本发明涉及水下定位技术领域，尤其涉及一种寻鱼系统及应用该寻鱼系统的水下扫描探测方法。
背景技术
寻鱼器是一种察看鱼情的辅助配件，适用于钓鱼爱好者及捕鱼者在江河、胡海等地方钓鱼和捕鱼。寻鱼器可以方便地帮主钓鱼爱好者及捕鱼者判断出谁的深度、鱼或鱼群的多少及深度等信息。
现有技术的寻鱼器是利用声呐技术直接探测和识别水中的物体和水底的轮廓。声呐传感器发出声波信号，当遇到物体后会反射回来，依据反射时间及回波信号可以判断声呐传感器探测锥角范围内是否存在鱼群。然而，现有寻鱼器存在以下缺陷：
首先，现有寻鱼器多数为单一声呐传感器，只能判断出鱼群是否在锥角范围内，并不能给出在锥角范围内明确的方向信息。其次，寻鱼器会随着水面的波动造成超声波的摆动，从而扩大了探测的偏差。再次，现有寻鱼器是以最大声学回波点作为水底深度值，不能反映水底的真实地形起伏。
因此，有必要提出一种新型的寻鱼系统及应用该寻鱼系统的水下扫描探测方法，以满足寻鱼便捷性和准确性的要求。
技术实现要素：
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种高精度寻鱼系统及应用该寻鱼系统的水下扫描探测方法。
为达成上述目的，本发明提供了一种寻鱼系统，包括寻鱼器、计算单元和转换单元。其中寻鱼器包括声呐收发换能器和姿态传感器，其中声呐收发换能器用于发射超声波信号以及接收超声波回波信号；姿态传感器用于测量当前所述寻鱼器的三维姿态方位数据。计算单元用于根据所述声呐收发换能器接收的超声波回波信号计算出水下目标至所述寻鱼器的距离，并确定所述水下目标在第一参考坐标系中的坐标值；所述第一参考坐标系以所述寻鱼器为原点、以所述水下目标至所述寻鱼器的连线为z轴；转换单元用于将所述水下目标在所述第一参考坐标系中的坐标值转换至第二参考坐标系以得到所述水下目标在所述第二参考坐标系中的坐标值，其中所述第二参考坐标系是以所述寻鱼器为原点的站心坐标系。
优选地，所述寻鱼系统还包括旋转驱动单元，用于驱动所述寻鱼器自旋转。
优选地，所述寻鱼器还包括频率调节单元，用于改变所述声呐收发换能器发出的超声波信号的频率。
优选地，所述寻鱼系统还包括：驱动单元，用于驱动所述寻鱼器在一个时间周期内多次发射超声波信号；所述计算单元根据所述声呐收发换能器接收的多个超声波回波信号的强度计算出水下目标至所述寻鱼器的距离，并确定所述水下目标在第一参考坐标系中的坐标值。
优选地，所述寻鱼系统还包括无线传输单元，用于将所述寻鱼器的三维姿态方位数据和所述水下目标在所述第二参考坐标系中的坐标值发送至远端显示屏。
根据本发明的另一方面，还提供了一种应用上述寻鱼系统的水下扫描探测方法，包括以下步骤：
发射超声波信号以及接收超声波回波信号；
测量所述寻鱼器的三维姿态方位数据；
根据接收的超声波回波信号计算出水下目标至所述寻鱼器的距离，并确定所述水下目标在第一参考坐标系中的坐标值；所述第一参考坐标系以所述寻鱼器为原点、以所述水下目标至所述寻鱼器的连线为z轴；以及
将所述水下目标在所述第一参考坐标系中的坐标值转换至第二参考坐标系以得到所述水下目标在所述第二参考坐标系中的坐标值，其中所述第二参考坐标系是以所述寻鱼器为原点的站心坐标系。
优选地，所述水下扫描探测方法还包括驱动所述寻鱼器自旋转以在不同方向发射超声波信号。
优选地，所述水下扫描探测方法还包括：
在一个时间周期内多次发射超声波信号；
根据接收的多个超声波回波信号的强度计算出水下目标至所述寻鱼器的距离，并确定所述水下目标在第一参考坐标系中的坐标值。
优选地，所述水下扫描探测方法还包括将所述寻鱼器的三维姿态方位数据和所述水下目标在所述第二参考坐标系中的坐标值发送至远端显示屏。
相较于现有技术，本发明提供的寻鱼系统，通过加入了姿态传感器能够实时得到水下目标的距离和方向信息，从而确定水下目标的准确位置。此外，本发明在只使用一个寻鱼器的情况下，通过改变寻鱼器姿态和/或改变声纳工作频率能够实现较高精度的水下扫描。
附图说明
图1所示为本发明一实施例的寻鱼系统的方块图；
图2和图3所示为本发明一实施例的寻鱼器的声呐收发换能器工作在不同频率的示意图；
图4所示为本发明一实施例的第一参考坐标系和第二参考坐标系的示意图；
图5所示为本发明一实施例的水下扫描探测方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电气连接。对于本领域技术人员而言，可以根据具体情况理解上述属于在本发明中的具体含义。
图1所示为本发明的寻鱼系统的方块图，如图所示，本发明的寻鱼系统包括一个寻鱼器1、计算单元2和转换单元3。其中，寻鱼器1包括声呐收发换能器11和姿态传感器12。
声呐收发换能器11是寻鱼器1的重要部件，用于发射和接收超声波回波信号。本实施例中，声呐收发换能器为主动声呐收发换能器。声呐换能器包括圆形压电材料，其以特定频率振动产生超声波。众所周知，超声波具有良好的指向性，声波束能集中在特定方向。在圆形压电材料半径不变的情况下，频率越高，指向性开角越小。请参见图2，较佳地，本实施例中，声呐收发换能器11可以工作在多个频率点，低频时具有较大的波束开角(101)；高频时开角变小(102)。为实现声呐收发换能器工作频率可调，本发明的寻鱼器还可包括一个频率调节单元，其用于生成不同频率的信号并进行模数转换放大等处理后施加到声呐换能器的压电材料上，最后由声呐换能器将超声波发射出去。如此一来，用户可根据需求调节超声波波束的开角范围。请参见图3，在本发明的另一较佳实施例中，寻鱼系统还包括一个旋转驱动单元，用于驱动寻鱼器进行自旋转运动。寻鱼器在自旋转运动过程中，根据其开角大小可以实现圆形(200)或环形(201)的声呐扫描，进一步扩大水下扫描探测范围。
声纳收发换能器11发出超声波信号后，开始接收被水下目标所返回的超声波回波信号，然后将其转换为电信号发送至计算单元2。计算单元2根据超声波往返时间差以及回波信号特征计算出寻鱼器至水下目标的距离值。计算单元可采用现有的主动声呐测距法对接收到的超声波回波信号进行处理得到距离值，在此不再另行赘述。需要强调的是，计算单元2在根据声呐收发换能器11接收的超声波回波信号计算出水下目标至寻鱼器1的距离后，更进一步确定水下目标在第一参考坐标系中的坐标值。这里所说的第一参考坐标系指的是以寻鱼器为原点、以水下目标至寻鱼器的连线为z轴的坐标系，其中向上为z轴正向。请参照图4，第一坐标系为xyyyzy坐标系，寻鱼器位于坐标原点oy。水下目标在第一参考坐标系中的坐标值为(0，0，l)，这里的l为负值。较佳地，本实施例中，寻鱼系统还可包括一个驱动单元，用于驱动寻鱼器在一个时间周期内多次发射超声波信号。例如，在1秒中内发射20次超声波信号。由于时间周期非常短暂，可以认为寻鱼器在该时间周期内没有发生位移变化。对于每次发射的超声波信号，都有一个对应的回波信号。回波信号强度最强时可以认为水下目标位于超声波波束的中轴线，由此就可以确定出第一参考坐标系的z轴。因此，计算单元根据每次声呐收发换能器接收的超声波回波信号的强度来计算出水下目标至寻鱼器的距离。具体地是选取信号强度最大的超声波回波信号对其进行信号处理得到水下目标的距离值及水下目标在第一参考系中的坐标值。
请继续参考图1和图4，与现有技术相比，本发明的寻鱼器还包括了姿态传感器12，姿态传感器也可以成为(称为)惯性测量单元(inertialmeasurementunit，简称imu)，其内置加速度计、陀螺仪和地磁传感器，可以在不需要额外参考的情况下利用基于四元数的三维算法和特殊数据融合技术，实时输出以四元数、欧拉角表示的零漂移三维姿态方位数据。由于姿态传感器输出三维姿态方位数据为现有技术，本申请中不再另行赘述。本实施例中，以输出四元数为q0，q1，q2和q3对后续坐标转换做进一步说明。
转换单元3接收计算单元输出的水下目标在第一参考坐标系中的坐标值以及姿态传感器输出的寻鱼器三维姿态方位数据(以四元数q0，q1，q2和q3表示)，之后将水下目标在第一参考坐标系中的坐标值转换至第二参考坐标系以得到水下目标在第二参考坐标系中的坐标值。这里所说的第二参考坐标系是以寻鱼器为原点的站心坐标系，即寻鱼器为原点、向上为正(天向z轴)，y轴与椭球短半轴重合(北向)，x轴与地球椭球的长半轴重合(东向)所构成的直角坐标系。请参见图4，第二参考坐标系以xbybzb来表示，寻鱼器所在的原点ob与第一参考坐标系的原点oy重合。转换单元3将水下目标的坐标值转换到第二参考坐标系中，得到新的坐标值rb：
由此，可以确定水下目标相对于当前寻鱼器的方向和坐标。根据以上可知，本发明的寻鱼系统，即使寻鱼器随着水面波动发生倾斜或摆动，也可以实时得到水下目标准确的方位信息。
较佳地，寻鱼器1中还包括无线传输单元，无线传输单元可将寻鱼器的三维姿态方位数据和水下目标在第二参考坐标系中的坐标值发送至远端显示屏，如手机或电脑的显示屏幕上，供工作人员参考。
请参考图5，本发明还提供了一种应用于上述寻鱼系统的水下探测扫描方法，其包括以下步骤：
s1：发射超声波信号以及接收超声波回波信号；
s2：测量寻鱼器的三维姿态方位数据；
s3：根据接收的超声波回波信号计算出水下目标至寻鱼器的距离，并确定水下目标在第一参考坐标系中的坐标值；所述第一参考坐标系以寻鱼器为原点、以水下目标至寻鱼器的连线为z轴；以及
s4：将水下目标在第一参考坐标系中的坐标值转换至第二参考坐标系以得到水下目标在第二参考坐标系中的坐标值，其中所述第二参考坐标系是以寻鱼器为原点的站心坐标系。
较佳地，步骤s1中在一个短暂的时间周期内多次发射超声波信号，步骤s3中在接收的多个超声波回波信号中，根据强度最大的超声波回波信号来计算出水下目标至寻鱼器的距离，从而确定水下目标在第一参考坐标系中的坐标值。
此外，在整个水下扫描探测过程中，还可以驱动寻鱼器自旋转以在不同方向发射超声波信号，进一步扩大扫描探测的范围。
综上所述，本发明的寻鱼系统，通过加入了姿态传感器能够实时得到水下目标的距离和方向信息，从而确定水下目标的准确位置。此外，本发明在只使用一个寻鱼器的情况下，通过改变寻鱼器姿态和/或改变声纳工作频率就能够实现较高精度的水下扫描。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。