本發(fā)明屬于水下目標(biāo)定位領(lǐng)域，尤其涉及一種基于兩臺(tái)識(shí)別聲吶的水下目標(biāo)空間位置計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

識(shí)別聲吶是一種利用多元超聲波線陣在水下發(fā)射很窄(水平方向一般0.3°以下)的波束并接收其回波信號(hào)，以回波信號(hào)強(qiáng)弱為像素點(diǎn)亮度形成掃描線，通過掃描一定角度構(gòu)成平面圖像的水下探測設(shè)備。它可以在昏暗的渾水中生成幾乎等同光學(xué)影像質(zhì)量圖像的高清晰圖像，其主要運(yùn)用在漁業(yè)管理、結(jié)構(gòu)檢測、管道泄漏、水底探測、水下搜尋、水下安檢等方面，具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、可靠耐用等特點(diǎn)。

由于識(shí)別聲吶的成像原理是利用超聲波線陣收發(fā)信號(hào)形成圖像，其中的每個(gè)陣元單獨(dú)工作，因此識(shí)別聲吶可以獲知目標(biāo)在聲吶圖像中的方位角和斜距，但卻不能分辨處于同一斜距、同一方位角度下、不同深度處的目標(biāo)，即不能獲取目標(biāo)的三維位置。這限制了其用于水下目標(biāo)定位的用途。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)上述不足，提供一種基于兩臺(tái)識(shí)別聲吶的水下目標(biāo)空間位置計(jì)算方法。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：一種基于兩臺(tái)識(shí)別聲吶的水下目標(biāo)空間位置計(jì)算方法，包括以下步驟：

(1)布置兩臺(tái)識(shí)別聲吶：調(diào)整兩臺(tái)識(shí)別聲吶的俯仰角傾斜向下、橫滾角相同，將兩臺(tái)識(shí)別聲吶布置在水中，保證兩臺(tái)識(shí)別聲吶的探測范圍重疊；

(2)識(shí)別聲吶數(shù)據(jù)獲?。翰杉瘍膳_(tái)識(shí)別聲吶獲取的水下數(shù)據(jù)；

(3)目標(biāo)提取：分別從兩臺(tái)識(shí)別聲吶獲取的水下數(shù)據(jù)中提取目標(biāo)的斜距與方位角；

(4)空間位置計(jì)算：建立空間坐標(biāo)系，將目標(biāo)進(jìn)行一次投影，計(jì)算目標(biāo)在投影面上的坐標(biāo)，結(jié)合步驟(1)中兩臺(tái)識(shí)別聲吶的位置關(guān)系和步驟(3)中的方位角和斜距獲得目標(biāo)的空間位置。

進(jìn)一步的，所述識(shí)別聲吶發(fā)射多波束，并通過接收的回波數(shù)據(jù)組成聲吶圖像。

進(jìn)一步的，所述步驟(3)具體如下：

通過背景去除手法從兩臺(tái)識(shí)別聲吶采集的聲吶圖像中分別提取目標(biāo)，首先選定圖像閾值τ，對(duì)信號(hào)強(qiáng)度值f>τ判定為目標(biāo)，否則為背景，從而獲得目標(biāo)在聲吶圖像中的位置

進(jìn)一步的，所述步驟(4)具體如下：

(1)建立空間坐標(biāo)系：以其中一臺(tái)識(shí)別聲吶為坐標(biāo)原點(diǎn)，兩臺(tái)識(shí)別聲吶的連線方向?yàn)閥軸，豎直向上為z軸，依據(jù)右手坐標(biāo)系建立空間坐標(biāo)系；

(2)計(jì)算目標(biāo)的投影坐標(biāo)：將目標(biāo)投影至y‐o‐z平面，計(jì)算兩個(gè)斜距在投影面上的長度，聯(lián)立方程組獲得目標(biāo)在y‐o‐z平面上投影的坐標(biāo)；

(3)獲取空間位置：目標(biāo)在y‐o‐z平面上投影的坐標(biāo)中y坐標(biāo)和z坐標(biāo)值就是目標(biāo)在三維空間中的y坐標(biāo)和z坐標(biāo)，其中z坐標(biāo)值即目標(biāo)在識(shí)別聲吶發(fā)射波束中的深度，利用位于原點(diǎn)處的識(shí)別聲吶提取的方位角和斜距得到x坐標(biāo)，從而就可獲得目標(biāo)的三維空間位置。

本發(fā)明的有益效果如下：本發(fā)明針對(duì)識(shí)別聲吶只能獲取其探測范圍內(nèi)目標(biāo)的斜距與方位角信息，不能獲知深度信息導(dǎo)致不能獲得目標(biāo)空間位置的特點(diǎn)，利用兩臺(tái)同型號(hào)的識(shí)別聲吶同時(shí)獲取水下目標(biāo)信息，通過聲吶圖像的目標(biāo)提取以及空間位置計(jì)算獲得目標(biāo)在水下的空間位置。本發(fā)明提供的方法簡單可行，并能為水下目標(biāo)三維影像重構(gòu)和水下移動(dòng)目標(biāo)的空間位置獲取、三維定位及跟蹤等提供技術(shù)基礎(chǔ)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方法的系統(tǒng)布置圖；

圖2是本發(fā)明中識(shí)別聲吶的水平視場圖；

圖3是本發(fā)明中計(jì)算空間位置的模型圖；

圖4是本發(fā)明中識(shí)別聲吶的投影面示意圖；

圖中：第一識(shí)別聲吶1、第二識(shí)別聲吶2、筆記本電腦3。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明不僅局限于此。

識(shí)別聲吶的種類很多，這里以一款雙頻識(shí)別聲吶為例(但不限于此)進(jìn)行實(shí)施方案的說明。雙頻識(shí)別聲吶是一種利用聲學(xué)透鏡發(fā)射獨(dú)立波束的多波束系統(tǒng)。它由三塊透鏡和換能器陣列組成，其中三塊透鏡分別是平凹透鏡、平凸透鏡和雙凹透鏡，并由聚甲基戊烯材料制成。換能器陣列由96個(gè)排列成直線型的獨(dú)立陣元組成。當(dāng)96個(gè)換能器陣元形成一個(gè)陣列同時(shí)工作時(shí)，接收到的回波信號(hào)可以組成一幅聲學(xué)影像圖，在波束探測范圍內(nèi)的物體也將呈現(xiàn)在聲學(xué)影像圖上。

本發(fā)明通過布置兩臺(tái)雙頻識(shí)別聲吶、識(shí)別聲吶數(shù)據(jù)獲取、目標(biāo)提取、空間位置計(jì)算等步驟實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)空間位置的獲取，下面針對(duì)每一步展開詳細(xì)說明，并以第一步中的布置方式為例進(jìn)行計(jì)算。

第一步，布置兩臺(tái)識(shí)別聲吶。如圖1所示，將兩臺(tái)識(shí)別聲吶(第一識(shí)別聲吶1和第二識(shí)別聲吶2)相距10米布置在水下10厘米處，兩臺(tái)識(shí)別聲吶的橫滾角都為0，俯仰角都為10度并傾斜向下；假設(shè)兩識(shí)別聲吶連線方向?yàn)槠浇?度，第一識(shí)別聲吶1的偏航角為α＝10°，第二識(shí)別聲吶2的偏航角為β＝-20°；為了保證兩臺(tái)識(shí)別聲吶的探測范圍重疊，將兩臺(tái)識(shí)別聲吶的最大探測距離調(diào)節(jié)至8米；同時(shí)兩臺(tái)聲吶的數(shù)據(jù)接口都和同一臺(tái)筆記本電腦3相連。

第二步，識(shí)別聲吶數(shù)據(jù)獲取。將兩臺(tái)識(shí)別聲吶與一臺(tái)筆記本電腦3相連，保證了兩臺(tái)識(shí)別聲吶采集水下數(shù)據(jù)的同步性；采集的水下數(shù)據(jù)組成一幅聲吶圖像，并設(shè)置兩臺(tái)識(shí)別聲吶以同樣的采集速率進(jìn)行工作，10幀圖像每秒。

第三步，目標(biāo)提取。通過背景去除手法從兩臺(tái)識(shí)別聲吶采集的聲吶圖像中分別提取目標(biāo)。選定合適的圖像閾值τ，對(duì)信號(hào)強(qiáng)度值f>τ判定為目標(biāo)，否則為背景，從而獲得目標(biāo)在聲吶圖像中的位置在聲吶圖像的水平視場中建立坐標(biāo)系，如圖2所示，以扇環(huán)的圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)，中軸線為y軸，因此目標(biāo)在坐標(biāo)系中的位置可以寫成(xh,yh)，其中

第四步，空間位置計(jì)算。

1、建立如圖3所示的空間坐標(biāo)系，以第一識(shí)別聲吶1為坐標(biāo)原點(diǎn)即為o1，另一臺(tái)第二識(shí)別聲吶2所在位置記為o2，兩臺(tái)識(shí)別聲吶的連線方向?yàn)閥軸，豎直向上為z軸，依據(jù)右手坐標(biāo)系建立空間坐標(biāo)系；假設(shè)點(diǎn)p(x,y,z)是被測目標(biāo)，點(diǎn)a是點(diǎn)p在y‐o‐z面上的投影。

2、計(jì)算目標(biāo)的投影坐標(biāo)。為了便于計(jì)算，以o1p為體對(duì)角線、ap為一條棱、面x‐o‐y為上平面建立長方體apbc-a1p1b1o1。在長方體中，假設(shè)|o1p|＝r1，|o2p|＝r2，則其中r1是目標(biāo)在第一識(shí)別聲吶1中的斜距，r2是目標(biāo)在第二識(shí)別聲吶2中的斜距，是目標(biāo)在第一識(shí)別聲吶1中的方位角，同理是目標(biāo)在第二識(shí)別聲吶2中的方位角；由于p在y‐o‐z面上的投影為a，所以∠pao1＝90°，則同樣可以獲取o2a的長度為

如圖4是投影面的平面示意圖，假設(shè)a(y,z)，|o1o2|＝δ，聯(lián)立如下方程組：

解上述方程組可以得到a點(diǎn)坐標(biāo)：

3、獲取空間位置。目標(biāo)p在投影面上投影點(diǎn)a的坐標(biāo)中在z值就是目標(biāo)在三維空間中的z坐標(biāo)，即目標(biāo)在識(shí)別聲吶發(fā)射波束中的深度，結(jié)合方位角和斜距r1就可獲得目標(biāo)的三維空間位置，即