对各传感器数据标记统一的时间戳，并且各声呐系统通过时间同步器进行同步。
时间同步器通过外部UTC时钟源和PPS秒脉冲进行时间同步。通过时间同步，三部声呐和各传感器对应的采集时刻具有相同的时间基准。
其中，同步方法说明如下所示：
在本系统中，采用绝对时间(t1)和相对时间(t2)共存的设计方案。即“双时标”的方案。
假定声呐系统存在一个统一的授时器(S2)和一个外部授时器(S1)。外部授时器的类型包括如下几种：
·UTC时间+秒脉冲
·秒脉冲
·其它周期性脉冲。
有的场景存在绝对时标的授时条件，有的场景不存在绝对授时的条件，甚至在有的情况下，不存在授时条件。
因此，采用双时标方式，期望系统可以适应多种不同的应用场景。
(1)S2的实施方式
S2设计包含两个独立的授时模块。假定获取t1和t2的授时模块分为gettime1和gettime2。
则传感器时间的基本工作流程如下：
设收到传感器字符串或数据流，总数量为N个bits。
t1＝gettime1()；t2＝gettime2()
修正t1和t2如下：
t1real＝t1-dt；t2real＝t2-dt；
dt的计算方法如下：
假定IO的数据率为bps，则：t＝N/bps；
则t1real和t2real为传感器对应的绝对和相对时间。
假定采用S2为其它系统进行软授时，流程如下：
获取时间：
t11＝gettime1()；t21＝gettime2()
发送时间：上述数据通过IO发送至被授时方。被授时方收到数据后调整本机时间。
(2)t1的工作原理
启动系统，t1采用默认初值，t10。
接收GPS字符串，解析utc时间t11，并计算时间误差dt＝N/bps。
计算当前时间t12＝t11+dt。
调整t1为t12。
t1按系统时钟自动计数。
收到秒脉冲。当前时间为t13＝ceil(t12)，t12自动向上取整。
调整t1为t13。
t1继续按系统时钟自动计数。
(3)t2的工作原理
启动系统，t2＝0。
t2按系统时钟自动计数。
收到秒脉冲。
t21＝round(t2)，就近取整变成整秒数。
将t2设置为t21。
t2按系统时钟自动计数。
S5：实时采集并存储声图和传感器数据。
系统实时同步采各类声呐的原始回波数据，并进行声呐的数据处理，典型包括解调、波束形成、底跟踪、三维合成孔径成像、二维侧视自适应孔径成像等。系统还采集各类运动传感器的信息，包括定位信息、姿态信息、航速信息等。
三维合成孔径声呐分机上传的声呐数据包括：声呐回波数据、声呐图像数据；
多波束测深仪分机上传的声呐数据包括：声呐回波数据、波束数据、测底数据；
侧扫声呐分机上传的声呐数据包括：声呐回波数据、声呐图像数据；
传感器数据包括：卫星导航仪上传的卫星定位数据；姿态仪或惯性导航仪上传的惯性导航数据；多普勒测速仪上传的速度和距底高度数据等。
上述数据在统一的时间系统下进行打标，其中三类声呐分机通过同步控制器同步工作，因此其每一ping数据具有相同的时标，传感器数据虽然与声呐分机不是同步工作，但由于赋予了相同的时标系统，因此后续可通过内插或其他滤波器，获得在声呐分机时标处的各类运动姿态信息。
上述数据按照通用或专用的声呐格式，存储为数据文件。数据文件既可存储在本地磁盘，也可存储在专用的网络盘柜中。
S6：声图网格计算和对齐。
在声呐系统坐标系框架下，利用声图参数计算目标与声呐系统坐标系原点的相对位置关系。在大地坐标系下，利用同步采集的卫星导航仪或惯性导航仪获得的位置信息，通过声呐和目标的几何关系，计算得到目标的绝对坐标(即大地坐标)。进而完成声图网格计算和对齐操作，该项处理既可以实时进行，也可以通过后处理的方式进行。
针对侧扫声呐分机，对二维声图进行网格计算对齐处理操作；针对多波束声呐分机，对水深数据进行网格计算对齐处理操作；针对低频三维合成孔径声呐分机，对三维体数据进行网格计算对齐处理操作。
方法描述：
[I2(e，n)]＝GridInterp(I1(x，y))(侧扫分机)
[h2(e，n)]＝GridInterp(h1(x，y))(多波束分机)
[V2(e，n，h)]＝GridInterp(V1(x，y，z))(低频三维分机)
方法输入：针对侧扫分机，由于其声呐输出为二维平面数据，因此其输入为I1(x，y)。针对多波束分机，其声呐输出为深度数据，其输入为h1(x，y)。针对三维合成孔径声呐，其声呐输出为三维声呐图像数据，其输入为V1(x，y，z)。
方法输出：在大地坐标系下，上述输入进行坐标系转换，转换后的输出如下。针对侧扫分机，输出为I2(e，n)；针对多波束分机，其输出为h2(e，n)；针对下视三维分机，输出为V2(e，n，h)。其中e表示东坐标，n表示北坐标。
方法详述：GridInterp方法的详细说明如下所示：
[I2(e，n)]＝GridInterp(I1(x，y))(侧扫分机)
[h2(e，n)]＝GridInterp(h1(x，y))(多波束分机)
[V2(e，n，h)]＝GridInterp(V1(x，y，z))(低频三维分机)
以侧扫分机为例进行说明。其他两类分机处理方法类似。
在声呐系统坐标系框架下，声呐图像上任意一点的平面坐标及其强度值也可以使用I1(x，y)表示，且有
I1(x，y)＝I1(x0+(i-1)·σx，y0+(j-1)·σy)
其中x0和y0分别表示声图在垂直航迹方向和沿航迹方向上起点的坐标，i和j表示在垂直航迹方向和沿航迹方向上的像素索引，σx和σy分别表示在垂直航迹方向和沿航迹方向上的像素分辨率。
换算至大地坐标系时，声图产生I1(x，y)像素点的时刻，对应有该时刻的声呐位置P(ek，nk)，其中ek表示声呐的东坐标，nk表示声呐的北坐标。此时像素点I(x，y)的大地坐标可表示为
Figure BDA0004180271670000191
其中θ为声呐在此刻的航向。即得到在大地坐标系下新的声图数据I2(e，n)。
多波束分机和三维分机的处理方法类似，此处不做赘述。
S7：掩埋目标埋深测量。
方法概述为：利用多波束测深仪(也可搭载单波束测深仪)获得的目标处海底距离水面高度，再利用低频三维合成孔径声呐获得的掩埋目标距离水面高度，经过两个深度值做差后，计算得到掩埋目标的埋深。
多波束测深与三维合成孔径测目标深度均涉及到潮位补偿、声速补偿、姿态补偿等方法。这些方法缺一不可，在掩埋目标埋深测量过程中逐步完成。具体描述如下。
S7.1潮位补偿
初始高度信息既可以是多波束测深仪获得的海底高度，也可以是低频三维合成孔径声呐获得的目标高度，由于补偿方法一致，在这里不做区分。
设根据潮汐预报表获得潮位数据，潮位变化缓慢，因此一般采样间隔为半小时或一小时，远大于声呐数据的工作周期(通常为数十毫秒至数百毫秒)，因此潮位数据不能直接用于声呐数据潮位补偿，需要对潮位数据进行处理。
方法描述：h3(e，n)＝TideCalibration(h2(e，n)，ttide，Ttide)(针对多波束分机)
和V3(e，n，h)＝TideCalibration(V2(e，n，h)，ttide，Ttide)(针对低频三维分机)
方法输入：潮汐表；包含潮汐的时刻ttide和潮汐的具体值Ttide。待补偿的多波束数据h2(e，n)和低频三维数据V2(e，n，h)。
方法输出：经过潮位补偿后的多波束水深数据h3(e，n)和低频三维数据V3(e，n，h)。
其中，方法详述如下：潮位补偿(TideCalibration方法)
h3(e，n)＝TideCalibration(h2(e，n)，ttide，Ttide)(针对多波束分机)
V3(e，n，h)＝TideCalibration(V2(e，n，h)，ttide，Ttide)(针对低频三维分机)
以下给出多波束测深数据的潮位补偿方法，低频三维分机处理方法类似。
设潮汐表中在时间序列ttide中，有相邻两个时刻分别为t1和t2，对应的在潮位序列Ttide中的潮高数值分别为T1和T2，待求的声呐数据的时刻tk位于t1和t2之间，则时刻tk的潮位通过下式计算
Figure BDA0004180271670000201
对高度信息h2进行潮位补偿后得到h3：
h3(e，n)＝h2(e，n)-Tk
S7.2声速补偿
声速补偿主要利用声波在水中的传播规律实现。具体方法为分段近似并利用反映折射规律的斯涅耳定律计算。
方法描述：h4(e，n)＝SoundVelocityCalibration(h3(e，n)，c)(多波束分机)
V4(e，n，h)＝SoundVelocityCalibration(V3(e，n，h)，c)(低频三维分机)
方法输入：待补偿的多波束数据h3(e，n)和低频三维数据V3(e，n，h)。声速剖面信息c。
方法输出：声线跟踪后的多波束水深信息h4(e，n)；三维声图体数据V4(e，n，h)。
方法详述如下：声速补偿(SoundVelocityCalibration方法)
h4(e，n)＝SoundVelocityCalibration(h3(e，n)，c)(多波束分机)
V4(e，n，h)＝SoundVelocityCalibration(V3(e，n，h)，c)(低频三维分机)
方法的输入为声速梯度序列，以及待补偿的声呐数据h3(e，n)和V3(e，n，h)。输出为补偿后的声呐信息h4(e，n)和V4(e，n，h)。
通过斯涅耳定律采用折线段的方式逼近水层和掩埋层中的声线轨迹，得到声线位移值并对所述位置信息进行补偿的方法如下。(如“图9声线跟踪示意图”所示)。
假设相邻两声速层对应的掠射角为αn、αn+1，对应的声速为cn、cn+1；根据斯涅耳公式有
Figure BDA0004180271670000211
则声线在下一层声速层中的声速断面中的位移距离为
dn+1＝Δhn+1cotαn+1
其中，下一层声速层的实际深度为Δhn+1
声波在水层的完整传输过程中，声线的声速断面位移距离为
Figure BDA0004180271670000221
声线在水层中传播的总深度为
H＝∑nhn。
据此更新h4(e，n)和V4(e，n，h)中的深度信息。
S7.3姿态补偿
方法目的：姿态补偿的目的是消除姿态对多波束测深仪和下视三维合成孔径声呐成像中目标位置的影响。
方法描述：
h5(e，n)＝MotionAttitudeCalibration(h4(e，n)，αheading，αpitch，αroll)
V5(e，n，h)＝MotionAttitudeCalibration(V4(e，n，h)，αheading，αpitch，αroll)
方法输入：运动姿态信息αheading，αpitch，αroll；待补偿的多波束数据h4(e，n)和低频三维数据V4(e，n，h)
方法输出：补偿后的多波束数据h5(e，n)和低频三维数据V5(e，n，h)
其中，方法详述如下：运动姿态补偿(MotionAttitudeCalibration方法)
h5(e，n)＝MotionAttitudeCalibration(h4(e，n)，αheading，αpitch，αroll)
V5(e，n，h)＝MotionAttitudeCalibration(V4(e，n，h)，αheading，αpitch，αroll)
方法输入：运动姿态信息αheading，αpitch，αroll；待补偿的多波束数据h4(e，n)和低频三维数据V4(e，n，h)
方法输出：补偿后的多波束数据h5(e，n)和低频三维数据V5(e，n，h)
对多波束测深仪和下视三维合成孔径声呐影响的多类姿态中，影响最大的是横滚信息。
在端视图上，设声呐数据h4(e，n)或V4(e，n，h)中，某点的横坐标为X1，纵坐标为Z1。将其转换至极坐标系下，可得到该点的距离r1和方位θ1，即
Figure BDA0004180271670000231
设该时刻的横滚角为αroll，则计算补偿后的距离r2和方位θ2：
Figure BDA0004180271670000232
根据距离和方位计算其位置为：
Figure BDA0004180271670000233
根据新的X2和Z2，更新声呐信息中的东坐标e和北坐标n。即得到经运动姿态补偿后的声呐信息h5(e，n)和V5(e，n，h)。
S7.4目标提取
如图7所示，方法目的：目标提取，精确标定目标的三维位置。在低频三维合成孔径声呐中，掩埋或裸露的目标受到阵列信号处理中波束主瓣宽度的约束，在图像上形成的斑点具有一定的尺度。该斑点在不同方向上的尺度即为声呐在各个方向上的“分辨率”。在低频三维合成孔径声呐中，由于声波波长较长，该分辨率的数值也较大，即斑点的尺度比高频声呐更大，这不利于确定目标的准确位置。为此利用弧形顶点方式来确定目标的位置。
方法描述：T1(e，n，h)＝Identify3D-Position(V5(e，n，h))
方法输入：声呐三维图像数据V5(e，n，h)
方法输出：目标信息T1(e，n，h)，包括东坐标、北坐标和目标距离水面的深度。
其中，方法详述如下：目标提取(Identify3D-Position方法)
方法描述：T1(e，n，h)＝Identify3D-Position(V5(e，n，h))
方法输入：声呐三维图像数据V5(e，n，h)
方法输出：目标信息T1(e，n，h)，包括东坐标、北坐标和目标距离水面的深度。
把目标在端视视角上的断面提取出来后，目标将以一段圆弧的形式出现，选择该段圆弧的顶点(或能量中心点)，提取该点的位置信息，即得到目标的三维信息T1(e，n，h)。
在实际操作中，寻找圆弧的顶点(或能量中心点)需要在二维图像上计算，其运算量较大。为此在处理时进行图像坐标系转换，并在新的坐标系下寻找圆弧顶点或能量中心点。
具体步骤为：
a将声呐图像从三维直角坐标系变更至三维柱坐标系。即在端视图上，从二维直角坐标系转变至极坐标系。如“图7掩埋线缆目标断面在不同坐标系下的表现形式”所示。
b在极坐标系端视图上，强点目标在距离(rho)方向上采用脉冲压缩技术，压缩效果较好，聚焦度较高，易于寻找最大值点或能量中心点。在角度(theta)方向上，由于低频波长较长，角度分辨率相应较低，同时波束形成易受到姿态影响，聚焦度较低，不易于寻找最大值点或能量中心店。所以在极坐标系的端视图上，点目标表现为在距离向上狭窄，在角度向上狭长的椭圆斑。
c基于上述目标形态特征，构造一幅二维图，其中横坐标为距离向，纵坐标为沿航迹方向，称为“斜距图”。在构造斜距图时，同一距离，左侧或右侧一定角度范围内的采样点的强度值将叠加在一起。如“图8线缆目标俯视图”左侧图所示。
d在斜距图上，由于目标聚焦较好，易于通过人工或自动的方式选择出目标路由，即易于确定管线目标的距离值(rho值)。
e基于在斜距图上选出的目标的rho值，构造“角度图”，角度图的纵坐标为沿航迹方向，横坐标为每个沿航迹方向位置上，上一步选中的rho值所在的角度向量。如“图8线缆目标俯视图”右侧图所示。
f由于目标在角度图上聚焦较差，宽度相应较宽，人工辅助点选目标条带的左右门限，在门限内通过能量法求取能量中心点，作为目标的角度信息。
g通过在斜距图上确定目标距离，在角度图上确定目标的角度(也就是方位)，从而在端视图上确定目标的二维位置。将连续多个端视图上选择的目标位置汇总起来，即得到在沿航迹方向的位置，从而得到目标的三维位置。
h上述目标的三维位置是在柱坐标系下，将其转换至直角坐标系下，即得到了目标的三维位置。再联系该三维位置点所对应的大地坐标系及深度信息，即得到目标的三维信息T1(e，n，h)。
S7.5目标埋深的确定
如图8所示，方法目的：基于多波束测深仪，将获得海底底面的三维坐标，在声呐坐标系框架下或大地坐标系框架下处理均可。再利用低频三维合成孔径声图获得的目标的三维坐标，获得目标所在处的海深信息后，将目标深度和目标所在位置的海深信息做差，得到目标的埋深。
方法描述：T2(e，n，h，d)＝BuriedDepthCalculate(T1(e，n，h)，h5(e，n))
方法输入：目标信息T1(e，n，h)；多波束获得的海底地形信息h5(e，n)
方法输出：目标信息T2(e，n，h，d)，与T1(e，n，h)相比，增加了目标的埋深信息d
其中，方法详述如下：目标埋深确定(BuriedDepthCalculate方法)
方法描述：T2(e，n，h，d)＝BuriedDepthCalculate(T1(e，n，h)，h5(e，n))
方法输入：目标信息T1(e，n，h)；多波束获得的海底地形信息h5(e，n)
方法输出：目标信息T2(e，n，h，d)，与T1(e，n，h)相比，增加了目标的埋深信息d
设在低频三维合成孔径声呐中获得目标信息为T1(et，nt，ht)，在多波束获得的海底地形信息h5(e，n)中，寻找距离目标信息的平面坐标(et，nt)最近的点，设为(eb，nb)，相应地可获得该点的深度信息hb。利用ht与hb的差值即可得到目标的埋深信息，即：
dt＝ht-hb
最终获得了目标的埋深信息dt后，补充至目标信息中，即得到T2(e，n，h，d)
S8：埋深校准。
目的和意义：为了进一步提升埋深测量的准确度，需要对埋深测量结果进行校准。校准方法是利用裸露目标的已知埋深信息，与测量埋深进行比较，计算系统误差。
如图9所示，形成系统误差的原因是：海底高度信息一般由多波束测深仪获得，其工作频率较高；目标高度信息一般由低频三维合成孔径声呐获得，其工作频率较低。声波在不同频率下对海底的穿透能力不同，相应的获得的海底面的深度也有所不同。一般地，由于频率越低穿透能力越强，因此在相同的外部环境条件下，低频三维合成孔径声呐获得的海底要比多波束测深仪获得的海底更深。此时海底基准选择的不同，将会导致埋深信息测量结果的变化。
方法描述：T3(e，n，h，d)＝BuriedDepthCalibration(I2(e，n)，T2(e，n，h，d)，h5(e，n))
方法输入：目标的三维信息T2(e，n，h，d)、侧扫分机数据I2(e，n)，多波束分机数据h5(e，n)。
方法输出：经过埋深校准后的目标信息T3(e，n，h，d)
其中，方法详述如下：埋深校准(BuriedDepthCalibration方法)
方法描述：T3(e，n，h，d)＝BuriedDepthCalibration(I2(e，n)，T2(e，n，h，d)，h5(e，n))
方法输入：目标的三维信息T2(e，n，h，d)、侧扫分机数据I2(e，n)，多波束分机数据h5(e，n)。
方法输出：经过埋深校准后的目标信息T3(e，n，h，d)
埋深校准方法流程如下。首先利用侧扫声呐数据I2(e，n)查找裸露目标，获得裸露目标的位置信息，设为(et，nt)。在多波束测深仪获得的海底地形信息h5(e，n)中，寻找平面坐标最接近(et，nt)的点，进而获得其高度信息ht1。
同时，在低频三维合成孔径声呐数据T2(e，n，h，d)中，通过位置信息(et，nt)，可以获得目标的深度信息和埋深信息，设为ht和dt。
理论上有ht＝ht，即dt＝0。
但是在实际测量中，这两个深度信息将存在偏差，设为δt，有：
δt＝ht-ht1
在待测区域寻找多个裸露目标，计算出多个δt，形成埋深系统误差向量δ，对该向量进行最小二乘法估计，计算出系统误差为δB。
在埋深信息dt中，减去该系统误差δB，即得到更加准确的埋深数值。
至此完成埋深校准，输出目标的位置、所在的海底深度、目标埋深等信息T3(e，n，h，d)。
S9：任务结束关闭系统。按照计划测线，完成该项任务或子任务的测量工作后，结束任务并关闭系统。
S10：断电。为系统断电，并回收设备后妥善安置于甲板或专用的存储位置。
有益效果：本专利提出了一种水下掩埋目标位置和埋深测量的系统和方法，达到了水下目标位置确定和埋深测量的目的，从而实现了提高海上管道、沉船等目标路由和埋深调查效率的技术效果，进而解决了传统的成像声呐获得的图像为二维声图，因此对二维声图进行处理时，仅可获得海底目标的二维信息；例如侧扫声呐获得的是目标的位置，多波束声呐获得目标的位置和深度或高程，浅剖声呐可获得掩埋大型管类目标的埋深信息，但对细小目标的探测能力较差；同时在实际的海洋环境中，声速随海水深度的改变会有缓慢的改变；在掩埋目标的测量时，声波从水层进入掩埋地层时声速也会发生明显改变，从而影响测量精度的技术问题。
具体来说，一种水下掩埋目标位置和埋深测量的系统和方法的主要特点有：
(1)可同时获得目标的位置和埋深信息。
(2)对于管缆目标，采用平行而不是横穿的方式进行测绘，从传统方法(磁探、浅剖等)的单点测绘提升至连续测绘，因此可获得目标的连续信息，进而极大提高作业效率。
(3)低频三维合成孔径声呐可对掩埋目标进行三维成像，三部声呐的信息互相校验，海底基准面准确，掩埋目标埋深测量精度高，获得丰富的目标特征，更易于进行目标检测和识别。
本发明更具体的系统组成如下：
为了解决现有技术较难实现精确测量掩埋目标埋深和位置的需求，特提出本发明一种水下掩埋目标位置和埋深测量系统与方法。
水下掩埋目标位置和埋深测量系统由水下分系统、水面分系统、互联分系统、收放分系统等组成。
其中水下分系统，由水下安装平台、水下数据交换中心、多波束测深仪、侧视成像声呐、低频三维合成孔径声呐、声学同步控制器、时间统一控制器、姿态传感器、位置测量传感器、声速测量传感器、深度测量传感器、航速测量传感器组成。
在本实施例中，多波束测深仪采用工作主频为300kHz的多波束测深仪，侧视成像声呐采用工作主频为600kHz的侧视成像声呐，低频三维合成孔径声呐采用主频为8kHz～18kHz的低频三维合成孔径声呐。
在本实施例中，给出了三类声呐分机的一种典型配置。具体见说明书附图。
在本实施例中，姿态传感器采用基于MEMS原理的微型姿态传感器。位置测量传感器采用具有惯导功能的MEMS原理的惯性导航仪。声速测量传感器采用直接测量法的SVP表面声速仪实时测量声速，同时配备CTD温盐深仪测量声速剖面。
在本实施例中，水面分系统由数据处理机、数据存储单元、显示控制单元、供电单元等部分组成。其中数据处理机采用核心为至强CPU的高性能服务器集群，集群中包含8台服务器，每台服务器含2个CPU，每个CPU为22核44线程。数据存储单元采用机架式NAS，含4个硬盘槽位，每个槽位安装一块8TB硬盘，采用RAID5进行配置，总计超过20TB可用容量。
在本实施例中，声呐采用船舷挂载安装方式，收放分系统的主体是一台电动摇臂吊。
本发明的又一实施例如下：
在本实施例中，目标区域为中国近海海域，海深位于30m～40m之间，主要探测目标为风电场的掩埋电缆。
S1：加电。
当设备安装完毕，并且船舶航行至目标区域，按照规划的测线上线后，即开始工作。
S2：配置参数。
系统固有参数为：频率(f0)、带宽(B)，由系统设计硬件决定，一般不需用户设置。在本实施例中，多波束测深仪的f0＝300kHz，B＝60kHz；侧视成像声呐的f0＝600kHz，B＝120kHz；低频下视三维合成孔径声呐的f0＝13kHz，B＝10kHz。
用户输入起始探测深度d1、结束探测深度d2，采用参数自适应计算方法，自动生成声呐工作参数。
在本实施例中，由于目标水域深度为30m～40m，为了完全覆盖深度范围，并且还要考虑掩埋目标埋深在5m以内。因此起始探测深度d1应比最小海深略小，配置为28m；结束探测深度d2应比最大深度再加上埋深略大，因此配置为46m。
利用paracal方法计算声呐参数。
信号形式(sigtype)：LFM
脉宽(τ0)：5ms
周期(prt)：150ms
最小采样距离(rmin)：28m
最大采样距离(rmax)：92m
发射功率(tp)：80％
成像参数：垂直航迹方向范围-30m～+30m；深度方向成像范围28m～46m；沿航迹方向成像范围-8m～+8m。成像分辨率(dx,dy,dz)均为0.08m。
S3：系统启动开始工作。
启动工作，船舶沿测线航行。
S4：声学同步和时间统一。
在工作过程中，为了确保低频三维合成孔径声呐、下视多波束测深仪声呐、侧视成像声呐实时同步工作。采用声学同步和时间统一方法。
在本实施例中，工作周期为150ms，表明声学同步控制器生成多路周期为150ms的同步脉冲序列，同步信号的周期为150ms，脉宽为100us，类型为RS485电平。同步控制器将同步信号输出至上述三部声呐。三部声呐根据同步器的同步脉冲同步发射声学信号，确保三部声呐实时同步工作。
在本实施例中，时间统一上，利用外接的GNSS卫星导航仪，提供UTC时钟源和PPS秒脉冲，为整个系统提供高精度的时钟信息，并完成时间统一。
S5：实时采集并存储声图和传感器数据。
系统实时同步采各类声呐的原始回波数据，并进行声呐的数据处理。
在本实施例中，低频下视三维合成孔径声呐采集原始数据，并经过三维合成孔径成像得到声图数据；下视多波束测深仪、侧视成像声呐采集原始数据并完成脉冲压缩、波束形成和成像处理。
在本实施例中，系统采集GNSS、MEMS姿态传感器、MEMS惯导、SVP、CTD等各类运动传感器的信息。
在本实施例中，三维合成孔径声呐分机上传的声呐数据包括：声呐回波数据、声呐图像数据；
在本实施例中，多波束测深仪分机上传的声呐数据包括：声呐回波数据、波束数据、测底数据；
在本实施例中，侧扫声呐分机上传的声呐数据包括：声呐回波数据、声呐图像数据；
在本实施例中，传感器数据包括：GNSS、MEMS姿态传感器、MEMS惯导、SVP、CTD等各类运动传感器的信息。
上述数据在统一的时间系统下进行打标，其中三类声呐分机通过同步控制器同步工作，因此其每一ping数据具有相同的时标，传感器数据虽然与声呐分机不是同步工作，但由于赋予了相同的时标系统，因此后续可通过内插或其他滤波器，获得在声呐分机时标处的各类运动姿态信息。
在本实施例中，上述数据按照专用的声呐格式，存储为数据文件。
在本实施例中，数据文件存储在专用的网络盘柜NAS中。
S6：声图网格计算和对齐。
在声呐系统坐标系框架下，利用声图参数计算目标与声呐系统坐标系原点的相对位置关系。
在本实施例中，大地坐标系由GNSS卫星导航仪获得。通过声呐和目标的几何关系，计算得到目标的绝对坐标(即大地坐标)。进而完成声图网格计算和对齐操作。
在本实施例中，成像分辨率为8cm，构建大地坐标网格时，网格尺度与分辨率相当，因此设置为10cm.
在本实施例中，该项处理通过后处理的方式进行。
S7：掩埋目标埋深测量。
利用多波束测深仪(也可搭载单波束测深仪)获得的目标处海底距离水面高度，再利用低频三维合成孔径声呐获得的掩埋目标距离水面高度，经过两个深度值做差后，计算得到掩埋目标的埋深。
多波束测深与三维合成孔径测目标深度均涉及到潮位补偿、声速补偿、姿态补偿等方法。这些方法缺一不可，在掩埋目标埋深测量过程中逐步完成。具体描述如下。
S7.1潮位补偿
在本实施例中，从国家海事局官网下载作业区域最近的潮位站的当天潮汐数据。
在本实施例中，潮位表的数据时间间隔为1小时。为了获得声呐数据时刻的潮位信息，采用线性内插法。
在本实施例中，获得声呐时刻tk对应的潮汐值Tk后，对声呐数据进行潮位补偿。
S7.2声速补偿
声速补偿主要利用声波在水中的传播规律实现。具体方法为分段近似并利用反映折射规律的斯涅耳定律计算。
在本实施例中，声速剖面通过CTD测量获得。在每个作业日，分别于当天的早、中、晚各测量一次声速剖面，即早上8点，中午12点，下午4点。
声呐数据采集完毕后，利用最近时刻的声速剖面进行声线跟踪及声速补偿。
S7.3姿态补偿
姿态补偿的目的是消除姿态对多波束测深仪和下视三维合成孔径声呐成像中目标位置的影响。
在本实施例中，姿态信息由MEMS高精度姿态传感器获得。
在本实施例中，姿态的精度为0.02°，利用其进行姿态补偿。
S7.4目标三维位置的确定
把目标在端视视角上的断面提取出来后，目标将以一段圆弧的形式出现，选择该段圆弧的顶点(或能量中心点)，即为目标的确切位置。切出端视图的位置即为目标在沿航迹方向的坐标y，圆弧顶点选中后，其横坐标即为目标在垂直航迹方向的坐标x，其纵坐标即为目标在深度方向的坐标z。至此完成了目标三维位置的确定。
在本实施例中，执行下列子步骤实现目标三维位置确定。
a将声呐图像从三维直角坐标系变更至三维柱坐标系。即在端视图上，从二维直角坐标系转变至极坐标系。
b在极坐标系端视图上，强点目标在距离(rho)方向上采用脉冲压缩技术，压缩效果较好，聚焦度较高，易于寻找最大值点或能量中心点。在角度(theta)方向上，由于低频波长较长，角度分辨率相应较低，同时波束形成易受到姿态影响，聚焦度较低，不易于寻找最大值点或能量中心店。所以在极坐标系的端视图上，点目标表现为在距离向上狭窄，在角度向上狭长的椭圆斑。
c基于上述目标形态特征，构造一幅二维图，其中横坐标为距离向，纵坐标为沿航迹方向，称为“斜距图”。在构造斜距图时，同一距离，左侧或右侧一定角度范围内的采样点的强度值将叠加在一起。
d在斜距图上，由于目标聚焦较好，易于通过人工或自动的方式选择出目标路由，即易于确定管线目标的距离值(rho值)。
e基于在斜距图上选出的目标的rho值，构造“角度图”，角度图的纵坐标为沿航迹方向，横坐标为每个沿航迹方向位置上，上一步选中的rho值所在的角度向量。
f由于目标在角度图上聚焦较差，宽度相应较宽，人工辅助点选目标条带的左右门限，在门限内通过能量法求取能量中心点，作为目标的角度信息。
g通过在斜距图上确定目标距离，在角度图上确定目标的角度(也就是方位)，从而在端视图上确定目标的二维位置。将连续多个端视图上选择的目标位置汇总起来，即得到在沿航迹方向的位置，从而得到目标的三维位置。
h上述目标的三维位置是在柱坐标系下，将其转换至直角坐标系下，即得到目标的最终三维位置。
S7.5目标埋深的确定
在本实施例中，基于多波束测深仪，将获得海底底面的三维坐标。再利用低频三维合成孔径声图获得的目标的三维坐标，获得目标所在处的海深信息后，将目标深度和目标所在位置的海深信息做差，得到目标的埋深。
S8：埋深校准。
为了进一步提升埋深测量的准确度，需要对埋深测量结果进行校准。校准方法是利用裸露目标的已知埋深信息，与测量埋深进行比较，计算系统误差。
在本实施例中，首先利用侧扫声呐数据I2(e，n)查找裸露目标，获得裸露目标的位置信息，设为(et，nt)。在多波束测深仪获得的海底地形信息h5(e，n)中，寻找平面坐标最接近(et，nt)的点，进而获得其高度信息ht1。
在本实施例中，，在低频三维合成孔径声呐数据T2(e，n，h，d)中，通过位置信息(et，nt)，可以获得目标的深度信息和埋深信息，设为ht和dt。
理论上有ht＝ht，即dt＝0。
但是在实际测量中，这两个深度信息将存在偏差，设为δt，有：
δt＝ht-ht1
在待测区域寻找多个裸露目标，计算出多个δt，形成埋深系统误差向量δ，对该向量进行最小二乘法估计，计算出系统误差为δB。
在埋深信息dt中，减去该系统误差δB，即得到更加准确的埋深数值。至此完成埋深校准，输出目标的位置、所在的海底深度、目标埋深等信息T3(e,n,h,d)。
在本实施例中，在待测区域寻找20个裸露目标，计算出20个δt，形成埋深系统误差向量δ，对该向量进行最小二乘法估计，计算出系统误差为δB。在后续埋深信息中，减去该系统误差δB，即得到更加准确的埋深数值。
S9：任务结束关闭系统。按照计划测线，完成该项任务或子任务的测量工作后，结束任务并关闭系统。
S10：断电。为系统断电，并回收设备后妥善安置于甲板或专用的存储位置。
本发明还具有如下有益效果：
其独创性主要在于：
(1)首次在国际上将三类声呐分机进行一体化集成，实现同步控制、时间统一、同步处理。
(2)首次实现对三类声呐数据的有机融合。充分利用三类声呐的特点，扬长避短。低频三维合成孔径声呐可探测掩埋目标，且为三维成像，但分辨率较低；下视多波束测深仪可获得精确海底地形，但不能探测掩埋目标；侧视声呐可获得海底高清地貌信息，但不能探测掩埋目标。经过融合处理后，避开三类声呐各自的缺点，实现各自优点的组合，提高了系统整体的功能和性能。
(3)首次实现对深掩埋细直径线缆目标的有效探测。过去海上工程对掩埋埋深超过2m的、典型直径在20cm以下的电缆、光缆目标，均缺乏有效探测手段。背景技术中涉及的磁探技术、浅地层剖面技术等，在探测管缆目标时，主要探测目标或是直径在80cm以上的输油输气管道，或者是埋深在1m左右甚至更浅的电缆目标。本系统与方法能够实现对深掩埋细直径线缆目标的有效探测，在国际上处于先进水平，在国内居于唯一地位。

Claims (13)

1.水下掩埋目标位置和埋深测量系统，其特征在于，包括：水下分系统、水面分系统、互联分系统和收放分系统，所述水下分系统和所述水面分系统与所述互联分系统通讯连接；所述水面分系统与所述收放分系统电连接；
所述水下分系统用于实时同步工作、实时同步输出地形、地貌和三维浅地层三类信息，以及悬浮、沉底和掩埋目标三类目标声学成像；
所述水面分系统用于处理采集的实时数据，并将数据存储和显示控制；
所述互联分系统用于连接所述水下分系统和所述水面分系统；
所述收放分系统用于收集和放置装置。
2.根据权利要求1所述的水下掩埋目标位置和埋深测量系统，其特征在于，所述水下分系统包括：水下安装平台、水下数据交换中心、多波束测深仪、侧视成像声呐、低频三维合成孔径声呐、声学同步控制器、时间统一控制器、姿态传感器、位置测量传感器、声速测量传感器、深度测量传感器和航速测量传感器组成。
3.根据权利要求1所述的水下掩埋目标位置和埋深测量系统，其特征在于，所述水面分系统包括：数据处理机、数据存储单元、显示控制单元和供电单元。
4.根据权利要求1所述的水下掩埋目标位置和埋深测量系统，其特征在于，所述互联分系统包括：互联水密缆和水密接插件。
5.根据权利要求1所述的水下掩埋目标位置和埋深测量系统，其特征在于，所述收放分系统包括：绞车和摇臂吊。
6.水下掩埋目标位置和埋深测量方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一所述的水下掩埋目标位置和埋深测量的系统，包括以下步骤：
S1、加电；
S2、配置参数；
S3、启动系统；
S4、声学同步和时间统一；
S5、实时采集并存储声图和传感器数据；
S6、声图网格计算和对齐；
S7、掩埋目标埋深测量；
S8、埋深校准；
S9、任务结束关闭系统；
S10、断电。
7.根据权利要求6所述的水下掩埋目标位置和埋深测量方法，其特征在于，S2、配置参数，包括：采用参数自适应计算方法，自动生成工作参数；其中，所述工作参数包括：声纳参数和成像参数。
8.根据权利要求6所述的水下掩埋目标位置和埋深测量方法，其特征在于，S4、声学同步和时间统一，包括：通过声学同步控制器，根据参数配置确定整机工作的prt，并生成同步信号，将同步信号输出至多波束测深仪、侧视成像声呐和低频三维合成孔径声呐，三部声呐根据同步器的同步脉冲同步发射声学信号，确保三部声呐实时同步工作；时间同步器通过外部UTC时钟源和PPS秒脉冲进行时间同步。
9.根据权利要求6所述的水下掩埋目标位置和埋深测量方法，其特征在于，S5、实时采集并存储声图和传感器数据，包括：
三维合成孔径声呐分机上传的声呐数据包括：声呐回波数据、声呐图像数据；
多波束测深仪分机上传的声呐数据包括：声呐回波数据、波束数据、测底数据；
侧扫声呐分机上传的声呐数据包括：声呐回波数据、声呐图像数据；
传感器数据包括：卫星导航仪上传的卫星定位数据；姿态仪或惯性导航仪上传的惯性导航数据；多普勒测速仪上传的速度和距底高度数据；
将上述数据在统一的时间系统下进行打标，其中三类声呐分机通过同步控制器同步工作，其每一ping数据具有相同的时标，且传感器数据赋予了相同的时标系统，通过内插或其他滤波器，获得在声呐分机时标处的各类运动姿态信息。
10.根据权利要求6所述的水下掩埋目标位置和埋深测量方法，其特征在于，S6、声图网格计算和对齐，包括：在声呐系统坐标系框架下，利用声图参数计算目标与声呐系统坐标系原点的相对位置关系；在大地坐标系下，利用同步采集的卫星导航仪或惯性导航仪获得的位置信息，通过声呐和目标的几何关系，计算得到目标的绝对坐标，进而完成声图网格计算和对齐操作；
针对侧扫声呐分机，对二维声图进行网格计算对齐处理操作；针对多波束声呐分机，对水深数据进行网格计算对齐处理操作；针对低频三维合成孔径声呐分机，对三维体数据进行网格计算对齐处理操作。
11.根据权利要求6所述的水下掩埋目标位置和埋深测量方法，其特征在于，S7、掩埋目标埋深测量，包括：利用多波束测深仪获得目标处海底距离水面高度，再利用低频三维合成孔径声呐获得的掩埋目标距离水面高度，经过两个深度值做差后，计算得到掩埋目标的埋深。
12.根据权利要求11所述的水下掩埋目标位置和埋深测量方法，其特征在于，S7、掩埋目标埋深测量，还包括：
S7.1、潮位补偿，输入：潮汐表；包含潮汐的时刻ttide和潮汐的具体值Ttide；待补偿的多波束数据h2(e，n)和低频三维数据V2(e，n，h)；输出：经过潮位补偿后的多波束水深数据h3(e，n)和低频三维数据V3(e，n，h)；
S7.2、声速补偿，输入：待补偿的多波束数据h3(e，n)和低频三维数据V3(e，n，h)，声速剖面信息c；输出：声线跟踪后的多波束水深信息h4(e，n)；三维声图体数据V4(e，n，h)；
S7.3、姿态补偿，输入：运动姿态信息αheading，αpitch，αroll；待补偿的多波束数据h4(e，n)和低频三维数据V4(e，n，h)；输出：补偿后的多波束数据h5(e，n)和低频三维数据V5(e，n，h)；
S7.4、目标提取，输入：声呐三维图像数据V5(e，n，h)；输出：目标信息T1(e，n，h)，包括东坐标、北坐标和目标距离水面的深度；
S7.5、目标埋深的确定，输入：目标信息T1(e，n，h)；多波束获得的海底地形信息h5(e，n)；输出：目标信息T2(e，n，h，d)，与T1(e，n，h)相比，增加了目标的埋深信息d。
13.根据权利要求6所述的水下掩埋目标位置和埋深测量方法，其特征在于，S8、埋深校准，包括：输入：目标的三维信息T2(e，n，h，d)、侧扫分机数据I2(e，n)，多波束分机数据h5(e，n)；输出：经过埋深校准后的目标信息T3(e，n，h，d)。
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