CN117930206A - 用于水面无人艇的海底地形测量系统及测量数据校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于水面无人艇的海底地形测量系统及测量数据校正方法，其技术特点在于：根据海洋环境的不同对多波束系统误差进行简单分析，根据各误差之间的相互影响，提出了基于傅里叶变换算法，进行声速校正多波束声呐多波束声呐的方法。介绍了多波束声呐系统原理、多波束声呐工作原理、傅里叶变换算法原理、试验数据预处理，再分析多波束声呐误差和声速校正原理、方法。最后水面无人艇搭载多波束声呐在某试验海域进行海底地形地貌测量试验，试验结果显示基于声速校正的海洋测量无人艇多波束声呐能提高海底地形地貌测量精度。

Description

用于水面无人艇的海底地形测量系统及测量数据校正方法

技术领域

本发明属于无人船舶控制技术领域，尤其是用于水面无人艇的海底地形测量系统及测量数据校正方法。

背景技术

我国拥有广阔的海洋领土和丰富的海洋资源，为了维护我国的海洋权益，我们亟需保护海洋国土，并进行海洋资源调查、海洋环境监测、海上救援和航道测量等活动。在这些活动中，高精度的水下地形地貌信息至关重要。

为了获得准确的水下地形地貌信息，多波束声纳起着重要的作用，它是海洋环境测量仪器中至关重要的一种。通过多波束声纳可以进行高精度的水下测量，得到水下地形的详细信息。这对于我们进行海洋资源勘探、海洋环境监测以及潜艇救援和航道测量等任务非常关键。因此，对于我国来说，多波束声纳在海洋活动中的重要性不言而喻。它可以为我们提供准确的水下地形地貌信息，以便我们更好地维护海洋国土的权益，开展海洋资源的勘探，保护海洋环境和进行海上救援等任务。我们需要持续投资和发展多波束声纳技术，以确保我们在海洋事务中具备精确的数据支持，并为我国的海洋利益做出积极贡献。

水面无人艇是一种无人驾驶的船舶，具备自主导航和自主控制等特点。它在海洋勘探、海洋环境监测和海上救援等领域具有广泛的应用价值，因此越来越多的高校和研究机构开始投入相关研究。多波束声呐是一种高精度的水下探测设备，可以提供水下目标位置、海底地形地貌以及海洋深度等信息。将多波束声呐装载到水面无人艇上可以实现对海底地形地貌的测量和绘制。我们研制的海洋测量无人艇主要用于综合测量海洋环境。例如，我们可以通过测量海洋地形、水深、海底地貌、海洋表层底质、海洋浅层剖面、海洋磁力、海洋重力以及潮汐变化等参数来获取详细的海洋信息。此外，还可以进行声速剖面、海水密度、海水温度、海水盐度、海流和波浪、潮汐变化以及海水透明度等测量。通过进行这些测量，我们可以编制各种海图和数字绘图，为水面舰船、潜艇的安全航行提供支持，同时也有助于探测海底资源。这些海洋测量无人艇的应用可广泛用于海洋领域的观测和研究，为海洋科学和相关领域的发展提供重要数据支持。

多波束声呐和侧扫声呐的测点密度非常高，但仅能提供水深信息。为了获得准确的位置信息，需要与定位系统配套使用。然而，如果定位不准确或定位系统与多波束声呐存在时间延迟，就会导致测点错位，进而造成地形失真。此外，还有一些其他因素可能对数据产生影响，例如多波束声呐和传感器的完全整合、换能器的安装偏差、海洋噪声的干扰以及不同深度的海水声速变化等。如果这些数据不经过校正和剔除，会导致探测目标的深度和位置信息发生改变，甚至可能扭曲目标的外观。在海洋测绘领域中，特别注重对多波束声纳每条测线的数据质量要求，以确保精确的条带拼接技术。因此，为了保证测绘数据的准确性，需要对多波束声呐和侧扫声呐数据进行校正和处理。这包括对定位系统进行精确校准，减少时间延迟，以确保测点位置的精准一致。同时需要考虑多波束声呐和传感器的完整整合，纠正换能器的安装偏差，并尽量减少海洋噪声的影响。此外，还需要根据不同深度的海水声速变化，进行相应的校正，以确保获得准确的测点深度和位置信息。通过进行这些校正和处理，我们可以获得更可靠、准确的海洋测绘数据，为条带拼接技术提供可靠的数据基础，从而进一步提高测绘结果的质量和可信度。

海洋测量无人艇搭载的最重要的测量仪器为多波束声呐、侧扫声呐、ADCP、声速剖面仪、表层声速仪等，如何根据现有的多波束声呐来高效获取海洋水深、水下地形地貌信息是重点，如何提高多波束声呐数据准确性和可靠性是难点。然而，由于水面无人艇的运动状态和水下环境的复杂多变，多波束声呐的探测结果可能存在误差和偏差，需要进行校正和修正。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出用于水面无人艇的海底地形测量系统及测量数据校正方法，从声速校正多波束声呐的技术角度出发，利用声速剖面仪探测海洋不同深度声速剖面变化，同时提出基于傅里叶变换算法的声速校正多波束声呐多波束声呐，提高多波束声呐对海底地形进行测量测绘的精度。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

用于水面无人艇的海底地形测量系统，包括多波束声呐水下换能器、多波束声呐SIM单元、信息处理计算机、GPS、光纤罗经、声速剖面仪、ADCP、表层声速仪和侧扫声呐，其中，多波束声呐水下换能器连接多波束声呐SIM单元，多波束声呐SIM单元、GPS、光纤罗经、声速剖面仪、ADCP、表层声速仪和侧扫声呐分别连接信息处理计算机，GPS连接舰艇天线，信息处理计算机通过图传电台与岸基软件监控台连接，其中，多波束声呐水下换能器、多波束声呐SIM单元、声速剖面仪、ADCP安装于水面无人艇底部，信息处理计算机用于接收多波束声呐、侧扫声呐、表层声速仪和声速剖面仪的测量数据信息，同时接收光纤罗经、GPS输出的定位信息和时间信息，以上数据信息通过无人艇艇端的显示器进行显示；操控人员在无人艇艇端进行多波束声呐、侧扫声呐的参数设置与数据显示，无人艇系泊航行试验时在艇端配置多波束声呐、侧扫声呐；通过无线图传电台与案件软件监控台进行数据通讯，操控人员可以远程设置多波束声呐、侧扫声呐的参数，同时具备远程实时显示水面无人艇海洋地形测量信息。

而且，所述多波束声呐、ADCP和表层声速仪的安装方使用T型法兰结构件，T型法兰安装结构件，将多波束声呐、单波束声呐(测深仪)、ADCP安装在该法兰结构件中，表层声速仪和浅层剖面仪固定安装在法兰结构侧面，再将该法兰结构件安装于水面无人艇月池结构中。

而且，所述侧扫声呐的搭载方式为在无人艇艏部分使用拖曳绞车、尾部收放支架、拖曳式绞车走线搭载方式，保证水面无人艇测量作业时侧扫声呐稳定可靠地工作。

而且，所述声速剖面仪的搭载方式为在无人艇艏部分使用垂直收放绞车和月池结构搭载方式，水面无人艇测量作业时，垂直收放绞车放下声速剖面仪进行制定深度的定点声速测量作业。

用于水面无人艇的海底地形测量系统的测量数据校正方法，包括以下步骤

步骤1、获取声速测量数据；

步骤2、对声速测量数据进行傅里叶变换；

步骤3、将不同频率下的声速信号傅里叶系数按谐波信息进行分组；

步骤4、对每个谐波分量进行线性回归得到谐波系数；

步骤5、对声速测量数据进行自适应估计和校正；

步骤6、根据步骤5的结果对多波束声呐测深系统校正。

本发明的优点和积极效果是：

本发明根据海洋环境的不同对多波束系统误差进行简单分析，根据各误差之间的相互影响，提出了基于傅里叶变换算法，进行声速校正多波束声呐多波束声呐的方法。介绍了多波束声呐系统原理、多波束声呐工作原理、傅里叶变换算法原理、试验数据预处理，再分析多波束声呐误差和声速校正原理、方法。最后水面无人艇搭载多波束声呐在某试验海域进行海底地形地貌测量试验，试验结果显示基于声速校正的海洋测量无人艇多波束声呐能提高海底地形地貌测量精度。本发明通过傅里叶变换算法对实际海洋环境中测试得到的声速剖面仪数据进行试验，如图8所示，海洋测量无人艇在该片海域开展海底地形地貌测量工作试验。如图9所示，海底地形测量效果图。试验结果表明傅里叶变换算法能够更好的去除还暗影环境带来的误差和干扰信号，具有较好的自适应性和鲁棒性，能够实现高精度、高可靠的测深数据测量，更高对声速进行校正，达到校正多波束测深系统的目的，提高海洋测量无人艇搭载多波束声呐进行海底地形地貌测量精度和效率。

附图说明

图1是本发明水面无人艇搭载多波束声呐示意图；

图2是本发明多波束测深系统组成示意图；

图3是本发明多波束声呐测深示意图；

图4是本发明多波束声呐数据处理流程图；

图5是本发明声速剖面对测深数据影响分析示意图；

图6是本发明海洋测量无人艇搭载海底地形测量系统示意图；

图7是本发明算法流程图；

图8是本发明海洋测量无人艇执行海底地形测量任务示意图；

图9是本发明海洋测量无人艇搭载海底地形测量效果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详述。

一种水面无人艇故障监测方法及装置，设计基于芯片STM32F769和AM3352硬件电路和嵌入式Linux系统软件实现水面无人艇系统的故障在线监测。通过多种传感器(电流传感器、温湿度传感器)实现对水面无人艇进行实施监测，同时通过CAN总线、RS422、千兆以太网对无人艇的主控制器、柴油主机、无线通信电台、北斗、光电设备、导航雷达等设备进行运行状态报文信息监控。设计的故障监测装置软件可以对无人艇系统发生的故障进行故障诊断和失效分析，对部分可以恢复的故障进行故障恢复，降低故障对整个无人艇系统的影响程度，对于故障监测装置监测到的不可处理故障，通过软件界面弹窗进行故障报警，岸基无人艇操控人员及时发现故障信息并进行维修，缩短无人艇故障排查及故障维修的时间，提高无人艇故障监测与故障维修效率，提高水面无人艇的系统安全性和可靠性。

一种用于水面无人艇的海底地形测量系统及测量数据校正方法，具体实现方法如图1所示。水面无人艇搭载多波束声呐如图1所示，多波束声呐环能器、声速剖面仪、ADCP安装于水面无人艇底部，侧扫声呐通过拖曳绞车与尾部支架进行拖曳式安装与作业。针对不同深度的海水声速会有不同程度的变化，这些变化会导致声波在水中发生声线弯曲，影响测量的深度和位置信息的问题。设计的水面无人艇海底地形测量系统，如图2所示，主要设备：多波束声呐水下换能器、多波束声呐SIM单元、信息处理计算机、GPS、光纤罗经、声速剖面仪、ADCP、表层声速仪、侧扫声呐。信息处理计算机接收多波束声呐、侧扫声呐、表层声速仪、声速剖面仪的测量数据信息(海底地形测量信息、海洋声速剖面、多波束声呐安装处的声速信息)，同时接收光纤罗经、GPS输出的定位信息和时间信息，以上数据信息通过无人艇艇端的显示器进行显示。操控人员可以在无人艇艇端进行多波束声呐、侧扫声呐的参数设置与数据显示，无人艇系泊航行试验时可以在艇端配置多波束声呐、侧扫声呐。通过无线图传电台与案件软件监控台进行数据通讯，操控人员可以远程设置多波束声呐、侧扫声呐的参数，同时具备远程实时显示水面无人艇海洋地形测量信息。

一种用于水面无人艇的海底地形测量系统及测量数据校正方法，具体实现方法，海洋测量无人艇上的多波束测深工作原理如图3所示，多波束测深系统换能器由多波束声呐内部的多个阵列组成，工作时发射阵和接收阵指向性相互正交，可以测量出一系列垂直航向的剖面深度，这些深度值构成一个测量条带，条带区域相互重叠即可得到海底的地形图。海洋测量无人艇的多波束测深系统为美国R2 Sonic 2024多波束声呐测深系统，Sonic2024多波束测深系统主要由水下换能器和SIM单元两部分组成，水下换能器包括发射换能器、接收换能器，发射换能器呈扇形发射声呐信号，声呐信号在水中传播时被海底或其他物体反射，反射信号同时被接收换能器内的独立声学基元接收，通过测量特定角度下反射信号的往返时间，计算得到不同角度的水深数据。在忽略声线弯曲的前提下有：

D＝υtsinθH＝υtcosθ

式中D为换能器正下方水深；H为目标到换能器水底投影的长度。

Sonic 2024多波束测深系统从水下换能器的发射器发射波束，当波束遇到海底障碍物即发射回来，又由水下换能器的接收器接收。

多波束声呐每次采集大量的数据，这些数据包含波束角、返回时间、定位、航向等信息，需要对这些数据进行编辑处理。而且由于系统和海洋环境的影响，这些初始数据中还会包含大量的噪声，如果不对这些噪声予以去除，会严重影响多波束的成图质量。因此需要对原始数据进行滤波处理，根据水下测量深度数据的特点滤除异常值，提高测量精度，多波束测深系统数据处理流程如图4所示。

多波束系统依靠声波在水中的传播参数来探测海底，海水各剖面层对于声速的传播特性不断发生变化，因此声线方向会不断发生偏折和弯曲，如果不考虑声线弯曲或者声剖面计算偏差会导致海底地形发生失真。而且由于海水的高流动性，水介质受到天气、洋流和季节的变化影响很大，这些特征的变化必然会导致声剖面的改变，从而影响测深精度，因此对声速进行修正是确保多波束探测精度的重要因素。

如图5所示，在海洋中，声波向海底传播，每经过一条声速层会发生一次折射，声波逐渐向较小声速剖面层方向靠近，遵循定律，实际的声波路径是由一条条折线构成的，即发生声线弯曲。因为多波束利用声线追踪来获得海底信息，所以声线弯曲的存在会改变声波到达海底的位置。

如下图6所示由多波束声呐和声速剖面仪组成的水面无人艇海洋测量测量测绘系统。声速剖面仪广泛用于水下环境中声波传播特性的调查和测量。声速剖面仪可以测量不同深度下的水体物理参数，并生成声速剖面图。多波束声呐测深系统利用了声速剖面仪的结果，从而提高了测量的准确性。使用声速剖面仪时，需要利用下降探头进行深度测量。下降探头会记录下水体温度、盐度、水压等参数，并计算声波在水中的传播速度。这些参数对声波在水中的传播速度起着至关重要的影响。因此，在进行深度测量时，需要将探头下沉到不同深度，并记录水中声速随深度变化的情况。通过利用声速剖面仪的结果，我们可以建立声速与深度的关系模型，为多波束声呐测深系统提供精确的声速衰减系数信息。这可以提高多波束声呐测深系统的测量准确度和可靠性。

如下图6所示设计的安装多波束声呐、ADCP、声速剖面仪、表层声速仪。设计的安装法兰结构，如图6中所示，在水面无人艇前部采用月池设计与法兰结构，将多波束声纳、ADCP、单波束声纳安装在法兰结构中，减小水面无人艇航行过程中水泡对多波束声纳换能器、ADCP换能器、单波束换能器的影响，且可以实现海底地形高效测量。如图6所示，无人艇表面设计搭载两部绞车，其中采用较大的绞车与拖曳支架实现拖曳式侧扫声纳收放，实现水面无人艇拖曳式搭载侧扫声纳进行海底地形测量。另外一部小绞车通过月池实现垂直收放表层声速仪，测量指定地点海域不同深度的海水声速剖面。

假设我们将水介质分成一系列分层，其中每层声速在水平方向上是均匀的，但在垂直方向上存在变化。这样的分层方式可以根据水介质的声速特性将水体分成不同的层。然而，需要注意的是，如果每个声速层的厚度较大，可能会导致在同一层中存在不同声速的情况。因此，在进行分层处理时，我们需要考虑数据的准确性，尽量降低每层声速层的厚度，并确保层数足够多。通过减小每层声速层的厚度，我们可以更好地捕捉到水体垂直方向上的声速变化。这有助于提高测量结果的准确性和可靠性。因此，在选择分层方式时，我们应该尽量将声速层的厚度降低，以获得更精细的分层结果。通过这种方式，我们可以更好地理解水体的声速特性，并在声速剖面分析中得到更准确的结果。准确的声速剖面数据可以为多波束声呐测深系统提供更可靠的参考，从而提高深度测量的准确性。

假设声速剖面由一系列分层组成，声速在水平方向均匀，只在垂直方向发生变化，那么根据水介质的特性，将水介质分成不同声速特性的层。如果每层声速层厚度较大，可能会存在同声速层出现不同声速的现象，所以在分层的时候要考虑数据的准确性，尽可能将声速层的厚度降低，使层数足够大。那么根据Snell定量有：

式中，θ_i为第i层折射角；C_i为第i层声速；Δt_i为声波在第i层传播时间；d_i为第i层厚度。

根据以上各式子，已知C₁、C₂、Q₁，可计算出Q₂，用相同的方法迭代可求出Q₃、θ₄Λθ_n，于是可是可以求出Δt_i，代入求得水平距离X和水深Y的值。

对声速修正的误差分析，首先对函数X、Y两边全微分，得到：

将代入，得到：

同理可得：

利用函数误差传播定律公式可得：

式中，m_c为声速误差；m_θ为横摇角度误差。

由于声速剖面仪精度高，造成的误差很小，横摇角度误差可以通过横摇校正实现修正，所以对多波束系统来说，声速误差主要在于声速剖面的厚度和发射角的大小。在测量的过程中，要对测区声速变化提前进行研究，科学地布设测点密度，声速分层一般小于1米。完成声速修正后，一般对数据结果进行检测。

在一处平坦海域，设置两条相互垂直的测线，检测中央波束和边缘波束所测水深，如果、处水深相同，那么声速修正数值正确，否则，检测处的水深，因为都是中央波束，水深应该相同，如果发生水深不同的情况，则是因为换能器吃水引起的其它垂直方向的偏差。在水深相同情况下，检查处的水深值，如果相同，表明声速修正正确，如果不同，需要重新对声速进行修正。

多波束声呐测深过程中，海水中声波的传播速度受多个因素的影响，包括温度、盐度、压力等。此外，地球自转也会对声速产生变化。由于海洋环境和机械装置的特性，测量到的声速往往受到多种噪声的干扰。为了提高多波束声呐测量海底地形地貌的准确性和精度，傅里叶变换算法被提出并应用。傅里叶变换算法利用声速随时间变化的特性，试图恢复声速的真实数值。通过对测量到的声速数据进行傅里叶变换，我们可以将声速信号转换为频域中的频率分量。通过分析这些频率分量的特征，可以判断是否存在噪声成分，并对其进行适当的滤除。通过应用傅里叶变换算法，我们可以降低信号中噪声的影响，并获得更准确的声速测量结果。这有助于提高多波束声呐测深系统对海底地形和地貌的测量准确性和精度。通过利用傅里叶变换算法来处理多波束声呐测量中的声速数据，可以降低噪声引起的误差，并更准确地恢复声速的真实数值。这有助于提高海洋测绘中对海底地形和地貌的测量质量，为海洋研究和资源勘探等应用领域提供更可靠的数据支持。

傅里叶变换算法对声速时间序列进行傅里叶变换，提取出时间序列的振幅、相位和频率信息，并采用边际化技术在滤波的同时，寻找相应的谐波分量。该算法采用联合估计法，通过将声速和谐波系数联合起来，建立一个参数化的模型来描述声速和谐波系数的关系，从而优化声速和谐波系数的求解问题，得到最优的报告值，实现声速的自动校正。

傅里叶变换算法是一种基于傅里叶变换和线性回归的自适应声速校正算法。通过对声速谐波分析，并通过回归分析的方法自适应地估计和校正声速测量数据中的噪声和误差，提高声呐测深系统的测量精度和准确性。

利用声速剖面仪进行N组声速测量数据S＝{S₁,S₂,...,S_n}，该声速测量数据可以表示为一个含有N个采样点的时间序列s(t)。将时间序列的傅里叶系数表示为F(m,k)，其中m表示第m个采样点，k表示傅里叶谐波的阶数。傅里叶变换算法声速测量数据的自适应校正公式为：

其中，H_k表示询问的阶数，A(m,k)表示相应傅里叶系数的振幅，表示相应傅里叶系数的相位，c_k表示相应谐波的系数。

在傅里叶变换算法中，将声速测量数据进行傅里叶变换，并计算出声速信号在不同频率下的傅里叶系数。然后，我们根据声速信号的谐波特性，对其进行自适应估计和校正，得到准确的声速测量数据，从而对多波束声纳测量数据进行校正，提高海底地形测量精度。

如图7所示，在傅里叶变换算法中，首先水面无人艇多波束声呐测深系统收集多波束声呐、声速剖面仪的时间序列数据，并对其进行声速分析、傅里叶变化等预处理步骤，提出时间序列中的振幅、相位和频率等特征。从时间序列中抽取出谐波系数，并利用回归分析、统计学方法仅谐波系数的估计和优化，得到谐波系数的最优报告值。再根据声速和谐波系数支架的关系，通过声速和谐波系数联合求解问题，优化声速的计算结果，得到最优声速报告值。最后，对声速数据进行自适应校正，对多波束声呐测深数据及海底地形探测结果进行校正和分析。

通过以上的配置，水面无人艇搭载海底地形测量系统及海底地形测量校正方法。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.用于水面无人艇的海底地形测量系统，其特征在于：包括多波束声呐水下换能器、多波束声呐SIM单元、信息处理计算机、GPS、光纤罗经、声速剖面仪、ADCP、表层声速仪和侧扫声呐，其中，多波束声呐水下换能器连接多波束声呐SIM单元，多波束声呐SIM单元、GPS、光纤罗经、声速剖面仪、ADCP、表层声速仪和侧扫声呐分别连接信息处理计算机，GPS连接舰艇天线，信息处理计算机通过图传电台与岸基软件监控台连接，其中，多波束声呐水下换能器、多波束声呐SIM单元、声速剖面仪、ADCP安装于水面无人艇底部，信息处理计算机用于接收多波束声呐、侧扫声呐、表层声速仪和声速剖面仪的测量数据信息，同时接收光纤罗经、GPS输出的定位信息和时间信息，以上数据信息通过无人艇艇端的显示器进行显示；操控人员在无人艇艇端进行多波束声呐、侧扫声呐的参数设置与数据显示，无人艇系泊航行试验时在艇端配置多波束声呐、侧扫声呐；通过无线图传电台与案件软件监控台进行数据通讯，操控人员可以远程设置多波束声呐、侧扫声呐的参数，同时具备远程实时显示水面无人艇海洋地形测量信息。

2.根据权利要求1所述的用于水面无人艇的海底地形测量系统，其特征在于：所述多波束声呐、ADCP和表层声速仪的安装方使用T型法兰结构件，T型法兰安装结构件，将多波束声呐、单波束声呐(测深仪)、ADCP安装在该法兰结构件中，表层声速仪和浅层剖面仪固定安装在法兰结构侧面，再将该法兰结构件安装于水面无人艇月池结构中。

3.根据权利要求1所述的用于水面无人艇的海底地形测量系统，其特征在于：所述侧扫声呐的搭载方式为在无人艇艏部分使用拖曳绞车、尾部收放支架、拖曳式绞车走线搭载方式，保证水面无人艇测量作业时侧扫声呐稳定可靠地工作。

4.根据权利要求1所述的用于水面无人艇的海底地形测量系统，其特征在于：所述声速剖面仪的搭载方式为在无人艇艏部分使用垂直收放绞车和月池结构搭载方式，水面无人艇测量作业时，垂直收放绞车放下声速剖面仪进行制定深度的定点声速测量作业。

5.一种如权利要求1至4任一项所述的用于水面无人艇的海底地形测量系统的测量数据校正方法，其特征在于：包括以下步骤

步骤1、获取声速测量数据；

步骤2、对声速测量数据进行傅里叶变换；

步骤3、将不同频率下的声速信号傅里叶系数按谐波信息进行分组；

步骤4、对每个谐波分量进行线性回归得到谐波系数；

步骤5、对声速测量数据进行自适应估计和校正；

步骤6、根据步骤5的结果对多波束声呐测深系统校正。