本發(fā)明屬于水下目標定位領域，尤其涉及一種基于兩臺識別聲吶的水下目標空間位置計算方法。

背景技術：

識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，以回波信號強弱為像素點亮度形成掃描線，通過掃描一定角度構成平面圖像的水下探測設備。它可以在昏暗的渾水中生成幾乎等同光學影像質量圖像的高清晰圖像，其主要運用在漁業(yè)管理、結構檢測、管道泄漏、水底探測、水下搜尋、水下安檢等方面，具有結構緊湊、重量輕、可靠耐用等特點。

由于識別聲吶的成像原理是利用超聲波線陣收發(fā)信號形成圖像，其中的每個陣元單獨工作，因此識別聲吶可以獲知目標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，即不能獲取目標的三維位置。這限制了其用于水下目標定位的用途。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對上述不足，提供一種基于兩臺識別聲吶的水下目標空間位置計算方法。

為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案如下：一種基于兩臺識別聲吶的水下目標空間位置計算方法，包括以下步驟：

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

(2)識別聲吶數據獲?。翰杉瘍膳_識別聲吶獲取的水下數據；

(3)目標提?。悍謩e從兩臺識別聲吶獲取的水下數據中提取目標的斜距與方位角；

(4)空間位置計算：建立空間坐標系，將目標進行一次投影，計算目標在投影面上的坐標，結合步驟(1)中兩臺識別聲吶的位置關系和步驟(3)中的方位角和斜距獲得目標的空間位置。

進一步的，所述識別聲吶發(fā)射多波束，并通過接收的回波數據組成聲吶圖像。

進一步的，所述步驟(3)具體如下：

通過背景去除手法從兩臺識別聲吶采集的聲吶圖像中分別提取目標，首先選定圖像閾值τ，對信號強度值f>τ判定為目標，否則為背景，從而獲得目標在聲吶圖像中的位置

進一步的，所述步驟(4)具體如下：

(1)建立空間坐標系：以其中一臺識別聲吶為坐標原點，兩臺識別聲吶的連線方向為y軸，豎直向上為z軸，依據右手坐標系建立空間坐標系；

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

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

本發(fā)明的有益效果如下：本發(fā)明針對識別聲吶只能獲取其探測范圍內目標的斜距與方位角信息，不能獲知深度信息導致不能獲得目標空間位置的特點，利用兩臺同型號的識別聲吶同時獲取水下目標信息，通過聲吶圖像的目標提取以及空間位置計算獲得目標在水下的空間位置。本發(fā)明提供的方法簡單可行，并能為水下目標三維影像重構和水下移動目標的空間位置獲取、三維定位及跟蹤等提供技術基礎。

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)明中識別聲吶的水平視場圖；

圖3是本發(fā)明中計算空間位置的模型圖；

圖4是本發(fā)明中識別聲吶的投影面示意圖；

圖中：第一識別聲吶1、第二識別聲吶2、筆記本電腦3。

具體實施方式

下面結合具體實施例及附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明，但本發(fā)明不僅局限于此。

識別聲吶的種類很多，這里以一款雙頻識別聲吶為例(但不限于此)進行實施方案的說明。雙頻識別聲吶是一種利用聲學透鏡發(fā)射獨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個排列成直線型的獨立陣元組成。當96個換能器陣元形成一個陣列同時工作時，接收到的回波信號可以組成一幅聲學影像圖，在波束探測范圍內的物體也將呈現(xiàn)在聲學影像圖上。

本發(fā)明通過布置兩臺雙頻識別聲吶、識別聲吶數據獲取、目標提取、空間位置計算等步驟實現(xiàn)水下目標空間位置的獲取，下面針對每一步展開詳細說明，并以第一步中的布置方式為例進行計算。

第一步，布置兩臺識別聲吶。如圖1所示，將兩臺識別聲吶(第一識別聲吶1和第二識別聲吶2)相距10米布置在水下10厘米處，兩臺識別聲吶的橫滾角都為0，俯仰角都為10度并傾斜向下；假設兩識別聲吶連線方向為偏航角0度，第一識別聲吶1的偏航角為α＝10°，第二識別聲吶2的偏航角為β＝-20°；為了保證兩臺識別聲吶的探測范圍重疊，將兩臺識別聲吶的最大探測距離調節(jié)至8米；同時兩臺聲吶的數據接口都和同一臺筆記本電腦3相連。

第二步，識別聲吶數據獲取。將兩臺識別聲吶與一臺筆記本電腦3相連，保證了兩臺識別聲吶采集水下數據的同步性；采集的水下數據組成一幅聲吶圖像，并設置兩臺識別聲吶以同樣的采集速率進行工作，10幀圖像每秒。

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

第四步，空間位置計算。

1、建立如圖3所示的空間坐標系，以第一識別聲吶1為坐標原點即為o1，另一臺第二識別聲吶2所在位置記為o2，兩臺識別聲吶的連線方向為y軸，豎直向上為z軸，依據右手坐標系建立空間坐標系；假設點p(x,y,z)是被測目標，點a是點p在y‐o‐z面上的投影。

2、計算目標的投影坐標。為了便于計算，以o1p為體對角線、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|o1p|＝r1，|o2p|＝r2，則其中r1是目標在第一識別聲吶1中的斜距，r2是目標在第二識別聲吶2中的斜距，是目標在第一識別聲吶1中的方位角，同理是目標在第二識別聲吶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點坐標：

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