本发明属于航运领域中的超声探测技术，具体涉及一种基于单波束测探技术的浅水随波扫描探测系统及其工作方法。
背景技术
众所周知，我国是一个海洋大国，且岛屿众多。在这样的资源情况下，我国制定了一系列海洋战略规划，涉及近海岸治理规划、填海造陆、海港测绘等工程问题，这些战略规划对浅水水下地形探测提出了更多需求。另一方面，对于内陆江河湖泊问题，我国将在全国湖泊全面实施湖长制，对各湖泊实行网格化管理，严格湖泊水域空间管控等问题。这些战略、政策预示着浅水探测的需求和测探作业量将大大增加。这些新形势决定了一种经济适用、小型高效的浅水测探设备亟待开发。
在水下探测中，探测的一个重要参数就是水深，目前已有水下探测技术大致有以下几种：船载声纳探测、机载激光探测、潜水器探测和星载多光谱水深测量。当前应用比较广泛的是船载声纳探测和机载激光探测，其中船载声纳探测因其成本较低，是我国水深测量主要使用手段。船载声纳探测方法主要原理是利用船载声纳设备并结合gps定位技术进行现场观测。船载声纳设备类型主要有回声探测仪、多波束探测系统、侧扫声纳仪等几种，该测量方法是当前最可靠和最有效的水深测量手段。
回声测深探测仪一般情况是指单波束回声测深探测仪，通过换能器发出声波，在水下传输到达水底反射回来，根据声波在水中传播的速度和整个过程经历的时间，计算出换能器离水底的高度，然后加上水面到换能器的高度就可以计算出水的深度。回声测深探测仪可以快速、连续的测量到水深数据。传统的测深探测仪基本是单波束的，测量覆盖面小，测量效率比较低。
多波束测深系统是在单波束回声测深仪的基础上发展起来的，最初的设计构想就是为了提高水深测量效率，可以获得一个条带覆盖区域内多个测量点的海底深度值，实现了从“点-线”测量到“线-面”测量的跨越。
多波束测深系统的工作原理是利用发射换能器阵列向海底发射宽扇区覆盖的声波，利用接收换能器阵列对声波进行窄波束接收，通过发射、接收扇区指向的正交性形成对海底地形的照射脚印，对这些脚印进行恰当处理，一次探测就能给出与航向垂直的垂面内上百个甚至更多的海底被测点的水深值。
虽然多波束测深系统有着很多单波束测深系统无法比拟的缺点，但是其系统的复杂性也导致了设备成本较高，且多波束一次需要发射多个波束，每个波束的带宽比较窄，发射多个波束需要的发射功率增加，导致测探设备较为耗电和体积庞大。另一方面，目前的多波束测深系统都是面向深水探测的，一个波束往返的时间长，只能增加多个波束来扩大探测范围，提高探测效率。若直接把多波束测深系统用于浅水探测不合适，原因为：1）多波束测深系统体积庞大，设备笨重，要求船体比较大，因此吃水深，有可能在浅水区域搁浅无法行进，特别是礁石较多，水深受潮汐影响较大的区域。2）多波束测深系统的多个波束控制复杂，对浅水来说有点大材小用，且价格昂贵不适合多点布置探测或者多个巡航探测。另外昂贵的价格使得设备数量受限，难以覆盖广阔的水域，探测效率无法提高。因此，针对近岸水下探测，亟需一种体积小、成本低、操作简单、使用灵活的探测设备。多波束测探系统的这些特点决定了其用于浅水探测不经济、不合理。
波浪起伏使水中的船只摇摆不定一直是探测中尽量想避免和解决的一个棘手的问题，很多船只人为再负载一定的重量，使船只能抵抗一定的风浪。但对于单波束技术来说本专利拟把此缺点加以利用从而变成优点，利用波浪的起伏来进行多角度的探测，以便扩大探测范围，达到在一个探测点上就能探测较大区域的效果，从而比拟多波束技术。同时对每次探测结果根据波浪带给换能器的倾斜角度来进行矫正，并结合gps模块实时记录换能器的gps坐标进行水平坐标的矫正，以获得精确坐标下的水下资源状况信息。
综上，单波束技术相对于多波束技术更适合浅水探测，且单波束系统的简便性使得它可以很容易做到利用波浪效应做到随波扫描。由此在具有经济性优势的前提上又增加了高效性。鉴于上述理由，我们提出一种基于单波束技术的随波扫描探测系统。此系统基于单波束探测技术，但又较单波束技术更有效率，利用了波浪效应达到扫描探测的效果，且该系统设备简易小巧，设计制造简单，成本较低廉，适合在浅水探测下广泛大面积应用。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对近海、湖泊等浅水应用场景下的探测问题，在已有的单波束和多波束测探设备皆不能很好的满足该浅水下的应用需求的情况下，提出一种简易高效、经济适用的基于单波束技术的随波扫描探测系统及其工作方法。
从整个系统组成来看，具体包括水上随波扫描探测端和远程控制端，这两部分通过无线网络传输数据及控制指令等信息。水上随波扫描探测端安装在船只上，采集随波扫描的探测数据和波浪描述数据；远程控制端无线发送探测信号和控制指令给水上随波扫描探测端，接收水上随波扫描探测端传来的探测数据和波浪描述数据，以及根据探测数据和波浪描述数据自适应调整发射信号速率。
一种基于单波束的浅水随波扫描探测系统，包括水上随波扫描探测端和远程控制端；水上随波扫描探测端实现水上探测工作和数据发送工作；远程控制端实现数据处理功能和远程控制功能；水上随波扫描探测端和远程控制端通过网络传输实现实时交互。
进一步的，所述水上随波扫描探测端由四个模块组成，分别为超声探头阵列，gps模块，船姿传感器，数据控制和传输单元。超声探头阵列包含1个发送探头和若干个接收探头集成在一个板上，发送探头负责发射超声波，接收探头负责接收探测回波。本系统采用单波束技术，故发送探头采用1个，接收探头为多个。gps模块为探测提供坐标定位。船姿传感器采集船只在波浪下的角度信息，包含俯仰角，横滚角和偏向角，由于是波浪产生的，而且随波浪起伏变化，故总称为波浪描述数据。数据传输与控制单元控制探测过程，并且进行数据存储和发送，负责接收远程控制端发来的各项数据及参数，并发送给对应系统模块，从而实现对水上随波扫描探测端的各项模块的控制。此外，它还负责将超声探头阵列接收的回波数据与船姿传感器采集的波浪描述数据存储并通过无线网络发送至远程控制端。
进一步的，所述远程控制端包含网络传输单元、数据处理单元和总控单元，通过与水上随波扫描探测端实时数据交互来控制探测过程。它一方面接收水上随波扫描探测端传来的探测数据并保存，然后根据收到的探测数据计算距离，并根据船姿传感器的波浪描述数据进行深度校正和坐标校正，从而计算出实际gps坐标点上的实际的水深。此外，它还根据波浪描述数据计算角度的变化速率，从而感知波浪摇摆大小，根据所计算的水深和感知的波浪大小来调整发射信号的发射速率。另一方面，远程控制端具有控制水上随波扫描探测端的功能，产生指定参数的发射信号并发送至水上随波扫描探测端，通过向水上随波扫描探测端发送船只运动控制指令控制探测船只的运动。
进一步的，所述随波扫描的原理阐述如下：
在某个探测点，即某个gps坐标点上，当探测船在没有波浪作用水平面静止时或者在波浪的作用下超声探头阵列正好和水平面的倾斜角为0度时，探测到超声探头阵列正下方的中心点。当船在波浪作用下摇摆，超声探头阵列偏离水平面，和水平面有一定的倾斜角，此时实际探测点不再是中心点，而是偏离中心点一段距离。随着波浪起伏，超声探头阵列与水平面的倾斜角加大，实际探测点就会逐渐远离船只正下方的中心点，从而形成一定的探测范围。因而在波浪的作用下，在一个探测点不仅可以探测正下方，还会探测正下方周围的区域，故称为随波扫描。
上述深度校正和坐标校正阐述如下：
由于在波浪作用下，超声探头阵列和水平面的倾斜角不为0度时，此时的探测距离不是实际水深，实际探测点的坐标也不是船只的gps坐标，故需要进行校正。深度校正和坐标校正借助水上随波扫描探测端的船姿传感器和gps模块实现。船姿传感器记录船体的俯仰角，横滚角，偏向角，根据这三个角度参数，经由几何坐标变换计算出超声探头阵列相对于大地坐标系水平面的倾斜角，该倾斜角结合超声波探测距离即可计算出探测点实际的校正水深，由此实现深度校正。船只传感器记录的偏向角为船只船头指向偏移正北方向的角度，该偏向角结合gps模块记录的船只gps坐标进行坐标校正，得到实际探测点的校正坐标。本系统具有根据波浪强度和水深自适应调整超声波发送探头发射信号的发射速率的功能。本系统通过船姿传感器获取三个角度参数，远程控制端根据此计算超声探头阵列的倾斜角，从而得知倾斜角变化速率，即可感知波浪大小，倾斜角变化速率大则波浪大，倾斜角变化速率小则波浪小。另外，远程控制端根据探测数据计算水深。然后根据所计算的水深和感知的波浪大小来调整发射信号的发射速率，由此便可以将超声波发送探头的超声波发射速度设计为与船只的倾斜角变化速率相适应。当远程控制端检测到水深距离小，或者波浪小时，则减小发射信号发射速率，以免探测同一地方；当远程控制单元检测到船水深距离大，或者波浪大时，则增大发射信号发射速率，提高探测点的密度。
本发明一种基于单波束的浅水随波扫描探测系统的探测过程如下：
步骤一：远程控制端产生指定参数的发射信号、设置控制探测端运动的指令，并通过网络传输至水上随波扫描探测端。
步骤二：水上随波扫描探测端接收远程控制端发来的数据，并按照一定的路径开始在水面行驶，同时超声探头阵列开始工作，超声发送探头把发射信号转换成超声波发射出去。
步骤三：超声接收探头接收反射回波，形成探测数据。同时，小船上的船姿传感器采集波浪描述数据，gps模块记录gps坐标。
步骤四：水上随波扫描探测端将回波数据和波浪描述数据、gps坐标发送给远程控制端。
步骤五：远程控制端接收水上随波扫描探测端传来的探测数据并保存，然后进行一系列计算。先根据收到的探测数据计算距离，然后根据船姿传感器的波浪描述数据计算超声探头阵列的倾斜角。结合探测距离和倾斜角，进行深度校正计算；结合船姿传感器的偏向角和gps坐标进行坐标校正计算，从而得出实际探测点的校正深度，并将计算所得结果保存。
步骤六：远程控制端通过多次计算出的超声探头阵列的倾斜角，计算倾斜角变化速率，从而判断出波浪的大小。
步骤七：远程控制端根据所计算的水深和感知的波浪大小来调整发射信号的发射速率。远程控制端检测到水深距离小，或者波浪小时，则减小发射波发射速率，以免探测同一地方；当远程控制单元检测到船水深距离大，或者波浪大时，则增大发射波发射速率，提高探测点的密度。
值得注意的是上述的描述都是针对一个接收探头接收的信号，每个接收探头接收的信号都是同样的处理。
本发明对于现有装置及技术具有如下优点和效果：
(1)本发明在利用波浪作用的前提下进行了系统设计和数据的运算处理，系统设计充分捕捉了波浪对测船的作用，数据处理流程保证了波浪因素下水深数据的准确性，从而达到了随波扫描的效果。通过随波扫描增加了探测范围，变不利因素为有利因素，提高测探效率。
(2)本装置系统通过船姿传感器进行深度校正，通过一系列坐标系换算及几何数学运算，得出实际探测点的校正深度，方法简单便捷。
(3)本系统通过结合上述深度校正和gps模块来进行坐标校正，那么在波浪下测船发生倾斜时也可得到校正gps坐标的实际探测点，从而给出真正精确的地形地貌图。
(4)本系统根据船只的倾斜角变化速率来判断波浪大小，调整发射波的发射速率，从而根据波浪来自适应控制探测的快慢。
(5)本系统根据检测到的水深来自适应调整发射波的发射速率，以免漏检。
(6)本系统实现了船体与探测设备设计一体化，无需利用船舶安装探测仪器，下水即可测探，且采用无人小船装载的方式，远程遥控探测路径，无需人力干预，节省人力成本，实现了探测自动化。
(7)本系统针对浅水探测，相比各种传统探测设备成本更低，造型简便小巧，探测更快捷高效。简便小巧的设计使得该系统装置更具有拓展性，成本较低，后续易于实现多只小船集群编队探测，这将为更大地提高探测效率和准确性提供了更多发挥的空间。
附图说明
图1是本发明的系统组成结构图；
图2是本发明的水上随波扫描探测端模块构成示意图；
图3是本系统随波扫描原理示意图；
图4是波浪效应下的深度校正原理图；
图5是波浪效应下的坐标校正原理图；
图6是本系统的工作流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅仅用以解释本发明专利，但并不限定在本专利，需要指出的是，本发明关键在于对浅水水深测探场景下提出的利用波浪效应实现随波扫描技术设想，涉及的超声波测距技术，单波束水深探测等，都是现有成熟的技术方案，以下若有特别详细说明的测探原理或过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
如图1所示为本系统的组成结构图。本系统包括水上随波扫描探测端和远程控制端，这两部分通过无线网络传输数据及控制指令等信息。水上随波扫描探测端安装在船只上，采集随波扫描的探测数据和波浪描述数据；远程控制端无线发送探测信号和控制指令给水上随波扫描探测端，接收水上随波扫描探测端传来的探测数据和波浪描述数据，以及根据探测数据和波浪描述数据自适应调整发射信号速率。
如图2所示为本系统水上随波扫描探测端模块组成示意图。水上随波扫描探测端的四个组成模块有：超声探头阵列，gps模块，船姿传感器，数据控制和传输单元。其中，gps模块为探测提供坐标定位，实时记录换能器的gps坐标，为后期的地形建模提供坐标数据。
超声探头阵列包含1个发送探头和若干个接收探头集成在一个板上，发送探头负责发射超声波，接收探头负责接收探测回波。本系统采用单波束技术，故发送探头采用1个，接收探头为多个，且无需考虑复杂的换能器基阵设计和波束频带问题，单波束换能器可采用较宽的频带，从而降低发射功率，就可以降低能耗，从而大大延长测船的续航时间。
船姿传感器采集船只在波浪下的角度信息，包含俯仰角，横滚角和偏向角，由于是波浪产生的，而且随波浪起伏变化，故总称为波浪描述数据。根据这三个船姿参数，经由几何坐标变换可计算出超声探头阵列平面相对于大地坐标水平面的倾斜角，由此便可进行深度校正，该倾斜角结合偏向角可计算实际探测点的校正坐标。
数据控制和传输单元一方面负责接收远程控制端发来的数据，另一方面负责将水上随波扫描探测端采集的数据通过网络传输发送至远程控制端。其中远程控制端发送的数据包含发射信号数据，控制船只运动的数据，发送至远程控制单元的数据包含探测数据、gps坐标、波浪描述数据，如此通过数据交互从而实现水上随波扫描探测端和远程控制端的实时控制。
如图3为深度校正计示意图，超声发送探头中心位置为o，其竖直下方为d，在船体无摇摆时，该点即为通常的水深探测的中心点。当超声探头阵列相对于水平面倾斜角为α时，由于超声波垂直于换能器平面发射，如图射线oa为实际超声波传播路程，a点为回波点，即为实际探测点。当船体在波浪效应下继续摇摆，换能器平面与水平面倾斜角增大为β角，同样地，由于超声波垂直于换能器平面发射，如图射线ob为实际超声波路程，b点为回波点，即为实际探测点。随着波浪起伏，超声探头阵列与水平面的倾斜角加大，实际探测点就会逐渐远离船只正下方的中心点，从而形成一定的探测范围。因而在波浪的作用下，在一个探测点不仅可以探测正下方，还会探测正下方周围的区域，故称为随波扫描。
上述中的实际探测点a和b需要通过深度校正来得到其对应的校正深度，而且它们的gps坐标也不是船只的gps坐标，故需要进行校正。
如图4所示为图3中换能器倾斜角为α时情形下的深度校正。o为换能器平面中心位置，d为换能器正下方的水底位置，当换能器随船在波浪作用下发生倾斜时，倾斜角α可根据船姿传感器的船姿参数计算得出，超声波实际传播路径为oa，其中a为超声波在水底的回波点处，可通过延时计算得到oa路径的距离为s，然后根据三角函数运算可计算b点实际深度为h=s
如图5所示为换能器倾斜角为α时的坐标校正运算示意图。图中所绘坐标系为大地坐标系，o为换能器平面中心位置，d为测船正下方的水底位置，α为倾斜角，a为回波位置，即为实际探测点，图中所标示的s为超声波经历路程的距离，h为实际水深。由船姿传感器可知船只船头指向，经由坐标系转换可知实际探测点在大地坐标系xoy平面内的两个夹角，即为图中所示的
如图6所示是本系统的大致工作流程图。
本系统工作流程阐述如下：
步骤一：远程控制端产生指定参数的发射信号、设置控制探测端运动的指令，并通过网络传输至水上随波扫描探测端。
步骤二：水上随波扫描探测端接收远程控制端发来的数据，并按照一定的路径开始在水面行驶，同时超声探头阵列开始工作，超声发送探头把发射信号转换成超声波发射出去。
步骤三：超声接收探头接收反射回波，形成探测数据。同时，小船上的船姿传感器采集波浪描述数据，gps模块记录gps坐标。
步骤四：水上随波扫描探测端将回波数据和波浪描述数据、gps坐标发送给远程控制端。
步骤五：远程控制端接收水上随波扫描探测端传来的探测数据并保存，然后进行一系列计算。先根据收到的探测数据计算距离，然后根据船姿传感器的波浪描述数据计算超声探头阵列的倾斜角。结合探测距离和倾斜角，进行深度校正计算；结合船姿传感器的偏向角和gps坐标进行坐标校正计算，从而得出实际探测点的校正深度，并将计算所得结果保存。
步骤六：远程控制端通过多次计算出的超声探头阵列的倾斜角，计算倾斜角变化速率，从而判断出波浪的大小。
步骤七：远程控制端根据所计算的水深和感知的波浪大小来调整发射信号的发射速率。远程控制端检测到水深距离小，或者波浪小时，则减小发射波发射速率，以免探测同一地方；当远程控制单元检测到船水深距离大，或者波浪大时，则增大发射波发射速率，提高探测点的密度。