CN117111070A - 基于声呐和激光的水下目标定位方法及其装置 - Google Patents

基于声呐和激光的水下目标定位方法及其装置 Download PDF

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    • G01B11/002—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates

Abstract

本发明公开了一种基于声呐和激光的水下目标定位方法及其装置，其中水下目标定位方法包括步骤采用激光扫描器采集被测目标的测量三维坐标；接收激光扫描器坐标系下的多个发射机、在同一时刻产生的不同频率声呐信号及其中一个发射机产生的两种不同频率的光波信号，并记录接收时间；根据接收时间和光波信号在水中的标称折射率，确定激光扫描器与水上定位器的相对位置是否发生变化，若是，进入下一步，否则进入最后一步；计算激光扫描器坐标系的XYZ轴与水上定位器所在的世界坐标系的XYZ轴的夹角余弦值，之后进入下一步；基于夹角余弦值将测量三维坐标转换至世界坐标系，得到被测目标的定位坐标。

Description

基于声呐和激光的水下目标定位方法及其装置
技术领域
本发明涉及目标定位技术领域，具体涉及一种基于声呐和激光的水下目标定位方法及其装置。
背景技术
水下三维测量是探测海底和河床，了解附着生物的重要手段。目前水下三维测量主要是声呐定位技术，发射声波信号到目标并依据反射时间及波型计算出物体的距离及位置。但声呐测距精度在厘米级，没法突破精度瓶颈，并且测量速度和横向分辨率都受限于有上限的多波束数量。而水下光通信技术，不同光波段的折射率受海水的盐度、温度、湍流影响，导致水下传播速度变化，引起测距误差；由于测距精度在厘米级，再加之受海水的影响测距误差等因素的影响，从而最终导致声呐定位准确率差。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的基于声呐和激光的水下目标定位方法及其装置解决了现有声呐定位精度差的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
第一方面，提供一种基于声呐和激光的水下目标定位方法，其包括步骤：
S1、采用激光扫描器采集被测目标的测量三维坐标；
S2、接收激光扫描器坐标系下的多个发射机、在同一时刻产生的不同频率声呐信号及其中一个发射机产生的两种不同频率的光波信号，并记录接收时间；
S3、根据发送光波信号的发射机的三个信号接收时间和光波信号在水中的标称折射率，计算发送光波信号的发射机与水上定位器的距离r o：
其中，t 3为发送光波信号的发射机的声呐信号接收时间；t 1和t 2分别为两不同频率光波信号的接收时间；n 1和n 2分别为两个光波信号在水中的标称折射率；v 水声为声呐在水下的传播速度；
S4、根据距离r o及非发送光波信号的发射机对应的声呐信号的接收时间，计算非发送光波信号的发射机到水上定位器的距离：
其中，r X、r Y和r Z分别为三个非发送光波信号的发射机到水上定位器的距离；tX、tY和tZ分别为三个非发送光波信号的发射机对应信号的接收时间；
S5、根据每个发射机与水上定位器的距离，判断相邻两次目标定位时，对应发射机与水上定位器的距离是否相等，若是，则进入步骤S6，否则进入步骤S7；
S6、计算激光扫描器坐标系的XYZ轴与水上定位器所在的世界坐标系的XYZ轴的夹角余弦值，之后进入步骤S7；
S7、基于夹角余弦值将测量三维坐标转换至世界坐标系，得到被测目标的定位坐标。
本发明的有益效果为：本方案在进行发射机与水上定位器间距离的计算时，引入了光波信号在水中的标称折射率，这样可以降低折射对距离计算的影响，使计算得到的距离更接近于真实值，以实现激光扫描器与水上定位器相对位置的准确判断，从而保证后续计算得到的被测目标的定位坐标的准确性。
本方案采用合作坐标系实时定位激光扫描器，声呐的粗定位结合激光扫描器的高精度坐标数据，可以突破声呐测量厘米级精度限制。将激光扫描器的高精度坐标数据实时转换为至世界坐标，可以避免误差累计，适用于大范围测量。与现有技术相比，本方案可以实现水下长距离、大范围、高精度的测量。
进一步地，所述发射机的数量为四个，计算激光扫描器坐标系的XYZ轴与水上定位器所在的世界坐标系的XYZ轴的夹角余弦值的方法包括：
S61、在世界坐标系中移动两次水上定位器，并在每次移动后执行步骤S2~步骤S4，得到水上定位器在新位置时发射机到水上定位器的距离；
S62、根据水上定位器在三个不同位置处每个发射机到水上定位器的距离，采用多边定位法计算每个发射机在世界坐标系中的三维坐标；
S63、根据发射机在世界坐标系的三维坐标，计算激光扫描器坐标系的XYZ轴与世界坐标系的XYZ轴的夹角余弦值，并进行存储，夹角余弦值为：
其中，xc轴、yc轴、zc轴分别为激光扫描器坐标系的XYZ轴；xw轴、yw轴、zw轴分别为世界坐标系的XYZ轴；cos<x c, x w>、cos<x c, y w>、cos<x c, z w>分别为xc轴与xw轴、yw轴、zw轴的夹角余弦值；cos<y c, x w>、cos<y c, y w>、cos<y c, z w>分别为yc轴与xw轴、yw轴、zw轴的夹角余弦值；cos<z c, x w>、cos<z c, y w>、cos<z c, z w>分别为zc轴与xw轴、yw轴、zw轴的夹角余弦值；
为发送光波信号的发射机在世界坐标系的三维坐标；/>、/>和/>分别为三个非发送光波信号的发射机在世界坐标系的三维坐标。
上述技术方案的有益效果为：本方案在激光扫描器与水上定位器相对位置发生变化后，可以借助发射机和水上定位器的相对配合，及时对激光扫描器坐标系的XYZ轴与世界坐标系的XYZ轴间的夹角余弦值进行更新，以使跟随光扫描器与水上定位器的变动进行及时更新，从而保证后续计算得到的被测目标的定位坐标的准确性。
进一步地，所述被测目标的定位坐标为：
其中，为被测目标的定位坐标；/>为测量三维坐标。
进一步地，距离r o的计算模型的构建方法包括：
S31、根据发送光波信号的发射机的光波信号的接收时间和光波信号在水中的标称折射率，分别构建两个光波信号的距离关系式：
其中，C为光速；t 0为发送声呐信号/光波信号的时间；ε为距离与折射率相对误差；
S32、根据两个光波信号到达的时间差分，获得距离与折射率的相对误差的关系式：
；
S33、根据发送光波信号的发射机的声呐信号接收时间，构建声呐信号的距离关系式：
；
S34、根据光波信号的距离关系式和声呐信号的距离关系式，可得：
；
S35、根据相对误差的关系式与步骤S34得到的关系式，得到最终的距离r o的计算模型：
。
进一步地，采集被测目标的测量三维坐标之前还包括：
调整激光扫描器和水上定位器，直至激光扫描器位于水面上水上定位器的正下方，并控制激光扫描器和水上定位器同步行进至测量指定区域；
定义水上定位器所在位置为世界坐标系，激光扫描器和所有的发射机位于同一坐标系。
第二方面，提供一种应用基于声呐和激光的水下目标定位方法的水下目标定位装置，其包括：
激光扫描器，其位于水面，用于采集被测目标的测量三维坐标；
多个发射器，其安装于激光扫描器上，用于产生不同频率的声呐信号，且其中一个还用于产生至少两种不同频率的光波信号；
水上定位器，用于接收发射器产生的声呐信号和光波信号，并记录每个信号的接收时间；基于接收时间和光波信号在水中的标称折射率，确定激光扫描器与水上定位器的相对位置是否发生变化，若是，则重新计算激光扫描器坐标系的XYZ轴与世界坐标系的XYZ轴的夹角余弦值，否则不更新夹角余弦值；之后基于夹角余弦值将测量三维坐标转换至世界坐标系，得到被测目标的定位坐标。
进一步地，所述发射机为四个，发送光波信号的发射机位于激光扫描器坐标系的原点，其余三个发射机分别位于激光扫描器坐标系的XYZ轴上。
进一步地，所述水上定位器包括频率复用接收机阵和分频定位器；所述频率复用接收机阵用于接收发射机的声呐信号光波信号；
所述分频定位器用于分离不同频率的声呐信号和光波信号，并记录信号接收时间，及确定激光扫描器与水上定位器的相对位置是否发生变化、计算夹角余弦值和计算定位坐标。
附图说明
图1为基于声呐和激光的水下目标定位方法的流程图。
图2为基于声呐和激光的水下目标定位装置的原理框图。
其中，1、水上定位器；11、频率复用接收机阵；12、分频定位器；2、激光扫描器；3、发射机O；4、发射机X；5、发射机Y；6、发射机Z；7、被测目标。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
参考图1，图1示出了基于声呐和激光的水下目标定位方法的流程图，该方法S包括步骤S1~步骤S7。
在步骤S1中，采用激光扫描器2采集被测目标7的测量三维坐标；
实施时，本方案优选采集被测目标7的测量三维坐标之前还包括：
调整激光扫描器2和水上定位器1，直至激光扫描器2位于水面上水上定位器1的正下方，并控制激光扫描器2和水上定位器1同步行进至测量指定区域；
定义水上定位器1所在位置为世界坐标系，激光扫描器2和所有的发射机位于同一坐标系。
在步骤S2中，接收激光扫描器2坐标系下的多个发射机、在同一时刻产生的不同频率声呐信号及其中一个发射机产生的两种不同频率的光波信号，并记录接收时间；
在步骤S3中，根据发送光波信号的发射机的三个信号接收时间和光波信号在水中的标称折射率，计算发送光波信号的发射机与水上定位器1的距离r o：
其中，t 3为发送光波信号的发射机的声呐信号接收时间；t 1和t 2分别为两不同频率光波信号的接收时间；n 1和n 2分别为两个光波信号在水中的标称折射率；v 水声为声呐在水下的传播速度；其中的n 1与t 1对应于同一光波信号，n 2和t 2对应于同一光波信号。
在步骤S4中，根据距离r o及非发送光波信号的发射机对应的声呐信号的接收时间，计算非发送光波信号的发射机到水上定位器1的距离：
其中，r X、r Y和r Z分别为三个非发送光波信号的发射机到水上定位器1的距离；tX、tY和tZ分别为三个非发送光波信号的发射机对应信号的接收时间；
在步骤S5中，根据每个发射机与水上定位器的距离，判断相邻两次目标定位时，对应发射机与水上定位器的距离是否相等，若是，则进入步骤S6，否则进入步骤S7；
在步骤S6中，计算激光扫描器坐标系的XYZ轴与水上定位器所在的世界坐标系的XYZ轴的夹角余弦值，之后进入步骤S7；
在本发明的一个实施例中，计算激光扫描器坐标系的XYZ轴与水上定位器所在的世界坐标系的XYZ轴的夹角余弦值进一步包括：
S61、在世界坐标系中移动两次水上定位器1，并在每次移动后执行步骤S2~步骤S4，得到水上定位器1在新位置时发射机到水上定位器1的距离；
S62、根据水上定位器1在三个不同位置处每个发射机到水上定位器1的距离，采用多边定位法计算每个发射机在世界坐标系中的三维坐标；
S63、根据发射机在世界坐标系的三维坐标，计算激光扫描器2坐标系的XYZ轴与世界坐标系的XYZ轴的夹角余弦值，并进行存储。
本方案的发射机的数量为四个，发送光波信号的发射机位于激光扫描器2坐标系的原点，标记其为发射机O3，其余三个发射机标记为发射机X4、发射机Y5、发射机Z6，这三个发射机分别位于激光扫描器2坐标系的XYZ轴上；激光扫描器2坐标系的XYZ轴分别到世界坐标系的XYZ轴的夹角余弦值为：
其中，xc轴、yc轴、zc轴分别为激光扫描器2坐标系的XYZ轴；xw轴、yw轴、zw轴分别为世界坐标系的XYZ轴；cos<x c, x w>、cos<x c, y w>、cos<x c, z w>分别为xc轴与xw轴、yw轴、zw轴的夹角余弦值；cos<y c, x w>、cos<y c, y w>、cos<y c, z w>分别为yc轴与xw轴、yw轴、zw轴的夹角余弦值；cos<z c, x w>、cos<z c, y w>、cos<z c, z w>分别为zc轴与xw轴、yw轴、zw轴的夹角余弦值；
为发送光波信号的发射机在世界坐标系的三维坐标；/>、/>和/>分别为三个非发送光波信号的发射机在世界坐标系的三维坐标。
在步骤S7中，基于夹角余弦值将测量三维坐标转换至世界坐标系，得到被测目标的定位坐标：
其中，为被测目标7的定位坐标；/>为测量三维坐标。
在本发明的一个实施例中，距离r o的计算模型的构建方法包括：
S311、根据发送光波信号的发射机的光波信号的接收时间和光波信号在水中的标称折射率，分别构建两个光波信号的距离关系式：
其中，C为光速；t 0为发送声呐信号/光波信号的时间；ε为距离与折射率相对误差；
S312、根据两个光波信号到达的时间差分，获得距离与折射率的相对误差的关系式：
；
S313、根据发送光波信号的发射机的声呐信号接收时间，构建声呐信号的距离关系式：
；
S314、根据光波信号的距离关系式和声呐信号的距离关系式，可得：
；
S315、根据相对误差的关系式与步骤S34得到的关系式，得到最终的距离r o的计算模型：
。
如图2所示，本方案还提供一种基于声呐和激光的水下目标定位方法的水下目标定位装置，其包括：
激光扫描器2，其位于水面，用于采集被测目标7的测量三维坐标；
多个发射器，其安装于激光扫描器2上，用于产生不同频率的声呐信号，且其中一个还用于产生至少两种不同频率的光波信号；
水上定位器1，用于接收发射器产生的声呐信号和光波信号，并记录每个信号的接收时间；基于接收时间和光波信号在水中的标称折射率，确定激光扫描器2与水上定位器1的相对位置是否发生变化（相对位置的变化具体采用步骤S3~步骤S5来实现），若是，则重新计算激光扫描器2坐标系的XYZ轴与世界坐标系的XYZ轴的夹角余弦值，否则不更新夹角余弦值；之后基于夹角余弦值将测量三维坐标转换至世界坐标系，得到被测目标7的定位坐标。
本方案优选所述发射机为四个，发送光波信号的发射机位于激光扫描器2坐标系的原点，标记其为发射机O3，其余三个发射机标记为发射机X4、发射机Y5、发射机Z6，这三个发射机分别位于激光扫描器2坐标系的XYZ轴上。发射机O3、发射机X4、发射机Y5和发射机Z6分别发射210KHz、250KHz、290KHz和330KHz频率声呐信号。
实施时，本方案优选水上定位器1包括频率复用接收机阵11和分频定位器12；所述频率复用接收机阵11用于接收发射机的声呐信号光波信号；
分频定位器12用于分离不同频率的声呐信号和光波信号，并记录信号接收时间，及确定激光扫描器2与水上定位器1的相对位置是否发生变化、计算夹角余弦值和计算定位坐标。
综上所述，本方案通过声呐信号和光波信号的相互配合，可以将激光扫描器2的高精度坐标数据实时转换为至世界坐标，以得到被测目标7的准确定位坐标。

Claims (8)

1.基于声呐和激光的水下目标定位方法，其特征在于，包括步骤：
S1、采用激光扫描器采集被测目标的测量三维坐标；
S2、接收激光扫描器坐标系下的多个发射机、在同一时刻产生的不同频率声呐信号及其中一个发射机产生的两种不同频率的光波信号，并记录接收时间；
S3、根据发送光波信号的发射机的三个信号接收时间和光波信号在水中的标称折射率，计算发送光波信号的发射机与水上定位器的距离r o：
其中，t 3为发送光波信号的发射机的声呐信号接收时间；t 1和t 2分别为两不同频率光波信号的接收时间；n 1和n 2分别为两个光波信号在水中的标称折射率；v 水声为声呐在水下的传播速度；
S4、根据距离r o及非发送光波信号的发射机对应的声呐信号的接收时间，计算非发送光波信号的发射机到水上定位器的距离：
其中，r X、r Y和r Z分别为三个非发送光波信号的发射机到水上定位器的距离；tX、tY和tZ分别为三个非发送光波信号的发射机对应信号的接收时间；
S5、根据每个发射机与水上定位器的距离，判断相邻两次目标定位时，对应发射机与水上定位器的距离是否相等，若是，则进入步骤S6，否则进入步骤S7；
S6、计算激光扫描器坐标系的XYZ轴与水上定位器所在的世界坐标系的XYZ轴的夹角余弦值，之后进入步骤S7；
S7、基于夹角余弦值将测量三维坐标转换至世界坐标系，得到被测目标的定位坐标。
2.根据权利要求1所述的基于声呐和激光的水下目标定位方法，其特征在于，所述发射机的数量为四个，计算激光扫描器坐标系的XYZ轴与水上定位器所在的世界坐标系的XYZ轴的夹角余弦值的方法包括：
S61、在世界坐标系中移动两次水上定位器，并在每次移动后执行步骤S2~步骤S4，得到水上定位器在新位置时发射机到水上定位器的距离；
S62、根据水上定位器在三个不同位置处每个发射机到水上定位器的距离，采用多边定位法计算每个发射机在世界坐标系中的三维坐标；
S63、根据发射机在世界坐标系的三维坐标，计算激光扫描器坐标系的XYZ轴与世界坐标系的XYZ轴的夹角余弦值，并进行存储，夹角余弦值为：
其中，xc轴、yc轴、zc轴分别为激光扫描器坐标系的XYZ轴；xw轴、yw轴、zw轴分别为世界坐标系的XYZ轴；cos<x c, x w>、cos<x c, y w>、cos<x c, z w>分别为xc轴与xw轴、yw轴、zw轴的夹角余弦值；cos<y c, x w>、cos<y c, y w>、cos<y c, z w>分别为yc轴与xw轴、yw轴、zw轴的夹角余弦值；cos<z c, x w>、cos<z c, y w>、cos<z c, z w>分别为zc轴与xw轴、yw轴、zw轴的夹角余弦值；
为发送光波信号的发射机在世界坐标系的三维坐标；/>、和/>分别为三个非发送光波信号的发射机在世界坐标系的三维坐标。
3.根据权利要求2所述的基于声呐和激光的水下目标定位方法，其特征在于，所述被测目标的定位坐标为：
其中，为被测目标的定位坐标；/>为测量三维坐标。
4.根据权利要求1所述的基于声呐和激光的水下目标定位方法，其特征在于，距离r o的计算模型的构建方法包括：
S31、根据发送光波信号的发射机的光波信号的接收时间和光波信号在水中的标称折射率，分别构建两个光波信号的距离关系式：
其中，C为光速；t 0为发送声呐信号/光波信号的时间；ε为距离与折射率相对误差；
S32、根据两个光波信号到达的时间差分，获得距离与折射率的相对误差的关系式：
；
S33、根据发送光波信号的发射机的声呐信号接收时间，构建声呐信号的距离关系式：
；
S34、根据光波信号的距离关系式和声呐信号的距离关系式，可得：
；
S35、根据相对误差的关系式与步骤S34得到的关系式，得到最终的距离r o的计算模型：
。
5.根据权利要求1-4任一所述的基于声呐和激光的水下目标定位方法，其特征在于，采集被测目标的测量三维坐标之前还包括：
调整激光扫描器和水上定位器，直至激光扫描器位于水面上的水上定位器的正下方，并控制激光扫描器和水上定位器同步行进至测量指定区域；
定义水上定位器所在位置为世界坐标系，激光扫描器和所有的发射机位于同一坐标系。
6.一种应用于权利要求1-5任一所述的基于声呐和激光的水下目标定位方法的水下目标定位装置，其特征在于，包括：
激光扫描器，其位于水面，用于采集被测目标的测量三维坐标；
多个发射器，其安装于激光扫描器上，用于产生不同频率的声呐信号，且其中一个还用于产生至少两种不同频率的光波信号；
水上定位器，用于接收发射器产生的声呐信号和光波信号，并记录每个信号的接收时间；基于接收时间和光波信号在水中的标称折射率，确定激光扫描器与水上定位器的相对位置是否发生变化，若是，则重新计算激光扫描器坐标系的XYZ轴与世界坐标系的XYZ轴的夹角余弦值，否则不更新夹角余弦值；之后基于夹角余弦值将测量三维坐标转换至世界坐标系，得到被测目标的定位坐标。
7.根据权利要求6所述的水下目标定位装置，其特征在于，所述发射机为四个，发送光波信号的发射机位于激光扫描器坐标系的原点，其余三个发射机分别位于激光扫描器坐标系的XYZ轴上。
8.根据权利要求6所述的水下目标定位装置，其特征在于，所述水上定位器包括频率复用接收机阵和分频定位器；所述频率复用接收机阵用于接收发射机的声呐信号光波信号；
所述分频定位器用于分离不同频率的声呐信号和光波信号，并记录信号接收时间，及确定激光扫描器与水上定位器的相对位置是否发生变化、计算夹角余弦值和计算定位坐标。
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王江宏等: "水下声信号空间位置探测研究", 系统仿真技术, vol. 18, no. 1, pages 64 - 72 *

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CN117111070B (zh) 2023-12-26

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