一种基于合成孔径声纳的水底目标埋深深度计算方法与流程

1.本技术涉及目标定位的技术领域，具体而言，涉及一种基于合成孔径声纳的水底目标埋深深度计算方法。


背景技术：

2.合成孔径声纳是一种可以对水底进行实时声成像的装备，可以让人们清晰直观地感知水底大范围场景。目前主要用于水下搜救、水下考古、海底管缆探查、海洋工程作业前期探查等领域。
3.双频合成孔径声纳是将工作频率在低频(10khz左右)和高频(100khz左右)的两套声纳安装在一起，同时对水下成像。由于声波在低频段具有一定的穿透性，能够对处于海底一定深度范围内的目标成像，而高频段的声波穿透能力相对较弱，结合两个频段合成孔径声纳所成图像，就能将只在低频声图中存在，而在高频声图中同一位置没有显现的目标判断为掩埋目标。
4.但是，在掩埋目标定位的实际应用场景中，不仅要知道掩埋目标的掩埋状态，还需要明确掩埋的深度。比如海底管缆，为防止海底管缆被船只下锚刮断，工程上都会将缆线深埋于海底平面以下，埋缆作业过程先是挖沟，然后在沟中排缆，最后将挖沟挖出来的土回填。为检查管缆埋深是否符合设计要求，需要使用如浅地层剖面仪之类的设备进行掩埋深度复查。但浅地层剖面仪每次只能对一个切片内的目标深度进行判读，效率比较低。
5.经文献检索发现，有以下文献对目标掩埋深度问题进行了研究：
6.文献1：《合成孔径成像中掩埋目标的深度误差分析》，该方案中在面阵合成孔径声纳三维成像算法仿真的基础上，利用下视面阵合成孔径声纳在声纳照射范围内有规律地进行多次数据采集，而后进行相干累加获取点目标的高度信息，这种方式不仅与浅地层剖面仪相比工作效率没有明显提升，而且其基于的是仿真的面阵合成孔径声纳，采样位置必须严格指定，而实际海洋作业中这都是难以控制的，导致在实际工程作业中难以实现。
7.文献2：《掩埋目标探测方法研究》，该方案中提出了一种基于声学参量阵的水下掩埋目标成像方法，针对低频声纳对掩埋物的探测与成像，基于水下掩埋物探测及成像中发射声源特性、水下掩埋物的声散射机理，对掩埋物探测深度进行分析。但是，实际工程作业中，由于水底底质复杂，导致散射回波信号会受到干扰，仍旧无法从接收阵接收到的目标后向散射信号反推出目标掩埋深度。


技术实现要素：

8.本技术的目的在于：解决双频合成孔径声纳水下掩埋目标探测过程中无法确定掩埋深度的问题。
9.本技术的技术方案是：提供了一种基于合成孔径声纳的水底目标埋深深度计算方法，该计算方法适用于根据拖体对探测区域的探测数据对掩埋目标深度的计算，拖体由母船拖动驶过探测区域，拖体上安装有合成孔径声纳，该方法包括：步骤1：获取至少两次合成
孔径声纳在探测区域的探测数据，根据探测数据，确定掩埋目标在成像图中的图像坐标，并根据图像坐标确定探测信息；步骤2，根据探测信息，采用遍历掩埋深度变量的方式，计算使掩埋目标定位坐标的位置偏差最小的掩埋预计深度，将掩埋预计深度记作掩埋目标的掩埋深度。
10.上述任一项技术方案中，进一步地，探测信息至少包括：掩埋目标与拖体阵面的斜距、探测到掩埋目标时的拖体utm坐标和航向角，步骤2具体包括：
11.步骤21，根据斜距，计算第i次探测时掩埋目标与拖体阵面之间的平距hd(i)，对应的计算公式为：
[0012][0013]
式中，tgtdpt(i)为第i次探测时对应的掩埋深度变量，ri为第i次探测时的斜距，tawhgt(i)为第i次探测时对应的拖体距水底高度；
[0014]
步骤22，根据平距hd(i)以及对应的航向角θ(i)，计算掩埋目标定位坐标，对应的计算公式为：
[0015]
ulatt(i)＝ulata(i) δy
′
(i)
[0016]
ulont(i)＝ulona(i) δx
′
(i)
[0017]
δy
′
(i)＝hd(i)
×
sin(θ(i))
[0018]
δx
′
(i)＝hd(i)
×
cos(θ(i))
[0019]
式中，(ulata(i)，ulona(i))为第i次探测过程的拖体utm坐标，(δx
′
(i)，δy
′
(i))为第i次探测过程的掩埋目标utm坐标修正值，(ulatt(i)，ulont(i))为第i次探测过程的掩埋目标定位坐标；
[0020]
步骤23，计算掩埋目标定位坐标的位置偏差，采用遍历掩埋深度变量的方式，计算使掩埋目标定位坐标的位置偏差最小的掩埋预计深度，将掩埋预计深度记作掩埋目标的掩埋深度。
[0021]
上述任一项技术方案中，进一步地，探测次数为2次，掩埋预计深度的计算公式为：
[0022][0023]
式中，tgtdpt为掩埋深度变量，tgtdpt
′
为掩埋预计深度。
[0024]
上述任一项技术方案中，进一步地，步骤23具体包括：步骤a，在设定的掩埋深度范围内，选取第一掩埋深度变量；步骤b，根据第一掩埋深度变量，计算第一次和第二次探测信息中斜距r1和r2对应的掩埋目标与拖体阵面之间的平距hd(1)和hd(2)；步骤c，根据计算出的平距hd(1)和hd(2)，结合对应的航向角θ(1)和θ(2)，计算掩埋目标定位坐标(ulatt(1)，ulont(1))和(ulatt(2)，ulont(2))；步骤d，计算掩埋目标定位坐标(ulatt(1)，ulont(1))和(ulatt(2)，ulont(2))中对应坐标值的坐标差值，并将计算出的坐标差值求和，得到第一掩埋深度变量对应的第一位置偏差；步骤e，在设定的掩埋深度范围内，选取第二掩埋深度变量，重复执行步骤a至步骤d，计算第二掩埋深度变量对应的第二位置偏差，比较第一位置偏差和第二位置偏差之间的数值大小，保留较小值；步骤f，重新选取第三掩埋深度变量执行上述过程，直至位置偏差的取值为0或者得到最小的位置偏差，此时，该位置偏差对应的掩埋深度变量即为掩埋预计深度，将该掩埋预计深度记作掩埋目标的掩埋深度。
[0025]
上述任一项技术方案中，进一步地，探测信息至少包括：掩埋目标与拖体阵面的斜
距、拖体深度、拖体距水底高度、探测到掩埋目标时的拖体utm坐标和航向角。
[0026]
上述任一项技术方案中，进一步地，图像坐标包括和图像横坐标和图像纵坐标，步骤1中，根据图像坐标确定探测信息，具体包括：根据图像纵坐标和成像图的分辨率，确定斜距；根据图像横坐标和航行速度，计算拖体航行至此处的通过时间；根据通过时间，查询拖体航行至此处母船的经度、母船的纬度、航向角、拖体深度以及拖体距水底高度；通过坐标变换的方式，将母船的经度和母船的纬度，转换为拖体utm坐标。
[0027]
上述任一项技术方案中，进一步地，拖体utm坐标的计算过程具体包括：对母船的经度和母船的纬度进行坐标变换，计算母船utm坐标；计算拖体与定位装置沿航行方向的距离，并根据距离和航向角，计算拖体utm坐标修正量；根据拖体utm坐标修正量和母船utm坐标，计算拖体utm坐标。
[0028]
本技术的有益效果是：
[0029]
本技术中的技术方案，根据从不同方向至少两次扫测到同一个掩埋目标的探测信息，通过结合航向角和母船与拖体间的距离运算，采用遍历掩埋深度变量的方式，计算出使掩埋目标定位坐标的位置偏差最小的掩埋预计深度，以作为掩埋目标的埋深。
[0030]
本技术中的掩埋目标埋深的计算过程也是掩埋目标精确定位的过程。之前合成孔径声纳在对水下掩埋目标定位的计算过程中是不考虑掩埋深度的，主要是因为掩埋深度很难测量，导致多次扫测同一掩埋目标定位位置之间距离相差较大，而本技术正是利用这种定位位置上的差异，通过两次定位位置距离差最小化的方法反过来计算掩埋深度，并同时得到掩埋目标精确的定位位置。
[0031]
本技术的优点具体还表现在：
[0032]
1、实际工程作业可操作性强，可使用现有设备，无需改造已有双频合成孔径声纳设备；
[0033]
2、实现方法简单，节约探测成本，仅需对同一掩埋目标进行两次不同路径的扫测，就能根据两次得到的探测信息，获取掩埋目标的掩埋深度；
[0034]
3、利用对两次扫测中掩埋目标定位位置坐标差的最小化，获得掩埋目标的掩埋深度，而其中双频合成孔径声纳对水下沉底目标定位的方法已经成熟，本技术是水下目标定位方法针对掩埋目标定位的进一步优化。
[0035]
在本技术的优选实现方式中，首先根据航向角对拖体utm坐标进行修订；之后，通过利用掩埋目标与拖体之间的位置关系，计算出掩埋目标与拖体阵面之间的平距；进而结合航向角和拖体坐标，计算出本次探测过程对应的准确的掩埋目标定位坐标，保证了掩埋深度计算的准确性。
附图说明
[0036]
本技术的上述和/或附加方面的优点在结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0037]
图1是根据本技术的一个实施例的水下掩埋目标探测过程的示意图；
[0038]
图2是根据本技术的一个实施例的基于合成孔径声纳的水底目标埋深深度计算方法的示意流程图；
[0039]
图3是根据本技术的一个实施例的双次扫测目标过程俯视示意图；
[0040]
图4是根据本技术的一个实施例的掩埋目标定位过程的位置示意图；
[0041]
图5是根据本技术的一个实施例的拖体utm坐标修订的位置示意图；
[0042]
图6是根据本技术的一个实施例的拖体utm坐标的修正量计算的示意图；
[0043]
图7是根据本技术的一个实施例的目标utm坐标的计算示意图；
[0044]
图8是根据本技术的一个实施例的仿真实例结果的示意图。
具体实施方式
[0045]
为了能够更清楚地理解本技术的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本技术进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
[0046]
在下面的描述中，阐述了很多具体细节以便于充分理解本技术，但是，本技术还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本技术的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
[0047]
如图1所示，本实施例中的水底目标埋深深度计算方法适用于拖曳式双频合成孔径声纳对水下掩埋目标的深度探测，其中，拖曳式双频合成孔径声纳安装在拖体上，拖体通过拖缆连接于母船，以便在母船的拖动下对作业区域内的掩埋目标进行探测，拖曳式双频合成孔径声纳包括安装在拖体两侧的收发装置的基阵，拖体内的发射机和接收机，以及干端的信号处理机和显控机。
[0048]
需要说明的是，为了利用合成孔径声纳对水下掩埋目标进行定位，在拖体内部一般都安装有测高计和深度计，以便测量拖体的距水底高度和距水面距离(拖体深度)，同时，在母船甲板上一般都会放置gps或者北斗定位装置用于测量母船航速、航向角、经纬度，这些信息都会被信号处理机汇总用于成像和目标定位。
[0049]
如图2所示，本实施例提供了一种基于合成孔径声纳的水底目标埋深深度计算方法，该方法包括：
[0050]
步骤1：获取至少两次合成孔径声纳在探测区域的探测数据，根据探测数据，确定掩埋目标在成像图中的图像坐标，并根据图像坐标确定探测信息，其中，探测信息至少包括掩埋目标与拖体阵面的斜距、探测到掩埋目标时的拖体utm坐标、母船的航向角、拖体深度以及拖体距水底高度，拖体utm坐标至少包括拖体第一utm坐标和拖体第二utm坐标。
[0051]
具体的，设定x方向是成像图中与航向平行的方向，即拖体航行方向，而y方向是垂直于航向的方向，为距离向。成像图的分辨率为δ。
[0052]
如图3所示，当母船拖动拖体从不同方向至少两次扫测同一掩埋目标时，根据拖体上合成孔径声纳在探测区域的探测数据，通过统计合成孔径声纳扫测过程中所成的成像区中掩埋目标处x方向和y方向像素点的个数，或者读取双频合成孔径声纳显控中的声图坐标，确定掩埋目标在成像图中xy方向的图像坐标(x0，y0)。
[0053]
如图4所示，由于阵面法线方向与水平面呈一定倾角，因此，将掩埋目标与拖体阵面的距离记作斜距，该值表示目标距离拖体阵面的距离，由掩埋目标在成像图中的图像纵坐标y0和成像图的分辨率δ确定，对应的计算公式为：
[0054]
ri＝y0
i
×
δ
[0055]
式中，δ为分辨率，ri为斜距，i＝1,2，i为探测次数的编号，即r1为第一次探测过程
中的斜距，r2为第二次探测过程中的斜距，y0
i
为第i次探测时的图像纵坐标。
[0056]
需要说明的是，探测次数的编号与获取合成孔径声纳在探测区域的探测数据的次数相同。
[0057]
由于图像横坐标x0表示的是掩埋目标出现在拖体阵面正横方向时拖体的位置，设定拖体是处于匀速直线运动的状态，已知初始utc时间t0，结合拖体航行速度v，因此，通过对应的第i次探测时的图像横坐标x0
i
可以计算出拖体航行至此处的通过时间t，对应的计算公式为：
[0058][0059]
再利用该通过时间t，通过查询的方式，可以确定该时刻母船的经度lon、纬度lat、航向角θ、拖体深度tawdpt和拖体距水底高度tawhgt。
[0060]
进而通过坐标转换的方式，将该时刻母船的经度lon、纬度lat转换至水下拖体的utm(universal transverse mercatar projection)坐标，以获取扫过同一掩埋目标时拖体合成孔径声纳的经纬度数据。
[0061]
需要说明的是，在精度符合要求的前提下，可以直接将母船经纬度，通过坐标变换的方式，转换为utm坐标系下的结果直接作为拖体utm坐标。
[0062]
本实施例中，对utm坐标转换的方式并不限定。
[0063]
进一步的，该步骤1中还包括：根据母船的航向角，对拖体utm坐标进行修订。
[0064]
具体的，如图5所示，对于任一次探测而言，设定坐标修订过程中能够确定以下参数：
[0065]
1)定位设备接收天线与缆线导缆轮出缆口之间的水平距离dgps；
[0066]
2)导缆轮离水面高度wheelhgt；
[0067]
3)从拖体的深度计获取的拖体深度值tawdpt，即拖体距水底高度；
[0068]
4)从绞车处读取的缆长值cablelen。
[0069]
结合图5中的三角函数关系，可以计算得到拖体阵面(拖体)至定位装置天线沿航行方向的距离distgps2taw为：
[0070][0071]
设定母船的经度lon、纬度lat转换后的utm坐标系中的母船的utm坐标为(ulatb，ulonb)，如图6所示，设定本实施例中的航向角为航行方向与utm坐标系中的y轴方向(正北方向)之间的夹角。
[0072]
根据第i次探测时对应的航向角θ(i)以及计算出的拖体阵面至定位装置天线沿航行方向的距离distgps2taw，计算拖体utm坐标修正量，对应的计算公式为：
[0073]
δx(i)＝
‑
distgps2taw
×
sin(θ(i))
[0074]
δy(i)＝
‑
distgps2taw
×
cos(θ(i))
[0075]
需要说明的是，由于拖体位于母船的后方，所以拖体utm坐标修正量前取负号。
[0076]
式中，δx为utm横坐标修正量，δy为utm纵坐标修正量。
[0077]
之后根据母船的utm坐标为(ulatb(i)，ulonb(i))，计算修正后的拖体utm坐标，对应的计算公式为：
[0078]
ulata(i)＝ulatb(i) δy(i)
[0079]
ulona(i)＝ulonb(i) δx(i)
[0080]
式中，ulata(i)为第i次探测时对应的拖体utm坐标中的横坐标，ulona(i)为第i次探测时对应的拖体utm坐标中的纵坐标。
[0081]
本实施例中，设定第一次探测扫过掩埋目标时得到拖体utm坐标，即拖体第一utm坐标为(ulata1,ulona1)，第二次探测扫过掩埋目标时得到拖体utm坐标，即拖体第二utm坐标为(ulata2,ulona2)。
[0082]
步骤2，根据探测信息，采用遍历掩埋深度变量的方式，计算使掩埋目标定位坐标的位置偏差最小的掩埋预计深度，将掩埋预计深度记作掩埋目标的掩埋深度，同时获取掩埋目标的准确定位。
[0083]
如图4所示，在阵面位置1处，通过上述过程，可计算出掩埋目标距离阵面的斜距为r1，如果不考虑掩埋目标的掩埋深度，即认为其是个沉底目标，则推测出其位置将处于“虚目标1”的位置处。同样的，对于阵面位置2，计算出的斜距为r2，如果认为其是沉底目标，则推测出其位置会在“虚目标2”处。
[0084]
因此，在不考虑掩埋深度的情况下，拖体两次从不同方向下对掩埋目标的扫测，同一个掩埋目标将会出现在两个位置相距较远的虚目标处，即两个阵面对掩埋目标定位坐标之间的位置偏差较大。
[0085]
通过采用遍历掩埋深度变量的方式，改变掩埋目标定位坐标推算过程中的掩埋深度变量，最小化两次掩埋目标定位坐标之间的位置偏差，即可得到最优化的掩埋目标的掩埋深度。
[0086]
设定相同的掩埋深度变量tgtdpt下，两次扫测到同一个掩埋目标后，得到的两组对应的掩埋目标utm坐标，作为掩埋目标定位坐标，即掩埋目标定位坐标分别为：(ulatt1，ulont1)和(ulatt2，ulont2)，因此，掩埋预计深度的计算公式为：
[0087][0088]
式中，tgtdpt为掩埋深度变量，tgtdpt
′
为掩埋预计深度。
[0089]
本实施例以任一组掩埋目标定位坐标为例，对掩埋目标定位坐标的计算过程进行说明。
[0090]
在计算掩埋目标定位坐标过程中需要用到的参数包括：航向角θ、掩埋目标与拖体阵面之间的斜距ri、拖体距水底高度tawhgt。
[0091]
在计算过程中，设定掩埋目标所在区域是个大平层，即拖体正下方的高程与掩埋目标所在高程相同。
[0092]
因此，对于任一次探测而言，该步骤2中具体包括：
[0093]
步骤21，在距离向上，根据所述斜距，计算第i次探测时掩埋目标与拖体阵面之间的平距hd(i)，对应的计算公式为：
[0094][0095]
式中，tgtdpt(i)为第i次探测时对应的掩埋深度变量，ri为第i次探测时的斜距，tawhgt(i)为第i次探测时对应的拖体距水底高度，i为探测次数，i＝1,2,
…
。
[0096]
步骤22，根据所述平距hd(i)以及对应的航向角θ(i)，计算所述掩埋目标定位坐标。
[0097]
如图7所示，在通过上述过程得到的第i次探测过程的拖体utm坐标(ulata(i)，ulona(i))后，基于三角函数原理，根据平距hd(i)和对应的航向角θ(i)，即可计算掩埋目标定位坐标(ulatt(i)，ulont(i))，对应的计算公式为：
[0098]
ulatt(i)＝ulata(i) δy
′
(i)
[0099]
ulont(i)＝ulona(i) δx
′
(i)
[0100]
δy
′
(i)＝hd(i)
×
sin(θ(i))
[0101]
δx
′
(i)＝hd(i)
×
cos(θ(i))
[0102]
式中，δy
′
(i)为掩埋目标utm横坐标修订值，δx
′
(i)为掩埋目标utm纵坐标修订值。
[0103]
因此，通过上述过程可计算出两次扫测对应的掩埋目标定位坐标：(ulatt1，ulont1)和(ulatt2，ulont2)。
[0104]
步骤23，计算所述掩埋目标定位坐标的位置偏差，采用遍历掩埋深度变量的方式，计算使所述掩埋目标定位坐标的位置偏差最小的掩埋预计深度，将所述掩埋预计深度记作所述掩埋目标的掩埋深度，其中，掩埋深度的计算公式：
[0105][0106]
采用遍历掩埋深度变量tgtdpt的方式，计算使掩埋目标定位坐标的位置偏差最小的掩埋预计深度，即掩埋目标的掩埋深度。
[0107]
优选的，对第i次探测得到的探测信息，采用遍历掩埋深度变量tgtdpt的方式，计算使掩埋目标定位坐标的位置偏差最小的掩埋预计深度，具体包括：
[0108]
步骤a，在设定的掩埋深度范围内，选取第一掩埋深度变量；
[0109]
步骤b，根据所述第一掩埋深度变量，计算第一次和第二次探测信息中斜距r1和r2对应的掩埋目标与拖体阵面之间的平距hd(1)和hd(2)；
[0110]
步骤c，根据计算出的平距hd(1)和hd(2)，结合对应的航向角θ(1)和θ(2)，计算掩埋目标定位坐标(ulatt(1)，ulont(1))和(ulatt(2)，ulont(2))；
[0111]
步骤d，计算掩埋目标定位坐标(ulatt(1)，ulont(1))和(ulatt(2)，ulont(2))中对应坐标值的坐标差值，并将计算出的坐标差值求和，得到第一掩埋深度变量对应的第一位置偏差；
[0112]
步骤e，在设定的掩埋深度范围内，选取第二掩埋深度变量，重复执行步骤a至步骤d，计算第二掩埋深度变量对应的第二位置偏差，比较第一位置偏差和第二位置偏差之间的数值大小，保留较小值；
[0113]
步骤f，重新选取第三掩埋深度变量执行上述过程，直至位置偏差的取值为0或者得到最小的位置偏差，此时，该位置偏差对应的掩埋深度变量即为掩埋预计深度，将该掩埋预计深度记作掩埋目标的掩埋深度。
[0114]
需要说明的是，掩埋深度变量的选取可以是先从掩埋深度范围内的最大值开始选取，即第一掩埋深度变量的取值小于第二掩埋深度变量的取值，第二掩埋深度变量的取值小于第三掩埋深度变量的取值，依次类推。也可以是先从掩埋深度范围内的最小值开始选取，即第一掩埋深度变量的取值大于第二掩埋深度变量的取值，第二掩埋深度变量的取值
大于第三掩埋深度变量的取值，依次类推。还可以是随机选取。
[0115]
根据得到该掩埋预计深度对应的掩埋目标定位坐标和掩埋深度，即可对掩埋目标进行准确定位。
[0116]
为了验证本实施例中的掩埋深度计算方法，设置验证条件为：第1次扫测到掩埋目标时拖体的坐标为(400，300)，第2次扫测到掩埋目标时拖体的坐标为(401，301)，假设掩埋目标实际位置在(500，550)处，掩埋深度5m，拖体距水底高度为50m。
[0117]
由上述假设条件可以计算出斜距r1为274.8m，斜距r2为273.5m。
[0118]
从0至10m遍历掩埋深度变量tgtdpt，可以得到两组掩埋目标utm坐标之间的定位坐标差曲线，如图8所示，从图8中可以看出通过上述过程计算出的掩埋深度最优值，即使得两次扫测对掩埋目标定位距离差最小的掩埋深度5m，与设定的掩埋深度一致。
[0119]
以上结合附图详细说明了本技术的技术方案，本技术提出了一种基于合成孔径声纳的水底目标埋深深度计算方法，该方法包括：步骤1：获取至少两次合成孔径声纳在探测区域的探测数据，根据探测数据，确定掩埋目标在成像图中的图像坐标，并根据图像坐标确定探测信息；步骤2，根据探测信息，采用遍历掩埋深度变量的方式，计算使掩埋目标定位坐标的位置偏差最小的掩埋预计深度，将掩埋预计深度记作掩埋目标的掩埋深度。通过本技术中的技术方案，基于双频合成孔径声纳的成像特点和目标定位特点，确定掩埋目标相应的定位信息，以有效计算目标的掩埋深度信息。
[0120]
本技术中的步骤可根据实际需求进行顺序调整、合并和删减。
[0121]
本技术装置中的单元可根据实际需求进行合并、划分和删减。
[0122]
尽管参考附图详地公开了本技术，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本技术的应用。本技术的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本技术保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。