基于两台垂直布置的识别声呐的水下目标空间位置计算方法与流程

本发明属于水下目标定位领域，尤其涉及一种基于两台垂直布置的识别声呐的水下目标空间位置计算方法。

背景技术：

现有的水下定位技术，按照是否需要设置声基阵，可分为水声定位技术和激光遥感技术两大类。其中，水声定位是目前应用最广泛的一种水下定位技术。根据声学定位系统定位基线的长度，传统上将定位系统分为3种类型：长基线定位系统(lbl)、短基线定位系统(sbl)和超短基线定位系统(ssbl/usbl)。此外水声定位系统还和其它定位系统结合，形成组合定位系统，例如gps和水声系统的组合。上述几种水声定位系统都有应答器或应答器基阵、换能器等组成，需要被定位目标与定位设备的互相通信，这不能满足所有的定位需求，而采用识别声呐进行水下定位是一种新思路。

识别声呐是一种利用多元超声波线阵在水下发射很窄(水平方向一般0.3°以下)的波束并接收其回波信号，以回波信号强弱为像素点亮度形成扫描线，通过扫描一定角度构成平面图像的水下探测设备。因此识别声呐可以获知目标在声呐图像中的方位角和斜距，但却不能分辨处于同一斜距、同一方位角度下不同深度处的目标，即不能获取目标的三维位置，所以识别声呐不能直接用于水下目标定位。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述不足，提供一种基于两台垂直布置的识别声呐的水下目标空间位置计算方法。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种基于两台垂直布置的识别声呐的水下目标空间位置计算方法，包括以下步骤：

(1)识别声呐布置：将两台识别声呐互相垂直的布置在水中，一台横滚角为0度、一台横滚角为90度，并保证两台识别声呐的探测范围重叠；

(2)数据获取：获取两台识别声呐采集的水下数据；

(3)目标提取：分别从两台识别声呐获取的水下数据中计算目标的位置，目标的位置由目标斜距和方位角确定；

(4)空间位置计算：利用垂直放置的识别声呐获取目标斜距和方位角，计算得到目标在波束范围中的深度信息；利用水平放置的识别声呐获取目标斜距和方位角，计算得到目标在波束范围中相对两声呐连线方向的偏移信息，最后根据任一目标斜距可以得到目标在波束范围中的第三维坐标。

进一步的，所述识别声呐发射多波束，并通过接收的回波数据组成声呐图像。

进一步的，所述步骤(3)具体如下：

通过背景去除手法从两台识别声呐采集的声呐图像中分别提取目标，首先选定图像阈值τ，对信号强度值f>τ判定为目标，否则为背景，从而获得目标在声呐图像中的位置在声呐图像的水平视场中建立坐标系，以扇环的圆心为坐标原点，中轴线为y轴，因此目标在坐标系中的位置可以写成(xh,yh)，其中

进一步的，所述步骤(4)具体如下：

以垂直放置的识别声呐为坐标原点记为o1，水平放置的识别声呐所在位置记为o2，两台识别声呐的连线方向为y轴，竖直向上为z轴，依据右手坐标系建立空间坐标系；假设点p(x,y,z)是被测目标，点px是点p在x轴上的投影，点pz是点p在z轴上的投影。

令|o1p|＝r1，|o2p|＝r2，其中r1是目标在垂直放置的识别声呐中的斜距，r2是目标在水平放置的识别声呐中的斜距，则是目标在垂直放置的识别声呐中的方位角，同理是目标在水平放置的识别声呐中的方位角；则同样可以获取o2pz的长度为所以目标在空间范围内的y坐标值为因此可以获得目标的空间坐标p(x,y,z)。

本发明的有益效果如下：本发明针对识别声呐只能获取其探测范围内目标的斜距与方位角信息，不能获知深度信息导致不能获得目标的空间位置的特点，利用两台同型号且互相垂直布置的识别声呐同时获取水下目标信息，提取目标在声呐图像中的斜距与方位角，分别计算目标在声呐波束范围中的偏移距离获得其在水下的空间位置。本发明提供的方法简单易行，并能为水下目标三维影像重构和水下移动目标的空间位置获取、三维定位及跟踪等提供技术基础。

附图说明

图1是本发明方法的系统布置图；

图2是本发明中识别声呐的水平视场图；

图3是本发明中计算空间位置的模型图；

图中：第一识别声呐1、第二识别声呐2、笔记本电脑3。

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图对本发明做进一步详细说明，但本发明不仅局限于此。

识别声呐的种类很多，这里以一款双频识别声呐为例(但不限于此)进行实施方案的说明。双频识别声呐是一种利用声学透镜发射独立波束的多波束系统。它由三块透镜和换能器阵列组成，其中三块透镜分别是平凹透镜、平凸透镜和双凹透镜，并由聚甲基戊烯材料制成。换能器阵列由96个排列成直线型的独立阵元组成。当96个换能器阵元形成一个阵列同时工作时，接收到的回波信号可以组成一幅声学影像图，在波束探测范围内的物体也将呈现在声学影像图上。

本发明通过垂直布置两台双频识别声呐、识别声呐数据获取、目标提取、空间位置计算等步骤实现水下目标空间位置的获取，下面针对每一步展开详细说明，并以第一步中的布置方式为例进行计算。

第一步，布置两台识别声呐。如图1所示，将两台识别声呐(第一识别声呐1和第二识别声呐2)相距12米布置在水下10厘米处，并假设两识别声呐连线方向为偏航角0度，则布置第一识别声呐1的横滚角为0度，俯仰角为30度并倾斜向下，偏航角为α＝10°；第二识别声呐2的横滚角为90度，俯仰角为β＝30°并倾斜向下，偏航角为0度；为了保证两台识别声呐的探测范围重叠，将两台识别声呐的最大探测距离调节至8米；同时两台声呐的数据接口都和同一台笔记本电脑3相连。

第二步，获取识别声呐数据。将两台识别声呐与一台笔记本电脑3相连，保证了两台识别声呐采集水下数据的同步性；采集的水下数据组成一幅声呐图像，并设置两台识别声呐以同样的采集速率进行工作，10帧图像每秒。

第三步，提取目标。通过背景去除手法从两台识别声呐采集的声呐图像中分别提取目标。选定合适的图像阈值τ，对信号强度值f>τ判定为目标，否则为背景，从而获得目标在声呐图像中的位置在声呐图像的水平视场中建立坐标系，如图2所示，以扇环的圆心为坐标原点，中轴线为y轴，因此目标在坐标系中的位置可以写成(xh,yh)，其中

第四步，计算空间位置。

建立如图3所示的空间坐标系，以第一识别声呐1为坐标原点记为o1，第二识别声呐2所在位置记为o2，两台识别声呐的连线方向为y轴，竖直向上为z轴，依据右手坐标系建立空间坐标系；假设点p(x,y,z)是被测目标，点px是点p在x轴上的投影，点pz是点p在z轴上的投影。

根据步骤三中的说明，|o1p|＝r1，|o2p|＝r2，其中r1是目标在第一识别声呐1中的斜距，r2是目标在第二识别声呐2中的斜距，则是目标在第一识别声呐1中的方位角，同理是目标在第二识别声呐2中的方位角；则同样可以获取o2pz的长度为所以目标在空间范围内的y坐标值为因此可以获得目标的空间坐标p(x,y,z)。