基于声学二维码的水下航行器定位导航装置及方法

本发明属于水下航行器水声，特别涉及一种基于声学二维码的水下航行器定位导航装置及方法。

背景技术：

1、近年来水下航行器得到迅猛发展，在海洋资源开发与利用以及海洋权益维护等任务的驱使下，应用于越来越复杂的环境，如更深和更波动的水域，各种水下通讯方式受到一定挑战。水声技术是水下通讯的重要工具，但目前水声定位和导航的方式比较单一，常用的是借助主动声纳和应答器联合使用的主动应答模式，应答器长期待机耗能量大，复杂水域环境下设备性能稳定性难以保证且造价也相对高昂，难以长期大批量地置于水中或水面作为水下定位导航工具使用。对于无源方式，在空气中声学超表面发展带动下，水下超表面也逐渐有一些应用，如水下声隐身斗篷和声学条形码等，但水下结构弹性效应增加，在声散射效应以及材料和结构尺度上与空气中有较大差别，因此实际水下应用较为有限，用于定位导航的更为少见。借助路上通信基站定位、道路指示标牌和商品二维码的设计理念和方法，提出基于水下无源声学二维码标识牌的定位导航方法，让水下航行器能像空中航行器或陆地上行驶车依据陆地基站或道路标识牌进行定位导航一样，利用携带的主动声纳设备扫描水底声学二维码标识牌，获取大地绝对坐标等位置信息，实现水下精确定位和导航，提高复杂水下环境的下潜作业能力。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种水下航行器的声学定位导航装置及方法，利用角反射体单元产生的强回波以及吸声覆盖层单元的弱回波进行水下二维编码设计，借助水下航行器挂载的侧扫声纳对水底进行波束扫描，对声学二维码标识牌的回波进行特征提取并解码处理，获取水下位置信息，实现水下航行器精确定位导航的目的。该装置使用方便灵活，水下编码装置无需携带主动声源，编码种类多，具有定位稳定持久准确的特点，方便水下航行器导航。

2、本发明的技术解决方案如下：

3、一种水下航行器的声学定位导航系统，其特点在于该系统由声学二维码标识牌和声纳定位装置两个部分组成，声纳定位装置通过发射声波并接收声学二维码标识牌的回波进行处理分析得到水下定位导航信息。

4、声学二维码标识牌安置于水底，该装置由多个黑码和白码单元组成，形成平面分布的、黑白相间的、记录数据符号信号的图形。黑码在编码时代表“1”，白码在编码时代表“0”，黑码和白码呈一定形式排列组成矩阵式二维码，是在一个矩形空间通过黑、白像素在矩阵中的不同分布进行编码。在矩阵相应元素位置上，用方点的出现表示二进制“1”，方点的不出现表示二进制的“0”，方点的排列组合确定了矩阵式二维码所代表的意义。

5、声学二维码标识牌表面划分为代表黑码和白码的正方形网格，每个正方形边长不小于侧扫声纳的沿航迹方向分辨率和垂直航迹方向分辨率，以分辨黑码和白码单元，沿航迹方向分辨率和垂直航迹方向分辨率由航速、航行深度、频率和波束宽度等因素决定。

6、声学二维码标识牌的每个黑码单元由多个角反射体单元并排构造的二维阵列组成，角反射体是由三个钛合金面构造而成的凹四面体，具有高强度、耐腐蚀的优点，适合海水中长期布放。垂直方向入射声波在角反射体单元的三个面上多次散射后通过相位干涉而产生回波增强效应，利用角反射体的强反射特性，黑码单元对侧扫声纳在垂直方向入射的声波形成强反射。角反射体单元之间的背面为泡沫背板，以提高垂直入射声波在反射面上的阻抗失配，充分增强角反射体各个面的反射。角反射体单元凹面内填充硅凝胶，表面覆盖纱布，使得既不影响入射声波的透射和散射也避免外部杂物在角反射体单元中聚积。声学二维码标识牌的每个白码单元由一块吸声面板和碳纤维板复合叠加而成，吸声面板采用橡胶类强吸声材料，使得白板既具有较强吸声和透声特性又有一定强度保证标识牌平面构型。

7、声学二维码为由小四边形单元组成的正四边形状，按照功能划分为定位区域、内容区域和验证区域，共有n2个网格单元。定位区域为二维码的三个角处较大的黑码，共3个单元，在对声纳回波进行成像处理后，可利用三个黑码区域来确定二维码的图像位置，进一步根据三个黑码区域相对位置调整二维码姿态，而不受海底背景干扰，实现快速稳定的特征读取。

8、内容区域为除了定位区域外的非对角线单元，共(n2-n-2)个单元，根据计算机二进制规则，将航行器经纬度坐标或水下标识牌编号变换成由1和0组成的二进制指示符，对声学二维码内容区域的二维码按照行列顺序赋值为坐标二进制指示符，按照比特数进行计算，得到航行器经纬度坐标，或者得到定位站编号，对应查到航行器经纬度坐标。二维码呈对称分布，在横竖方向重复编码以提高解码容错率，可编码信息单元数为(n2-n-2)/2。当两侧码颜色相同时，认为该位置正确；当两侧码不同时，认为是黑码的概率大于白码，并记录其具有不确定性。对角线两侧的二进制符号排序以角线为对称轴一一对应。

9、验证区域为对角线处除了定位区域一个黑码外的单元，共n-1个单元。将对角线处的二进制换算为十进制数后，对编码内容的十进制数后几位之和进行验证和修改，进一步提高容错率。根据对角线编码单元数(n-1)，其二进制能得到的最大十进制数(2n-1)，来判断对编码内容的十进制数的尾数是否一致。当尾数不一致时，统计分析内容区域中所有不确定性单元黑白情况，对各种结果与对角线区域结果进行对比判断最大概率的解码结果。

10、声纳定位装置由侧扫声纳和信号解码器组成，侧扫声纳安装在水下航行器底部，朝下发射声波束并接收水底回波信号，经过成像处理得到声纳图像，再由信号解码器进行解码处理，实现对声学二维码标识牌的识别，获取水下定位导航信息。

11、侧扫声纳可采用技术较为成熟稳定的微小型外悬挂式一体化侧扫声纳，能够挂载在各类水下无人平台auv、uuv、rov、水下滑翔机、水面无人船以及各种小型载体上，发射高频单频或调频信号窄波束，沿航迹方向航行过程中对水底进行扫描，接收水底回波并通过信号处理对水下声学二维码标识牌以及地形进行清晰成像，具有体积小、重量轻、功耗低的优点，其声纳图像传输至信号解码器进行二次处理。

12、信号解码器对侧扫声纳得到的声纳图像进行二次处理，首先根据二维码的定位区域对二维码进行图像定位，根据三个黑码区域相对位置调正二维码的姿态，然后对二维码的内容区域的黑码和白码按照行列顺序构造1和0组成的指示符，对其按照计算机二进制规则进行比特数计算，得到航行器经纬度坐标，或者得到水下标识牌编号，对应查到航行器经纬度坐标，实现水下航行器的定位导航。

13、利用上述水下航行器定位导航装置进行定位导航的方法，该方法包括以下步骤：

14、1)根据定位坐标设计声学二维码，声学二维码分为定位区域、内容区域和验证区域。将待定位处的经纬度坐标或者定位站编号，按照比特数进行换算成由1和0组成的二进制指示符，按照行列顺序将黑白码赋值到声学二维码的内容区域，在横竖方向重复编码以提高解码容错率。声学二维码正四边形的三个角区域设置为黑码，为定位区域，以便利用三个黑码区域来确定二维码的图像位置。

15、2)设计声学二维码标识牌的单元尺寸，声学二维码标识牌由代表黑码和白码的正方形网格组成，每个正方形边长不小于侧扫声纳的沿航迹方向分辨率和垂直航迹方向分辨率，以分辨黑码和白码单元，沿航迹方向分辨率和垂直航迹方向分辨率由航速、航行深度、频率和波束宽度等因素决定。

16、3)根据二维码制作声学二维码标识牌并置于航道水底标识处。每个黑码单元由多个角反射体单元并排构造的二维阵列组成，角反射体是由三个钛合金面构造而成的凹四面体，具有高强度、耐腐蚀的优点，适合海水中长期布放。垂直方向入射声波在角反射体单元的三个面上多次散射后通过相位干涉而产生回波增强效应，利用角反射体的强反射特性，黑码单元对侧扫声纳在垂直方向入射的声波形成强反射。角反射体单元之间的背面四面体空隙用泡沫填充，以提高垂直入射声波在反射面上的阻抗失配，充分增强角反射体各个面的反射。黑码单元表面覆盖纱布，以避免外部杂物在角反射体单元中聚积但不影响入射声波的透射和散射。声学二维码标识牌的每个白码单元由一块吸声面板和碳纤维板复合叠加而成，吸声面板采用橡胶类强吸声材料，使得白板既具有较强吸声和透声特性又有一定强度保证标识牌平面构型。

17、4)选取技术较为成熟稳定的微小型外悬挂式一体化侧扫声纳，挂载在所需定位导航的水下航行器载体的侧下方，如各类水下无人平台auv、uuv、rov、水下滑翔机、水面无人船以及各种小型载体。水下航行器沿航迹方向航行过程中对水底进行扫描，并不断发射高频单频或调频信号窄波束，接收水底回波。

18、5)通过中值滤波、变换域滤波、图像形态学滤波等方法对窄波束回波进行去噪和边缘提取，并对目标区域进行图像增强，获取水下声学二维码标识牌以及地形的实时清晰成像，以便进行二维码定位和解码处理。

19、6)信号解码器对侧扫声纳得到的声纳图像进行二次处理，首先根据二维码的定位区域对二维码进行图像定位，根据三个黑码区域相对位置调正二维码的姿态，然后对二维码的内容区域的黑码和白码按照行列顺序构造1和0组成的指示符，对其按照计算机二进制规则进行比特数计算，得到航行器经纬度坐标，或者得到水下标识牌编号，对应查到航行器经纬度坐标，实现水下航行器的定位导航。

20、本发明具有以下优点：

21、(1)本发明二维编码设计灵活，存储信息量大，容错能力强；

22、(2)本发明属于被动识别装置，水下编码装置无需携带主动声源，空间占用率小，便于水底布放并长期静置，具有定位稳定持久准确的特点；

23、(3)本发明利用角反射体回波增强技术，回波稳定易于检测，解码成功率高，声学定位可靠性好。