水下目标自动定位方法及其系统.pdf

本发明公开了一种用于水下目标自动定位并能准确反映其在水面投影位置的水下目标自动定位方法，主要包括下列步骤：a.从船上通过钢缆将水下探测装置从所需定位目标大致水域沉入水底，并通过图像确定其水下位置；b.声波接收器在水面间隔设置成线状声波接收阵列；c.使水下声波发射头向水面发射声波；d.将声波信号送至计算机中计算时间差；e.由计算机分析时间差和水深信息并计算出水下目标的水面投影位置值，以曲线显示。本发明还公开了实现本方法的一种系统，具有定位简便、快捷的特点。

1、  一种水下目标自动定位方法，其特征是包括下列步骤：
a、从船上通过钢缆将与钢缆相连的、由水下电视探头、水下声波发射头和水深探头组成的水下探测装置从所需定位目标大致水域沉入水底，并使探测装置中的各探头与安装在船只上的相应的控制器和主要由计算机组成的控制接收系统相连，通过移动船只和/或钢缆的位置控制探测装置的移动，直至水下电视探头向安装在船只上的、与水下电视探头相连的控制器和计算机显示器输送了满足要求的所需定位目标的图像；同时水深探头将目标所处位置的水深信号通过其控制器送至计算机接收系统中；
b、将与水下声波发射头相配套的声波接收器在水面间隔设置成线状声波接收阵列，并将各声波接收器与上述的控制接收装置相连；
c、通过控制接收装置启动水下声波发射头工作，向水面发射声波至声波接收阵列中的各声波接收器；
d、各声波接收器将各自接收到的声波信号送至控制接收系统中，由控制接收系统中的计算机自动判读并记录下各声波接收器转发来的水下声波发射头发射的声波的时间，并自动计算各声波接收器接收时间差；
e、计算机通过分析各声波接收器的接收时间差和水深探头传来的水深信息自动计算出水下目标的水面投影位置值，并在显示屏幕上显示以曲线显示，从而实现对水下目标的定位。

2、  根据权利要求1所述的水下目标自动定位方法，其特征是在水面设置的线状声波接收阵列中的声波接收器呈等间距布置。

3、  根据权利要求2所述的水下目标自动定位方法，其特征是呈等间距布置的声波接收器的数量为六个。

4、  根据权利要求1或2所述的水下目标自动定位方法，其特征是所述的线状声波接收阵列与所述的船只的相连并与其连动。

5、  一种水下目标自动定位系统，主要水下电视装置、水下声波收发装置、水深探测装置、计算机系统组成组成，水下电视装置主要由水下电视探头、视频控制器和显示装置组成，水下声波收发装置由水下声波发射探头、若干声波接收器和声波控制器组成，水深探测装置主要包括水深传感器和水深控制器，计算机系统安装在船只上，其特征是水下电视装置中的水下电视探头、水下声波收发装置中的水下声波发射探头、水深探测装置中的水深传感器同时固定安装在一个沉入水体中的载体上，该载体通过钢缆与船只上的钢缆传动装置相连，水下电视探头通过视频电缆与安装在船只上的视频控制器及显示装置相连，水深传感器通过水深传输线及水深控制器和计算机系统相连，水下声波发射探头通过控制传输线与其安装在船只上的声波控制器相连；视频电缆、水深传输线、控制传输线均与船只上的电缆传动装置相连，水下声波收发装置中的若干声波接收器间隔安装在与船只刚性相连并与之连动的支架上，支架位于水面或水面以下，从而使相应的声波接收器也位于水面或水面以下，各声波接收器也通过各自的传输线及其安装在船只上的声波控制器和计算机系统相连。

6、  根据权利要求5所述的水下目标自动定位系统，其特征是安装在支架上的声波接收器呈等间隔布置。

7、  根据权利要求5所述的水下目标自动定位系统，其特征是所述的支架为直线状刚性结构或曲线状刚性结构。

8、  根据权利要求5或7所述的水下目标自动定位系统，其特征是所述的支架与水面平行。

水下目标自动定位方法及其系统
技术领域
本发明涉及一种水下目标自动定位方法，尤其是一种适合于浑水、大流速水体、紊乱流态水体水域中对水下目标进行动态定位并实时给出水下目标在水面投影位置的水下目标自动定位方法及其系统。
背景技术
水下定位被广泛用于国防、水利建设、水工工程、打捞等领域，其常用的方法是通过声纳系统和水下电视设备等进行定位。但在流速大、水体浑浊且流态紊乱的流动水体，如长江、黄河等大型河流中对水中的目标进行定位时，其测得的实际位置受水流的影响无法准确定位，尤其是其在水面的投影位置往往无法确定，致使实际操作时会产生较大的误差，影响工作效率。如在一种水中护坡铺排时，如果无法确定已铺排的边界，则可能影响待铺排与已铺排的正确搭接，轻则影响工程进度和效益，增加水下探测和补排的工作量，重则产生脱接等质量事故，只有当正确确定好待搭接边的水面投影位置时，才能准确搭接，而现有的水下定位系统均采用声波发射与接收同时位于水底的方法进行，无法方便地找到水下目标并准确反映水下目标在水面的垂直投影位置，且随着水深的不断变化其精度急剧下降。此外，在深水或水文条件恶劣的、蛙人无法到达的危险水域中进行查险堵漏、水下工程、打捞沉物时，也需要先找到确切的水下目标并对其在水面的投影位置进行准确定位。凡此种种，只有对水下目标在水面的投影进行准确定位后，通过计算或误差修正才能对水下目标进行准确的操作。而目前尚无一种简便、快速的可用于确定水下目标在水面垂直投影位置的方法或系统可供使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于水下目标自动定位并能准确反映其在水面投影位置的水下目标自动定位方法及系统。
本发明的技术方案是：
一种水下目标自动定位方法，其特征是包括下列步骤：
a、从船上通过钢缆将与钢缆相连的、由水下电视探头、水下声波发射头和水深探头组成的水下探测装置从所需定位目标大致水域沉入水底，并使探测装置中的各探头与安装在船只上的相应的控制器和主要由计算机组成的控制接收系统相连，通过移动船只和/或钢缆的位置控制探测装置的移动，直至水下电视探头向安装在船只上的、与水下电视探头相连的控制器和计算机显示器输送了满足要求的所需定位目标的图像；同时水深探头将目标所处位置的水深信号通过其控制器送至计算机接收系统中；
b、将与水下声波发射头相配套的声波接收器在水面间隔设置成线状声波接收阵列，并将各声波接收器与上述的控制接收装置相连；
c、通过控制接收装置启动水下声波发射头工作，向水面发射声波至声波接收阵列中的各声波接收器；
d、各声波接收器将各自接收到的声波信号送至控制接收系统中，由控制接收系统中的计算机自动判读并记录下各声波接收器转发来的水下声波发射头发射的声波的时间，并在软件控制下自动计算各声波接收器接收时间差；
e、计算机通过分析各声波接收器的接收时间差和水深探头传来的水深信息自动计算出水下目标的水面投影位置值，并在显示屏幕上显示以曲线(曲线的最低点即为投影位置值)显示，从而实现对水下目标的定位。
上述方法中所述的：
在水面设置的线状(可为直线状，也可为曲线状)声波接收阵列中的声波接收器呈等间距布置。
呈等间距布置的声波接收器的数量为六个。
所述的线状声波接收阵列与所述的船只的相连并与其连动。
上述方法可采用以下系统加以实现：
一种水下目标自动定位系统，主要水下电视装置、水下声波收发装置、水深探测装置、计算机系统组成组成，水下电视装置主要由水下电视探头、视频控制器和显示装置组成，水下声波收发装置由水下声波发射探头、若干声波接收器和声波控制器组成，水深探测装置主要包括水深传感器和水深控制器，计算机系统安装在船只上，其特征是水下电视装置中的水下电视探头、水下声波收发装置中的水下声波发射探头、水深探测装置中的水深传感器同时固定安装在一个沉入水体中的载体(铅鱼)上，该载体通过钢缆与船只上的钢缆传动装置相连，水下电视探头通过视频电缆与安装在船只上的视频控制器及显示装置相连，水深传感器通过水深传输线及水深控制器和计算机系统相连，水下声波发射探头通过控制传输线与其安装在船只上的声波控制器相连；视频电缆、水深传输线、控制传输线均与船只上的电缆传动装置相连，水下声波收发装置中的若干声波接收器间隔安装在与船只刚性相连并与之连动的支架上，支架位于水面或水面以下，从而使相应的声波接收器也位于水面或水面以下，各声波接收器也通过各自的传输线及其安装在船只上的声波控制器和计算机系统相连。
本发明的系统中还采取了以下技术措施：
安装在支架上地声波接收器呈等间隔布置，其数量可为六个。
支架为直线状刚性结构或曲线状刚性结构。
支架与水面平行。
本发明的有益效果：
1、采用水下电视方式简便快速寻找并确定水下目标，降低成本和设置难度，满足动态定位要求。
2、首次通过收发分置和水面接收固定线阵解决了水下目标在水面投影位置的定位问题。
3、通过水深探测数据的引用，减小或消除声波在水体传播中的误差，能更精确反映目标垂直投影位置，定位准确度不受水深变化的影响。
4、适用于在各种水体中使用，尤其适合于在流速大、水体浑浊、流态紊乱严重的水体中的动态测量，如长江、黄河等大江大河中使用。
5、方法及系统设备结构简单易行。接收线阵与船只连接固定，水下探头动作控制由辅助传动系统完成，定位关系确定后可相应移动船只。
附图说明
图1是本发明的声波定位原理示意图。
图2是本发明和定位系统结构示意图。
图3是本发明的软件流程框图。
图4是本发明的载体的结构示意图。
图5是本发明的的定位系统中的载体、传动装置连接结构示意图。
图6是本发明的水下电视工作原理示意图。
图7是本发明实施例的定位系统的结构框图。
图8是本发明在水下铰链深排施工中使用时的定位工作原理示意框图。
图9是本发明的沉排结构示意图。
图10是本发明实施例的接线原理示意框图。
图1～10中1为水下电视探头，2为显示装置，3为水下声波发射探头，4为声波接收器4，5为水深传感器，6为计算机系统，7为安装船只，8为载体(铅鱼)，9为钢缆，10为吊钩，11为支架，12为位移操控架，13为钢缆导轮，14为钢缆绞车，15为尾翼，16为电缆滑轮，17为电缆收放轮毂，18为沉排，19为传输电缆，1′为视频控制器，3′为声波控制器，5′为水深控制器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1、3、4、5、6所示。
一种水下铰链沉排自动定位方法及系统，其定位方法为：
a、从船上通过钢缆将与钢缆相连的、由水下电视探头、水下声波发射头和水深探头组成的水下探测装置从所需定位目标大致水域沉入水底，并使探测装置中的各探头与安装在船只上的相应的控制器和主要由计算机组成的控制接收系统相连，通过移动船只和/或钢缆的位置控制探测装置的移动，直至水下电视探头向安装在船只上的、与水下电视探头相连的控制器和计算机显示器输送了满足要求的所需定位目标的图像；同时水深探头将目标所处位置的水深信号通过其控制器送至计算机接收系统中；
b、将与水下声波发射头相配套的声波接收器在水面间隔设置成线状声波接收阵列，并将各声波接收器与上述的控制接收装置相连；
c、通过控制接收装置启动水下声波发射头工作，向水面发射声波至声波接收阵列中的各声波接收器；
d、各声波接收器将各自接收到的声波信号送至控制接收系统中，由控制接收系统中的计算机自动判读并记录下各声波接收器转发来的水下声波发射头发射的声波的时间，并在软件控制下自动计算各声波接收器接收时间差；
e、计算机通过分析各声波接收器的接收时间差和水深探头传来的水深信息自动计算出水下目标的水面投影位置值，并在显示屏幕上显示以曲线(曲线的最低点即为投影位置值)显示，从而实现对水下目标的定位。
上述方法中所述的在水面设置的线状声波接收阵列中的声波接收器呈等间距布置，所述的线状可为直线状，也可为曲线状，本实施例采用的为直线状，其长度为2米，其上呈等间距布置有六个声波接收器。所述的线状声波接收阵列通过支架与所述的船只相连并与船只连动。
实现上述方法的水下目标自动定位系统，如图2、4、5、6所示，主要水下电视装置、水下声波收发装置、水深探测装置、计算机系统组成组成，水下电视装置主要由水下电视探头1、视频控制器1′和显示装置2组成，水下声波收发装置由水下声波发射探头3、六个声波接收器4(即一发六收系统)和一个声波控制器3′组成、水深探测装置主要包括水深传感器5和水深控制器5′，计算机系统6安装在船只7上，水下电视装置中的水下电视探头1、水下声波收发装置中的水下声波发射探头3、水深探测装置中的水深传感器5同时固定安装在一个沉入水体中的载体8(又可称为铅鱼)上，该载体8通过其上的吊钩10及钢缆9与船只7上的钢缆传动装置(如图5所示)相连，水下电视探头1通过视频电缆与安装在船只7上的视频控制器1′及显示装置相连，水深传感器5通过水深传输线与水深控制器5′和计算机系统6相连，水下声波发射探头3通过控制传输线与基安装在船只7上的声波控制器3′相连；水下声波收发装置中的六个声波接收器4等间隔安装在与船只7刚性相连并与之连动的刚性的、直线结构的、与水面平行的支架11上，支架11位于水面或水面以下(以位于水面以下为最佳)，从而使相应的六个声波接收器4也位于水面或水面以下，六个声波接收器4通过各自的传输线及其安装在船只7上的声波控制器3′和计算机系统6相连；视频电缆、水深传输线、控制传输线均与船只7上的电缆传动装置相连。
本实施例的钢缆传动装置(如图5)主要由位移操控架12、钢缆导轮13、钢缆绞车14组成，载体8通过钢缆9与位移操控架12相连，位移操控架12安装在与船只7侧面相连的导轨上，并能在导轨上移动，从而使载体8能沿船只7的前后方向移动，与载体8相连的钢缆9通过钢缆导轮13与钢缆绞车14相连，转动钢缆绞车14，通过钢缆导轮13带动钢缆9沿水深方向垂直移动，从而带动载体8作上下移动。
本实施例的电缆传动装置(如图5)由电缆滑轮16、电缆收放轮毂17组成，它的主要作用是与钢缆传动装置同步实现收放，它属于纯机械传动，利用现有技术即可实现，故不再叙述。
下面结合本发明在水工工程中的铰链沉排施工中的具体应用对本发明作进一步的说明。
如图7、8、9、10所示。
其中图7为根据本发明的方法和系统所设计的具体的结构及信号走向结构框图，其中虚线L-L以下部分为在水中，以上部分除支架11及安装在其上的声波接收器4与船侧固定相连外，全部安装在船只7上。此外，图7中所示的铅鱼体即为本发明所述的载体8。
在堤防隐蔽工程(水工工程)建设中采用铰链沉排是一种行之有效的新型治河方法，在铰链沉排施工中使用了水上平拉连续沉排新工艺，提高了水下铰链沉排的工作效率和工程质量，目前已正式投入生产使用。
在江河中进行水下铰链沉排施工，水下地形变化、江水的流向及流速对施工都会产生影响。
传统的水下铰链沉排施工定位是由岸上测量控制，在断面上插上标杆，沉排船对准标杆进行施工。测量只能控制沉排船在水面上的位置。如果遇到水下地形变化，或流水影响，沉排的水下位置就会发生变化，排边在水面上的投影位置也发生了变化。这样按测量进行施工，可能导致重排、叠排或剪刀口等现象出现，不能保证铺排质量。
水下铰链沉排自动定位系统，是在水上施工过程中，能够实时自动找到水底已沉排边的位置，控制沉排船对准排位，指导沉排船在准确位置铺排，保证前后两块沉排18的搭接宽度，提高铺排质量。
水下铰链沉排自动精确定位的技术关键主要有两点：一是找到已沉排边，二是确定已沉排边在水面的投影位置。水下铰链沉排施工是在流水场情况下工作，流水的冲力使水下沉排的位置发生变化，同时流水对一些物理场也会造成扭曲影响。为此，在选择地球物理方法时必须选择流水对其影响相对比较小的物理场法来进行检测已沉排边，以及采用多种地球物理方法综合应用来达到精确定位的目的。
水下铰链沉排自动定位系统工作原理：
水下电视探头是光学摄像设备，通过视频传输电缆实时传递水下视频信息，观察水下电视探头视角范围内的图像，它的任务是在水下找到已沉排边。水深检测采用压力传感器检测探头所在位置的水压力通过电缆传输上来，转换为水深信息，它的任务是为声波检测提供参数设置依据及为沉排施工人员提供参考。声波法是采用水下发射、水面接收发射声波的直达波来确定已沉排边在水面的投影位置。水下电视探头1、水下声波发射头3、水深探头(即水深传感器5)为三位一体装置(组合在一个铅鱼体即载体8上)，相互配合完成水底探测任务，声波接收器4担任水面定位任务。
水下铰链沉排自动定位系统的具体定位过程为：1)首先找到已沉排18的边缘(通过水下电视探头1)；2)在水面上找到水下排边在水面的投影位置；3)沉排船只7根据该水面的位置移位定位。为此，选择水下电视寻找已沉排边，选择一发六收的声波收发装置来完成第二个目标——找到水下排边在水面的投影位置，沉排船只7根据这个位置来定位。在定位过程中了解水深对于目标的快速确定和沉排施工都很重要的，故应选择能够实时检测水深的压敏式高精度水深探测装置，将他们综合利用，形成一个水下铰链沉排的自动定位系统。
首先采用水下电视寻找已沉排的边界。由于流水的冲力，水下电视探头1下水后会发生位移，当它找到已沉排18的边界时，很难在水面确定排边在水下的准确位置(即已沉排18的边界)。因此，采用了一种受流水影响比较小、又能方便实现的地球物理方法——声波法来进行检测，准确定出它们的位置，以达到水下铰链沉排施工准确定位的目的。
声波在水中传播的速度V_P＝1500m/s左右，而江水的流速一般为1～2m/s(在水下铰链沉排施工的季节和靠岸边位置，特殊洪水流速2～3m/s)。
工作区域的水深为0～25m，声波传播的时间比较短，流水对检测声场的影响比较小，造成的位移误差为
       Δd＝V_水速/V_波速＝1～3/1500
以最大流速3m/s计算，流水场造成的位移误差为2‰左右，按最大水深25m计算，位移误差为5cm，对控制沉排搭接宽度的影响可以忽略。
声波方法进行水下检测定位是将声波发射探头3与水下电视探头1安装在一起，当水下电视找到目标后，立即进行声波发射，在水面上采用由六个声波接收器4组成的线阵接收声系进行检测，检测到声波走时最短的位置，即为声波在水下发射的位置，即沉排的边界在水面的投影位置，以控制施工船的定位。
水深探头上的压力传感器5精确测定水深，实时提供水深数据给声波控制器5′作为数据窗口参数设置，以提高数据处理速度。
水下铰链沉排自动定位系统工作方式是准确控制水下铰链沉排工作船位。控制水下铰链沉排工作船位的方法是：采用二点定一直线的方法来控制施工工作船位。工作原理框图如图8所示，在沉排工作船上的第二块排位的铰链位置(离排边2米处)，从船的两侧下放二个探测装置(即载体8)，当1#和2#水下电视探头1都找到已沉排18的边缘时，根据1#和2#声波接收器4的信号指示，移动沉排船只7的位置，使其对准排边位置，开始铺放铰链沉排。沉排工作船船长还可实时根据屏幕上的信息指示矫正船位。
水下声波定位原理如图1所示，声波接收发射装置在水底下的水下声波发射探头3定向向水面发射声波，施工船只7一侧的、能与船只7同步移动的由声波接收器4组成的直线状阵列接收声波信息。由于声波接收器线阵列是在2.0米长直线上均匀排列的六道声波接收器，同时接收发射声波，最早接收到声波信息的声波接收器4是离水下声波发射探头3(即已沉排边缘)最近的位置。因为声波的走时最短，即是说，声波发射探头3到声波接收器4的距离最近。当声波最短走时位于线阵的中心(如图1、12所示)时，发射探头(即已沉排边缘)处于线阵中心的正下方位置，也即为水下排边在水面的投影位置。将六个声波接收器4组成的线阵中点固定在待沉排需要与水下已沉排边界搭接的位置，调整施工船位，使之声波初至到时最小点于接收声系的中点，如图1所示，定位即成功。
水下铰链沉排自动定位系统的所有信息由计算机控制，统一在显示器2屏幕上显示，其软件框图如图3所示。
在软件的控制下可在显示屏幕的左边和右边各显示一个系统，屏幕上部为水下电视图像，中部为水深显示数值，下部为六个声波接收器接收到的初至时间。
水下电视工作原理及技术性能：
水下电视由水下电视探头1、传输电缆19、控制器1′、图像采集处理器、存储器、显示器等组成(如图6所示)。
水下电视探头1内置有高精度、宽频带的电视摄像机，并配置有特殊照明光源，能适应一般江河水中工作。水下电视探头1由地面控制器1′通过传输电缆供给电源，水下摄像机摄取的电视图像信号经由视频传输电缆送到地面，通过RS-232接口，被计算机图像采集器采集、处理后在显示器屏幕上显示。
本发明的水下电视装置可采用表1所示的水下电视装置，也可采用指标相近似的任一种水下电视装置。
                                                        表1