1.一种适应于全海深的面阵三维成像声呐点位归算方法,采用三维成像声呐测量系统,三维成像声呐测量系统包括水下测量成像部分和定位导航部分,所述水下测量成像部分采用固定在探测载体的面阵三维成像声呐,随探测载体运动,获取探测目标和海底地形的三维信息,所述定位导航部分结合水下定位设备和姿态测量设备,获取水下载体的定位定姿以及航向信息;
其特征在于,一种适应于全海深的面阵三维成像声呐点位归算方法包括:步骤1:对三维成像声呐测量系统进行标定,确定面阵三维成像声呐、水下定位设备和姿态测量设备之间在载体上的空间相对位置与角度关系;
步骤2:建立声呐换能器坐标系Ot‑XYZ,基于波束导向原理,在接收面阵横纵两方向构建圆锥面波束能量几何分布模型,两方向圆锥面相交方向即为声呐换能器坐标系下波束入射向量 方向,所述面阵横纵两方向具体为垂直航向X方向和沿航向Y方向;
步骤3:以单位长波束入射向量 为基准,以XOtY面作为平行换能器接收阵列面,构建XOtY面的投影面,波束探测点为横向波束圆锥面与纵向波束圆锥面在投影面形成的两双曲线交点,根据横向波束导向角 和纵向波束导向角 计算得到双曲线参数;
步骤4:利用高斯牛顿或牛顿迭代法求解两双曲线方程,得到单位入射向量在换能器坐标系下坐标(xt,yt,zt);
步骤5:根据声呐换能器安装偏差角 和瞬时姿态角 ,计算三维空间下单位入射向量 方向,基于入射向量,利用测量的声速信息进行声线跟踪,得到声呐当地水平坐标系下测点坐标(Xs,Ys,Zs);
步骤6:根据水下定位设备记录的载体定位信息和步骤1得到的各个设备间相对位置关系,计算地理坐标系下测点坐标(XECEF_S,YECEF_S,ZECEF_S)。
2.根据权利要求1所述的一种适应于全海深的面阵三维成像声呐点位归算方法,其特征在于,步骤3包括:步骤3.1:横向波束接收能量在XOtY面的投影面形成的双曲线为横向双曲线facross(x,y),纵向波束接收能量在XOtY面的投影面形成的双曲线为纵向双曲线falong(x,y);
步骤3.2:facross(x,y)的参数为: ,b1=1,falong(x,y)参数为 ,b2=1;
facross(x,y)双曲线方程为: (1);
falong(x,y)双曲线方程为: (2);
其中,e1和e2为未知量,e1的物理意义为描述波束向量在横向波束圆锥面上的方位,e2的物理意义为描述波束向量在纵向波束圆锥面上的方位。
3.根据权利要求2所述的一种适应于全海深的面阵三维成像声呐点位归算方法,其特征在于,步骤4包括:步骤4.1:根据步骤3中的两个双曲线方程,联立(1)和(2)构建相交双曲线方程,具体为: (3);
步骤4.2:利用高斯牛顿或牛顿迭代法求解(3),得到换能器坐标系下坐标(xt,yt,zt)。
4.根据权利要求3所述的一种适应于全海深的面阵三维成像声呐点位归算方法,其特征在于,步骤5包括:步骤5.1:计算三维空间下单位入射向量方向: (4);
式中,[Ulx,Uly,Ulz]为三维空间下单位入射向量的坐标,R 为3个方向安装偏差角构成的旋转矩阵,R 为瞬时姿态角构成的旋转矩阵,波束三维入射向量中入射角和方位角 为:;
(5);
式中,范围为0~90°, 范围为‑180°~180°;
步骤5.2:基于入射角、方位角和波束往返旅行时的一半,依据获取的声速剖面信息进行声线跟踪,获取水平状态下波束探测点相对声纳换能器的位置与水深(Xs,Ys,Zs)。
5.根据权利要求4所述的一种适应于全海深的面阵三维成像声呐点位归算方法,其特征在于,步骤6中,计算地理坐标系下测点坐标(XECEF_S,YECEF_S,ZECEF_S)为: (6);
式中,[XECEF_S,YECEF_S,ZECEF_S]为波束点空间直角坐标,[XECEF_p,YECEF_p,ZECEF_p]为水下定位系统中心空间直角坐标,由大地坐标 转换得到, 为关于大地经度和纬度的旋转矩阵。