[發明專利]一種適應于全海深的面陣三維成像聲吶點位歸算方法

有效

• 申請號: 202310196222.4
• 申請日: 2023-03-03
• 公開（公告）號: CN115856898B
• 公開（公告）日: 2023-05-16
• 發明（設計）人: 卜憲海;竇帥兵;陽凡林;石波;羅宇;馬躍;云天宇
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: G01S15/89
• 分類號: G01S15/89;G01S15/88;G01S15/06;G01S7/52
• 代理公司: 青島智地領創專利代理有限公司 37252
• 代理人: 王鳴鶴

本發明公開一種適應于全海深的面陣三維成像聲吶點位歸算方法，屬于超聲波測量技術領域，用于聲吶點位的歸算，包括考慮二維面陣橫縱兩方向波束導向作用，并分別在接收面陣橫縱兩方向構建圓錐面波束能量幾何分布模型，據此解算換能器坐標系下波束單位入射向量方向，進而根據姿態設備記錄的換能器姿態角和換能器自身的安裝偏差角，計算波束空間入射角；最后根據記錄的波束旅行時間和定位設備記錄的地理坐標，實現三維成像聲吶探測點聲線跟蹤和地理坐標歸算。本發明結合二維面陣波束形成原理，以波束導向作用下圓錐面狀波束能量交叉為數學模型，有效彌補了當前全海深面陣三維成像聲吶點位歸算技術的空缺，具有可行性和實際參考意義。

技術領域

本發明公開一種適應于全海深的面陣三維成像聲吶點位歸算方法，屬于超聲波測量技術領域。

背景技術

目前，高精度高分辨率的海底地形地貌和水下目標探測需求日益增多，常規的探測手段主要包括多波束測深、側掃聲吶探測和前視聲吶探測等技術，這些探測技術在海道測量、各類海洋工程測量以及水下目標探測應用廣泛。然而，隨著水下目標精細化探測和監測需求的增加，尤其是以ROV和AUV等水下潛器的高速發展，將探測設備搭載在這些水下潛器進行海底地形地貌和目標物高精度精細化探測正成為民用和軍用行業里的研究熱點，如鉆井平臺情況的監控、海底地形地貌的探測、海底礦產探測、沉船打撈、水下爆炸物的探測識別、水下AUV避障和保障航行安全等。三維成像聲吶技術可以直觀的了解水下的各種情況，是當前較為理想的探測方法，該項技術可實時快速獲取目標物的高分辨率的三維信息，探測點數量是常規多波束探測點數量的數倍，滿足諸多海洋探測及相關行業的需求。所以，三維成像聲吶系統的研究與應用得到了越來越廣泛的關注。

當前三維成像聲吶系統從原理上可分為三類，主要包括一維線陣為基礎的掃描聲吶、二維面陣成像聲吶和聲透鏡技術成像聲吶。掃描聲吶原理與三維激光掃描儀相似，即在一個方向上形成多波束，在另一個方向上進行機械掃描，從而獲取目標的三維信息；面陣成像聲吶是利用二維面陣，通過在面陣兩個方向進行波束形成，進而在垂直、水平、距離三個方面直接獲得分辨率，再通過計算機合成具有高分辨率的三維信息；聲透鏡成像聲納則利用聲波的聚焦原理獲取目標的實時圖像。掃描聲納和二維面陣成像聲納應用較為廣泛，引起廣大研究者的關注，然而，針對三維成像聲納波束點位置精確歸算的研究相對較少，大部分集中在T型或L型的線陣聲納，公開的二維成像聲納波束位置計算鮮有報道。

發明內容

本發明的目的在于提供一種適應于全海深的面陣三維成像聲吶點位歸算方法，以解決現有技術中，三維成像聲納波束點位置精確歸算方法未結合二維面陣波束形成原理，從而導致精度不足的問題。

一種適應于全海深的面陣三維成像聲吶點位歸算方法，采用三維成像聲吶測量系統，三維成像聲吶測量系統包括水下測量成像部分和定位導航部分，所述水下測量成像部分采用固定在探測載體的面陣三維成像聲吶，隨探測載體運動，獲取探測目標和海底地形的三維信息，所述定位導航部分結合水下定位設備和姿態測量設備，獲取水下載體的定位定姿以及航向信息；

一種適應于全海深的面陣三維成像聲吶點位歸算方法包括：

步驟1：對三維成像聲吶測量系統進行標定，確定面陣三維成像聲吶、水下定位設備和姿態測量設備之間在載體上的空間相對位置與角度關系；

步驟2：建立聲吶換能器坐標系O_t-XYZ，基于波束導向原理，在接收面陣橫縱兩方向構建圓錐面波束能量幾何分布模型，兩方向圓錐面相交方向即為聲吶換能器坐標系下波束入射向量方向，所述面陣橫縱兩方向具體為垂直航向X方向和沿航向Y方向；

步驟3：以單位長波束入射向量為基準，以XO_tY面作為平行換能器接收陣列面，構建XO_tY面的投影面，波束探測點為橫向波束圓錐面與縱向波束圓錐面在投影面形成的兩雙曲線交點，根據橫向波束導向角和縱向波束導向角計算得到雙曲線參數；