基于全姿态稳定策略的深水多波束测深方法及系统

本发明涉及海洋声学装备技术领域，特别涉及基于全姿态稳定策略的深水多波束测深方法及系统。

背景技术：

水深探测是开展海洋研究、海洋调查、海洋测绘和海洋工程的最基础工作。基于多波束测深技术的船载深水多波束测深系统最大探测水深可达11000米，是目前既高效又准确的水深探测设备。深水多波束测深系统通常采用t形水下声纳阵，其中发射阵沿船龙骨方向布放，接收阵垂直于龙骨方向布放，二者均固定安装于船底。系统工作时基于波束形成技术形成一个沿龙骨方向波束开角较窄、垂直于龙骨方向波束开角较宽的发射波束条带，与若干个沿龙骨方向较宽、垂直于龙骨方向较窄的接收波束条带。通过幅值法或分裂孔径相位过零法估计发射条带与各个接收条带重合区域(即波束脚印)的回波到达时间，再结合声速、姿态、定位等传感器信息可以计算得到各个区域中心的深度值与位置。一次发射与接收过程获得的多个测深值形成一个垂直于航迹方向的测深条带，沿航迹方向连续发射条带则实现了全覆盖的海底测深目的。

因深水多波束测深系统一次发射与接收过程通常为几秒至十几秒，期间载体姿态不断变化将影响波束的指向，导致测深结果存在误差。因此，在深水多波束测深系统工作过程中必须进行载体姿态稳定。载体姿态主要包括艏摇、纵倾与横摇。在国内外研制较多的浅水多波束测深系统中，通常采用发射纵倾稳定和接收横摇稳定的策略，但对于作用距离较远的深水多波束测深系统，艏摇对测深结果的影响不容忽略。深水多波束测深系统的处理方法与系统与常规的浅水多波束测深系统的处理方法与系统有明显不同。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了基于全姿态稳定策略的深水多波束测深方法及系统。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于全姿态稳定策略的深水多波束测深方法，基于安装在船底的水下声纳阵实现，所述水下声纳阵为t形阵，包括二维平面发射阵和一维平面接收阵；所述方法包括：

根据实时艏摇、纵倾、横摇姿态数据，计算发射全姿态稳定时发射阵的各发射基元相对于参考点的延时；

根据发射阵的各发射基元相对于参考点的延时，分多个扇区向垂直于航行方向的不同角度分发不同发射信号；

由接收阵接收定向发射波束；

根据实时艏摇、纵倾、横摇姿态数据，以及二维平面发射阵和一维平面接收阵的位置，基于接收全姿态稳定策略对接收的定向发射波束进行处理，得到测深结果。

作为上述方法的一种改进，

设船底的龙骨方向为x方向，垂直于龙骨方向为y方向，所述二维平面发射阵的长轴沿龙骨方向安装于船底，二维平面发射阵的基元采用交错排列方式，以较少的基元数目获得较窄的主瓣宽度，x和y方向上的基元个数分别为m和n，基元间隔分别为dx和dy，其中，dx∈[0.25λ,4λ]，dy∈[0.5λ,1λ]，λ为发射信号中心频率波长；

所述一维平面接收阵为均匀线阵，垂直于龙骨方向安装于船底，接收阵的基元个数为k，基元间隔为dk，dk＝0.5λ，沿着龙骨方向阵列孔径为ψ，ψ∈[2λ,6λ]；并且二维平面发射阵和一维平面接收阵的位置不同。

作为上述方法的一种改进，所述根据实时艏摇、纵倾、横摇姿态数据，计算发射全姿态稳定时发射阵的各发射基元相对于参考点的延时；具体为：

设发射时刻船艏方向为ht，船艏稳定方向为ht′，艏摇为αt＝ht-ht'，纵倾为pt，横摇为rt，经安装偏差修正后发射阵长、短轴在载体坐标系中的方向矢量分别为和设本地地理坐标系中方位角为俯仰角为ηt对应的发射波束方向矢量为

根据下式得到发射波束稳定时，发射阵在x方向上的相控角βtx，在y方向上的相控角βty为：

其中，γ1t为坐标旋转矩阵：

计算得到发射基元pm,n,1≤m≤m,1≤n≤n相对于参考点的延时τm,n为：

其中，c为声速。

作为上述方法的一种改进，所述基于接收全姿态稳定策略对接收的定向发射波束进行处理，得到测深结果；具体包括：

采用接收全姿态稳定策略或接收横摇稳定策略进行延时波束形成，计算得到各方向的回波双程旅行时；

结合姿态数据、波束角度与回波双程旅行时，利用发射与接收位置不共点模型或发射与接收位置共点模型计算发射与接收波束面在海底的交点；

根据船舶吃水深度与升沉姿态数据，结合相对于载体的水深值，计算得到测深点的绝对水深值，根据相对位置和定位信息并利用地图投影方法获得测深点的经度和纬度。

作为上述方法的一种改进，所述采用接收全姿态稳定策略或接收横摇稳定策略进行延时波束形成，计算得到各方向的回波双程旅行时；具体包括：

设接收时刻船艏方向为hr，船艏稳定方向为hr′，艏摇为αr＝hr-hr′，纵倾为pr，横摇为rr。

对于接收全姿态稳定策略的延时波束形成，设经安装偏差修正后接收阵长轴在载体坐标系中的方向矢量为设本地地理坐标系中方位角为俯仰角为ηr对应的接收波束方向矢量为

根据下式得到接收波束全姿态稳定时，接收阵在y方向上的相控角βry为：

其中，γ1r为坐标旋转矩阵：

对于接收横摇稳定策略的延时波束形成，设预定接收波束角度为θ，则横摇稳定时接收相控角βry为：

βry＝θ+rr

接收基元pk,1≤k≤k相对于参考点的时延τk为：

其中，c为声速；

根据时延τk，基于延时波束形成算法得到全姿态稳定或横摇稳定的接收波束；

根据接收波束的方向，采用幅值法或分裂孔径相位过零法得到各方向的回波双程旅行时。

作为上述方法的一种改进，所述结合姿态数据、波束角度与回波双程旅行时，利用发射与接收位置不共点模型或发射与接收位置共点模型计算发射与接收波束面在海底的交点；具体为：

已知发射阵长轴在载体坐标系中的方向矢量为接收阵长轴在载体坐标系中的方向矢量为发射波束与发射阵长轴正方向夹角为θtx，接收波束与接收阵长轴正方向夹角为θry，发射时刻姿态为船艏ht、纵倾pt，横摇rt，接收时刻姿态为船艏hr、纵倾pr、横摇rr，回波双程旅行时为t；

当发射和接收位置不共点，则均匀声速场条件下发射阵和接收阵的位置不相同，其中发射时刻发射阵在本地地理坐标系中的位置为ο(0,0,0)，接收时刻接收阵在本地地理坐标系中的位置为q(xq,yq,zq)，平均声速为c，用以下方程组求解发射与接收波束面在海底的交点为p(xp,yp,zp)：

其中，γ2t和γ2r为坐标旋转矩阵：

当发射和接收位置共点，用以下方程组求解发射波束面与接收波束面相交矢量，即合成波束单位矢量

进而计算合成波束的入射角γ和方位角φ为：

再结合回波双程旅行时和声速剖面，采用层内常声速法或层内常梯度法，计算得到合成波束与海底的交点p(xp,yp,zp)。

作为上述方法的一种改进，所述根据船舶吃水深度与升沉姿态数据，结合相对于载体的水深值，计算得到测深点的绝对水深值，根据相对位置和定位信息并利用地图投影方法获得测深点的经度和纬度；具体为：

根据船舶吃水深度draft与升沉数据heave，结合水深值zp，计算得到测深点的水深z为：

z＝zp+heave+draft

根据相对位置(xp,yp)和定位信息并利用地图投影方法，获得测深点的经度和纬度(lon,lat)：

(lon,lat)＝f(xp,yp,gnssdata)

其中，gnssdata为定位数据，f(·)表示地图投影关系，所述投影方法为墨卡托投影、高斯-克吕格投影或utm投影。

一种基于全姿态稳定策略的深水多波束测深系统，所述系统包括：发射信号处理单元、发射单元、接收单元、接收信号处理单元和安装在船底的水下声纳阵，所述水下声纳阵为t形阵，包括二维平面发射阵和一维平面接收阵；其中，

所述发射信号处理单元，用于根据实时艏摇、纵倾、横摇姿态数据，计算发射全姿态稳定时发射阵的各发射基元相对于参考点的延时；

所述发射单元，用于根据发射阵的各发射基元相对于参考点的延时，分多个扇区向垂直于航行方向的不同角度分发不同发射信号；

所述接收单元，用于由接收阵接收定向发射波束；

所述接收信号处理单元，用于根据实时艏摇、纵倾、横摇姿态数据，以及二维平面发射阵和一维平面接收阵的位置，基于接收全姿态稳定策略对接收的定向发射波束进行处理，得到测深结果

与现有技术相比，本发明的优势在于：

本发明能够有效降低阵列载体姿态变化对接收波束的影响，提升系统测深精度，是国产深水多波束测深系统的核心技术之一。

附图说明

图1是基于全姿态稳定策略的深水多波束测深系统框图；

图2是本发明的多波束分发方式发射艏摇稳定示意图；

图3是载体姿态运动模型；

图4是本发明的发射基元布阵与基元间距定义示意图；

图5是本发明的接收阵布阵实例图；

图6是本发明的发射与接收位置不共点模型。

具体实施方式

本发明是在国内深水多波束测深系统接收横摇稳定策略基础上，设计并实现发射与接收全姿态稳定功能，最终形成具备全姿态稳定功能的国产深水多波束测深系统，从而提升系统测深精度。

本发明针对常规船载深水多波束测深系统，提供一种基于全姿态稳定策略的测深方法与系统。如图1所示由发射换能器阵、接收换能器阵、全姿态稳定发射信号处理单元、发射单元、接收采集单元、全姿态稳定接收信号处理单元、导航显控与后处理单元、以及传感器单元组成。

为实现发射全姿态稳定，本发明基于每个基元由独立发射机驱动的二维平面发射阵，采用多个波束分发的方式实现发射波束艏摇稳定；在发射端采用艏摇、纵倾、横摇全姿态稳定的发射波束形成方法；在接收端采用了基于发射全姿态稳定和接收全姿态稳定策略的测深结果解算方法。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例1

本发明的实施例1提供了一种基于全姿态稳定策略的深水多波束测深方法。特点在于：

1.采用近千基元组成的二维平面发射阵，每个基元采用独立发射机驱动，实现发射波束两个自由度旋转；

2.采用多个波束分发不同信号的方式实现发射波束艏摇稳定；

3.发射端采用艏摇、纵倾、横摇全姿态稳定的发射波束形成方法；

4.接收端采用基于接收全姿态稳定或接收横摇稳定策略的接收波束形成方法；

5.接收端采用基于全姿态稳定的发射和接收位置不共点模型或发射和接收位置共点模型的测深点解算方法。

在艏摇、纵倾、横摇三种姿态中，艏摇稳定最为复杂。若采用单波束的发射方式，在存在艏摇时，发射波束的海底脚印将垂直于载体龙骨方向，而不是垂直于载体的行进方向。而通过发射波束形成将多个波束以不同的信号分别指向海底多个方向，做进行发射波束稳定后，多个海底脚印的中心连线能够垂直于船行方向，经过多次发射产生的条带能均匀地覆盖被测海底。示意图如图2所示。

深水多波束测深系统发射全姿态稳定计算与控制主要在全姿态稳定发射信号处理单元实现。深水多波束测深系统全姿态稳定的发射波束形成方法是根据实时艏摇、纵倾、横摇姿态，计算各个发射基元相对于参考点的延时，从而控制各基元发射时间，实现发射波束的定向。对于每一个发射基元，时延由两部分构成：发射波束指向性所对应的时延和由于载体姿态变化引起基元位置改变所引入的修正时延。此外，系统工作时在发射时刻，全姿态稳定发射信号处理单元将向发射单元和接收单元发送同步信号，以保证发射单元与接收采集单元数据时间对齐。

接收信号处理单元是实现全姿态稳定信号处理的主要单元，其从接收采集系统获得海底回波数据，其中接收采集系统为连续采样工作模式，每收到一次同步脉冲，则认为新的发射周期开始。接收信号处理单元基于发射全姿态稳定和接收全姿态稳定或接收横摇稳定测策略进行接收信号处理与测深结果解算，其中测深结果解算方法可基于全姿态稳定的发射和接收位置不共点模型或发射和接收位置共点模型。

基于全姿态稳定的深水多波束测深方法涉及载体坐标系与本地地理坐标系的转换，两个坐标系定义如表1所示。

表1坐标系定义

设船舶艏向为h，船艏稳定方向为h′(可间接计算艏摇α＝h-h′)，存在纵摇p、横摇r，它们的定义如表2所示，示意图如图3所示。

表2航向与姿态角度定义

深水多波束测深系统采用t形阵，其中发射阵为二维平面阵，长轴沿着龙骨方向安装于船底，发射阵基元采用交错排列方式，发射阵x和y方向上的基元个数分别为m和n，基元间隔分别为dx和dy，dx和dy，具体定义如图4所示。一维平面接收阵为均匀线阵，垂直于龙骨方向安装于船底，接收阵具有k个基元，基元间隔为dk。

在发射端，基于二维平面发射阵，采用多波束分发方式实现全姿态稳定的波束发射，需分别设置沿航迹方向和垂直航迹方向的发射波束角，可通过计算线阵行列两方向的时延，再利用线性关系得到发射阵上每个基元所对应的时延。设发射时刻船艏方向为ht，船艏稳定方向为ht′，阵列姿态为(αt,pt,rt)，经安装偏差修正后发射阵长、短轴在载体坐标系中的方向矢量分别为和设本地地理坐标系中方位角为俯仰角为ηt对应的发射波束方向矢量为则在进行发射波束稳定时，发射阵在x方向上的相控角βtx，在y方向上的相控角βty为

其中，γ1t为坐标旋转矩阵：

则基元pm,n,1≤m≤m,1≤n≤n相对于参考点的延时τm,n为

其中，c为声速。

利用计算得到的发射基元相对于参考点的时延，控制各发射基元发射信号，即可得到全姿态稳定的定向发射波束。

如图4所示发射阵，发射阵为经典的基元交错排列发射阵，垂直于龙骨方向基元间距dy个波长，沿着龙骨方向基元间距dx个波长。此处dy与dx的建议参数分别为0.5波长到1个波长和0.25波长到4波长。

在接收端基于均匀线性接收阵，采用接收全姿态策略进行延时波束形成。设接收时刻船艏方向为hr，船艏稳定方向为h′r，艏摇为αr＝hr-h′r，纵倾为pr，横摇为rr，阵列姿态为(αr,pr,rr)，设经安装偏差修正后接收阵长轴在载体坐标系中的方向矢量为设本地地理坐标系中方位角为俯仰角为ηr对应的接收波束方向矢量为根据下式得到接收波束全姿态稳定时，接收阵在y方向上的相控角βry为：

其中，γ1r为坐标旋转矩阵：

对应第k个接收基元pk,1≤k≤k相对于参考点的时延τk为

其中，c为声速。

利用此时延基于延时波束形成算法可得到横摇稳定的接收波束，再针对接收波束方向，利用幅值法或分裂孔径相位过零法估计各方向的回波到达时间。

图5给出接收阵实例，其中垂直龙骨方向接收基元间距为0.5倍波长，沿着龙骨方向阵列孔径为3倍(2-6倍)波长。

基于全姿态稳定与发射和接收位置不共点模型的测深结果解算方法的主要流程包括求解发射与接收波束面交点和转换经纬深等步骤。具体为：

(1)求解发射与接收波束面交点。对于发射和接收位置不共点模型，设均匀声速场条件下二维平面发射阵和一维平面接收阵的位置不相同，示意图如图6所示。根据发射时刻姿态确定发射波束矢量所在波束面，根据接收时刻姿态确定接收波束矢量所在接收波束面，求解两个波束面交点。

设发射阵长轴在载体坐标系中的方向矢量为发射波束与发射阵长轴正方向夹角为θtx，发射时刻姿态为船艏ht、纵倾pt，横摇rt，发射时刻发射阵在本地地理坐标系中的位置为ο(0,0,0)；接收阵长轴在载体坐标系中的方向矢量为接收波束与接收阵长轴正方向夹角为θry，接收时刻姿态为船艏hr、纵倾pr、横摇rr，接收时刻接收阵在本地地理坐标系中的位置为q(xq,yq,zq)，回波双程旅行时为t，平均声速为c。可用以下方程组求解发射与接收波束面在海底的交点为p(xp,yp,zp)。

其中，γ2t和γ2r为坐标旋转矩阵：

(2)转换经纬深。根据船舶吃水draft与姿态传感器中的heave数据(船向下运动为正)计算最终水深z；根据相对位置(xp,yp)和定位信息并利用地图投影方法获得测深点的经度和纬度(lon,lat)。

其中gnssdata为定位数据，f(·)表示某种地图投影关系，目前比较常用的投影方法有墨卡托投影、高斯-克吕格投影、utm投影等。

实施例2

本发明的实施例2提出了一种基于全姿态稳定的深水多波束测深系统。所述系统包括：发射信号处理单元、发射单元、接收单元、接收信号处理单元和安装在船底的水下声纳阵，所述水下声纳阵为t形阵，包括二维平面发射阵和一维平面接收阵；其中，

所述发射信号处理单元，用于根据实时艏摇、纵倾、横摇姿态数据，计算发射全姿态稳定时发射阵的各发射基元相对于参考点的延时；

所述发射单元，用于根据发射阵的各发射基元相对于参考点的延时，分多个扇区向垂直于航行方向的不同角度分发不同发射信号；

所述接收单元，用于由接收阵接收定向发射波束；

所述接收信号处理单元，用于根据实时艏摇、纵倾、横摇姿态数据，以及二维平面发射阵和一维平面接收阵的位置，基于接收全姿态稳定策略对接收的定向发射波束进行处理，得到测深结果。

具体处理方法同实施例1。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。