本發明屬于水下目標定位領域，尤其涉及一種基于兩臺垂直布置的識別聲吶的水下目標空間位置計算方法。

背景技術：

現有的水下定位技術，按照是否需要設置聲基陣，可分為水聲定位技術和激光遙感技術兩大類。其中，水聲定位是目前應用最廣泛的一種水下定位技術。根據聲學定位系統定位基線的長度，傳統上將定位系統分為3種類型：長基線定位系統(lbl)、短基線定位系統(sbl)和超短基線定位系統(ssbl/usbl)。此外水聲定位系統還和其它定位系統結合，形成組合定位系統，例如gps和水聲系統的組合。上述幾種水聲定位系統都有應答器或應答器基陣、換能器等組成，需要被定位目標與定位設備的互相通信，這不能滿足所有的定位需求，而采用識別聲吶進行水下定位是一種新思路。

識別聲吶是一種利用多元超聲波線陣在水下發射很窄(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。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，所以識別聲吶不能直接用于水下目標定位。

技術實現要素：

本發明的目的是針對上述不足，提供一種基于兩臺垂直布置的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，本發明所采用的技術方案如下：一種基于兩臺垂直布置的識別聲吶的水下目標空間位置計算方法，包括以下步驟：

(1)識別聲吶布置：將兩臺識別聲吶互相垂直的布置在水中，一臺橫滾角為0度、一臺橫滾角為90度，并保證兩臺識別聲吶的探測范圍重疊；

(2)數據獲取：獲取兩臺識別聲吶采集的水下數據；

(3)目標提取：分別從兩臺識別聲吶獲取的水下數據中計算目標的位置，目標的位置由目標斜距和方位角確定；

(4)空間位置計算：利用垂直放置的識別聲吶獲取目標斜距和方位角，計算得到目標在波束范圍中的深度信息；利用水平放置的識別聲吶獲取目標斜距和方位角，計算得到目標在波束范圍中相對兩聲吶連線方向的偏移信息，最后根據任一目標斜距可以得到目標在波束范圍中的第三維坐標。

進一步的，所述識別聲吶發射多波束，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在聲吶圖像的水平視場中建立坐標系，以扇環的圓心為坐標原點，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

進一步的，所述步驟(4)具體如下：

以垂直放置的識別聲吶為坐標原點記為o1，水平放置的識別聲吶所在位置記為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px是點p在x軸上的投影，點pz是點p在z軸上的投影。

令|o1p|＝r1，|o2p|＝r2，其中r1是目標在垂直放置的識別聲吶中的斜距，r2是目標在水平放置的識別聲吶中的斜距，則是目標在垂直放置的識別聲吶中的方位角，同理是目標在水平放置的識別聲吶中的方位角；則同樣可以獲取o2pz的長度為所以目標在空間范圍內的y坐標值為因此可以獲得目標的空間坐標p(x,y,z)。

本發明的有益效果如下：本發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的空間位置的特點，利用兩臺同型號且互相垂直布置的識別聲吶同時獲取水下目標信息，提取目標在聲吶圖像中的斜距與方位角，分別計算目標在聲吶波束范圍中的偏移距離獲得其在水下的空間位置。本發明提供的方法簡單易行，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是本發明方法的系統布置圖；

圖2是本發明中識別聲吶的水平視場圖；

圖3是本發明中計算空間位置的模型圖；

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明做進一步詳細說明，但本發明不僅局限于此。

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射獨立波束的多波束系統。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在聲學影像圖上。

本發明通過垂直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12米布置在水下10厘米處，并假設兩識別聲吶連線方向為偏航角0度，則布置第一識別聲吶1的橫滾角為0度，俯仰角為30度并傾斜向下，偏航角為α＝10°；第二識別聲吶2的橫滾角為90度，俯仰角為β＝30°并傾斜向下，偏航角為0度；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，獲取識別聲吶數據。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，提取目標。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，計算空間位置。

建立如圖3所示的空間坐標系，以第一識別聲吶1為坐標原點記為o1，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px是點p在x軸上的投影，點pz是點p在z軸上的投影。

根據步驟三中的說明，|o1p|＝r1，|o2p|＝r2，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，則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；則同樣可以獲取o2pz的長度為所以目標在空間范圍內的y坐標值為因此可以獲得目標的空間坐標p(x,y,z)。