一种全景作业场多参数一体化测量方法及系统

本发明涉及一种适用于保障潜水作业场安全的一体化观测技术，具体涉及一种一种全景作业场多参数一体化测量方法及系统，更具体地，涉及一种利用体积阵设计技术实现多海洋参数一体化测量的方法。

背景技术：

1、潜水作业是高风险作业。水下淤泥、暗流、渔网、水面坠物、以及水下生物袭击等都是潜水员的致命威胁。在潜水作业中，为保障作业安全以及保证作业任务完成，对作业场信息的获取至关重要。目前，在信息获取上主要以多个分立设备的方式实现，例如，利用水下成像声纳获得作业场图像信息，利用测深仪获得地形深度信息，利用侧扫声纳获得地貌信息。多个分立设备同时使用，导致操作复杂，声兼容性差，而且设备之间形成信息孤岛，信息传输不便，缺乏统一的管理机制。常规作业场观测大多采用多个分立设备，导致潜水作业场观测技术目前存在设备多、操作复杂等问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对目前潜水作业场观测需要多设备、操作复杂等问题，设计多参数一体化测量技术，提出了一种全景作业场多参数一体化测量方法及系统。

2、本发明提出了一种全景作业场多参数一体化测量方法，该方法利用平面阵，通过对各个阵元的回波信号充分利用，实现包括地形、地貌和成像的多参数一体化测量；所述方法包括以下步骤：

3、1)设计换能器阵型：采用面阵设计获得立体空间，波束控制采用体积阵设计；并基于换能器的各个阵元发射波束信号，并获取回波信号；

4、2)基于获取的体积阵回波信号，分别进行以下操作：

5、采用线列阵设计地形测量方法，通过航行形成海底地形图像；

6、利用背向散射特性获取地貌信息；

7、对换能器的横向和纵向分别进行波束扫描，形成水下图像。

8、作为上述技术方案的改进之一，所述换能器阵型在布阵时选择二维无稀疏阵元排列。

9、作为上述技术方案的改进之一，所述采用线列阵设计地形测量方法，通过航行形成海底地形图像，具体包括以下步骤：

10、首先基于阵元信号进行空间波束形成，其次进行一维地形测量，采用时间加权方法获取每个波束角下的海底高程信息，并估算每个波束的波束回声到达时刻，从而获取海底位置；然后利用换能器姿态信息完成位置归算，最后形成数字高程模型图。

11、作为上述技术方案的改进之一，所述波束回声到达时刻的表达式为：

12、

13、其中，tc为波束回声达到达时刻，i为离散点，ti为每个离散点对应的时间，ai为每个离散点的强度。

14、作为上述技术方案的改进之一，所述利用换能器姿态信息完成位置归算包括：当换能器存在纵摇或/和横摇时，对海底位置进行修正。

15、作为上述技术方案的改进之一，当所述换能器存在纵摇时，修正的海底位置表达式为：

16、

17、其中，为修正后的海底位置，p为纵摇使得换能器随之绕x轴在yoz面内发生旋转的俯仰角角度，为波束形成后根据波束回声到达时刻得到的未修正的海底位置。

18、作为上述技术方案的改进之一，当所述换能器存在横摇时，修正的海底位置表达式为：

19、

20、其中，r为横摇使得换能器绕y轴在xoz面内发生旋转的横滚角角度。

21、作为上述技术方案的改进之一，所述利用背向散射特性获取地貌信息具体为：在每个波束回波内获得海底的背向散射强度ac，表达式为：

22、

23、作为上述技术方案的改进之一，所述对换能器阵型的横向回波信号进行波束扫描时，经过预成波束得到波束域信号模型，表达式为：

24、x(t)＝as(t)+n(t)

25、其中，a为信号导向矢量，与目标距离阵列的距离和目标入射角度有关，f0为系统工作频率，为第n个阵元与目标之间的距离，n＝1,2,3,…,n，n为阵元个数，rs为声源与基阵中心的距离，θs为导向角，xn为第n个阵元与基阵中心的距离，xn＝(n-1)d，d为相邻阵元间距；s(t)为信号的复包络，为cw信号或chirp信号，n(t)为噪声和干扰信号；

26、将波束域接收信号x(t)以图像形式显示，获得水下图像。

27、本发明还提出了一种全景作业场多参数一体化测量系统，基于上述之一所述方法实现测量，所述系统包括：

28、换能器，采用面阵设计获得立体空间，波束控制采用体积阵设计，用于向水下作业场发射波束信号、接收回波信号；

29、地形测量模块，基于体积阵回波信号，采用线列阵设计地形测量方法，通过航行形成海底地形图像；

30、地貌测量模块，基于体积阵回波信号，利用背向散射特性获取地貌信息；和

31、声学成像模块，基于体积阵回波信号，对换能器阵型的横向和纵向分别进行波束扫描，形成图像。

32、本发明与现有技术相比优点在于：本发明利用平面阵实现地形、地貌、成像等多参数一体化测量，减少了设备数量，简化了操作流程，增强了信息综合利用能力。

技术特征：

1.一种全景作业场多参数一体化测量方法，该方法利用平面阵，通过对各个阵元的回波信号充分利用，实现包括地形、地貌和成像的多参数一体化测量；其特征在于，所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的全景作业场多参数一体化测量方法，其特征在于，所述换能器阵型在布阵时选择二维无稀疏阵元排列。

3.根据权利要求1所述的全景作业场多参数一体化测量方法，其特征在于，所述采用线列阵设计地形测量方法，通过航行形成海底地形图像，具体包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的全景作业场多参数一体化测量方法，其特征在于，所述波束回声到达时刻的表达式为：

5.根据权利要求3所述的全景作业场多参数一体化测量方法，其特征在于，所述利用换能器姿态信息完成位置归算包括：当换能器存在纵摇或/和横摇时，对海底位置进行修正。

6.根据权利要求5所述的全景作业场多参数一体化测量方法，其特征在于，当所述换能器存在纵摇时，修正的海底位置表达式为：

7.根据权利要求5所述的全景作业场多参数一体化测量方法，其特征在于，当所述换能器存在横摇时，修正的海底位置表达式为：

8.根据权利要求1所述的全景作业场多参数一体化测量方法，其特征在于，所述利用背向散射特性获取地貌信息具体为：在每个波束回波内获得海底的背向散射强度ac，表达式为：

9.根据权利要求1所述的全景作业场多参数一体化测量方法，其特征在于，所述对换能器阵型的横向回波信号进行波束扫描时，经过预成波束得到波束域信号模型，表达式为：

10.一种全景作业场多参数一体化测量系统，基于权利要求1-9之一所述方法实现测量，其特征在于，所述系统包括：

技术总结
本发明涉及一种全景作业场多参数一体化测量方法及系统，该方法利用平面阵，通过对各个阵元的回波信号充分利用，实现包括地形、地貌和成像的多参数一体化测量；所述方法包括以下步骤：1)设计换能器阵型：采用面阵设计获得立体空间，波束控制采用体积阵设计；并基于换能器的各个阵元发射波束信号，并获取回波信号；2)基于获取的体积阵回波信号，分别进行以下操作：采用线列阵设计地形测量方法，通过航行形成海底地形图像；利用背向散射特性获取地貌信息；对换能器的横向和纵向分别进行波束扫描，形成水下海底图像。系统包括换能器、地形测量模块、地貌测量模块和声学成像模块。本发明利用平面阵实现了地形、地貌、成像等多参数一体化测量。

技术研发人员：刘佳,许枫
受保护的技术使用者：中国科学院声学研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4