一种基于声学和视觉联合的水下爆炸定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于声学和视觉联合的水下爆炸定位方法，本发明专利技术方法中将声学探测模块和视觉定位系统搭载于运动的作业船舶上，其中声学探测模块将持续监测附近可能出现的爆炸信号，并将其监测到的爆炸时刻发送到视觉定位系统；视觉采集设备则搭载在跟随运动舰船的无人机上，将持续采集到的视觉图像与相机内外参数通过无线通信的方式回传给定位系统。视觉定位系统综合利用声学监测到的爆炸发生时刻与水面炸点的视觉图像完成对水面炸点的定位。本发明专利技术方法具备灵活性、可靠性、灵活性，克服了单一的声学定位系统的复杂性以及单一的视觉定位系统的不可靠性。定位系统的不可靠性。定位系统的不可靠性。

An underwater explosion location method based on the combination of acoustics and vision

【技术实现步骤摘要】
一种基于声学和视觉联合的水下爆炸定位方法


[0001]本专利技术属于信号处理
，具体涉及一种水下爆炸定位方法。

技术介绍

[0002]在许多大跨度运动场景中的近自由面水下爆炸的定位方法具有重要的应用意义，到目前为止，该应用背景下的公开方案甚少。目前海上靶场的弹着点定位都是静态状态的水面炸点定位，在该领域的研究主要集中于声学定位或视觉定位方法。
[0003]声学定位作为传统的目标定位方法，一般采用声阵列对目标进行定位，通过目标到不同阵元的声程差来实现对目标位置测算，但这种方法在大跨度运动场景应用中存在着阵列较大，算法复杂等实用性问题。
[0004]在大跨度运动场景中，首先，由于观测区域较大，增加了布阵的难度和整个观测系统的定位精度。其次，在海面进行定位时，声学阵列无法大范围移动，所以系统缺乏机动性，无法灵活的根据需要进行移动调整。最后，由于海面波动，大规模阵列的布设精度与多阵元之间的同步对于定位的结果有着严重的影响，故不同定位的结果一致性较差。
[0005]基于视觉的定位方法主要依靠基于计算机视觉的定位方法和基于光学成像模型的几何光学定位方法。其中计算机视觉主要基于神经网络利用数据集对计算机定位模型进行训练，从而实现对目标位置的估计。该技术主要应用于机器人作业场景，侧重于目标深度估计与环境的重建，实现机器人对目标方位及距离的感知计算。在大跨度视场下，该技术的数据集获取存在难度，并且目标的定位准确性差。几何光学定位是基于摄影测量学的原理，利用成像时刻的相机几何参数，结合光学成像的原理，利用像
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镜
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物三点共线的基本几何原理对目标进行准确测量。该技术主要应用于测绘场景。这些方案可见的视觉定位一般通过单目或者双目相机就可完成，系统结构简单。
[0006]视觉方法对于水面的大跨度运动场景应用也有欠缺。目前公布的大部分技术应用都是基于岸基的视觉成像系统，该方法并不适用于海面大跨度运动场景。其次海面环境的复杂变化也给系统带来了一定的干扰。对于水下爆炸而言，海面出现的视觉现象具有随机性，对于未知参数的爆炸所出现的水面视觉形态、出现时间、位置等都具有不确定性，这都给爆炸图像坐标的生成带来了困难。
[0007]综上，在现有技术与方案中，对于大跨度运动场景下的水面炸点定位方法需要定位系统具有运动的灵活性与识别的可靠性兼具的方案。

技术实现思路

[0008]为了克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于声学和视觉联合的水下爆炸定位方法，本专利技术方法中将声学探测模块和视觉定位系统搭载于运动的作业船舶上，其中声学探测模块将持续监测附近可能出现的爆炸信号，并将其监测到的爆炸时刻发送到视觉定位系统；视觉采集设备则搭载在跟随运动舰船的无人机上，将持续采集到的视觉图像与相机内外参数通过无线通信的方式回传给定位系统。视觉定位系统综合利用声学监测到的爆
炸发生时刻与水面炸点的视觉图像完成对水面炸点的定位。本专利技术方法具备灵活性、可靠性、灵活性，克服了单一的声学定位系统的复杂性以及单一的视觉定位系统的不可靠性。
[0009]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：
[0010]步骤1：构建水下爆炸定位系统；
[0011]所述水下爆炸定位系统包括声学探测模块、视觉定位系统和无人机视觉采集模块；所述视觉定位系统包括水面炸点目标自动化检测模块和水面炸点目标定位模块；所述声学探测模块用于探测水下爆炸发生的时刻；所述无人机视觉采集模块从上方向下采集水面视频；所述水面炸点目标自动化检测模块根据水下爆炸发生时刻，进行水面炸点目标的视觉自动化检测并输出水面炸点目标在视频图像帧中的坐标；所述水面炸点目标定位模块基于水面炸点目标在视频图像帧中的坐标与无人机视觉采集模块姿态数据完成水面炸点目标在大地坐标系中的定位；
[0012]所述声学探测模块、视觉定位系统安装在船舶上，无人机视觉采集模块安装在无人机上；
[0013]步骤2：水下爆炸定位系统启动；所述声学探测模块开始工作，并持续监测水下的爆炸信号，同时携带视觉采集设备的无人机跟随在舰船后上方同步运动；
[0014]步骤3：当发生水下爆炸时，声学探测模块检测到爆炸信号同时将爆炸发生的时刻发送至视觉定位系统；
[0015]所述声学探测模块、视觉定位系统通过GPS授时的方式实现时间同步；
[0016]步骤4：无人机视觉采集模块将持续采集到的水面视频与无人机视觉采集模块的姿态数据通过无线通信的方式传送给水面炸点目标自动化检测模块；
[0017]步骤5：水面炸点目标自动化检测模块持续接收并存储无人机视觉采集模块传送的水面视频数据、无人机视觉采集模块的姿态数据；
[0018]步骤6：当水面炸点目标自动化检测模块接收到水下爆炸发生的时刻后，从存储的水面视频数据中提取到水下爆炸发生时刻前后设定时间范围的视频数据，并在提取的视频数据中进行水面炸点目标的检测，检测到水面炸点目标后将水面炸点目标在视频图像帧中的坐标传递给水面炸点目标定位模块；
[0019]步骤7：水面炸点目标定位模块接收到水面炸点目标在视频图像帧中的坐标和水下爆炸发生的时刻后，根据水下爆炸发生的时刻提取同一时间无人机视觉采集模块的姿态数据；采用基于共线方程的单目视觉定位方法将无人机视觉采集模块所在的倾斜坐标系转换为水平坐标系，得到相机坐标系下的水面炸点目标位置；再将无人机视觉采集模块的GPS坐标转换为UTM坐标，通过代数运算将水面炸点目标相对无人机视觉采集模块在相机坐标系下的笛卡尔坐标转换为UTM坐标，最后将水面炸点目标的UTM坐标转换为GPS坐标，得到水面炸点目标在大地坐标系的坐标。
[0020]优选地，所述声学探测模块监测水下爆炸信号的具体方法如下：
[0021]所述声学探测模块采用基于能量检测的声学探测系统；采用大于25kHz的高频带与低于10kHz的低频带同时检测的方式；对接收的水声信号进行前置放大后再进行滤波，然后采用多级固定增益放大级联的方式实现对大动态范围水声信号进行每级放大倍数为10倍的三次逐级放大；将放大到不同倍数的水声信号进行数字化采集和存储，采用时域能量检测的方法实现对水下爆炸冲击波信号的初步判断，当判断有信号超过检测门限时，将超
过门限的脉冲信号通过FFT变换到频域，在频域判断脉冲信号是否具有爆炸冲击波的频谱特征，当高频与低频的频谱同时满足冲击波的特征时判决脉冲信号为水下爆炸冲击波信号，发送水下爆炸发生的时刻至水面炸点目标自动化检测模块和水面炸点目标定位模块。
[0022]优选地，所述无人机视觉采集模块为无人机航拍设备，配置单目摄像机、云台、相机姿态传感器、相机水平传感器、机高度传感器和相机位置传感器。
[0023]优选地，所述水面炸点目标自动化检测模块进行水面炸点目标检测具体过程包括图像预处理和自动化目标检测；
[0024]所述图像预处理将无人机视觉采集模块采集到的视频图像帧进行：
①
图像矫正：获取获得无人机视觉采集模块的矫正参数后本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于声学和视觉联合的水下爆炸定位方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：构建水下爆炸定位系统；所述水下爆炸定位系统包括声学探测模块、视觉定位系统和无人机视觉采集模块；所述视觉定位系统包括水面炸点目标自动化检测模块和水面炸点目标定位模块；所述声学探测模块用于探测水下爆炸发生的时刻；所述无人机视觉采集模块从上方向下采集水面视频；所述水面炸点目标自动化检测模块根据水下爆炸发生时刻，进行水面炸点目标的视觉自动化检测并输出水面炸点目标在视频图像帧中的坐标；所述水面炸点目标定位模块基于水面炸点目标在视频图像帧中的坐标与无人机视觉采集模块姿态数据完成水面炸点目标在大地坐标系中的定位；所述声学探测模块、视觉定位系统安装在船舶上，无人机视觉采集模块安装在无人机上；步骤2：水下爆炸定位系统启动；所述声学探测模块开始工作，并持续监测水下的爆炸信号，同时携带视觉采集设备的无人机跟随在舰船后上方同步运动；步骤3：当发生水下爆炸时，声学探测模块检测到爆炸信号同时将爆炸发生的时刻发送至视觉定位系统；所述声学探测模块、视觉定位系统通过GPS授时的方式实现时间同步；步骤4：无人机视觉采集模块将持续采集到的水面视频与无人机视觉采集模块的姿态数据通过无线通信的方式传送给水面炸点目标自动化检测模块；步骤5：水面炸点目标自动化检测模块持续接收并存储无人机视觉采集模块传送的水面视频数据、无人机视觉采集模块的姿态数据；步骤6：当水面炸点目标自动化检测模块接收到水下爆炸发生的时刻后，从存储的水面视频数据中提取到水下爆炸发生时刻前后设定时间范围的视频数据，并在提取的视频数据中进行水面炸点目标的检测，检测到水面炸点目标后将水面炸点目标在视频图像帧中的坐标传递给水面炸点目标定位模块；步骤7：水面炸点目标定位模块接收到水面炸点目标在视频图像帧中的坐标和水下爆炸发生的时刻后，根据水下爆炸发生的时刻提取同一时间无人机视觉采集模块的姿态数据；采用基于共线方程的单目视觉定位方法将无人机视觉采集模块所在的倾斜坐标系转换为水平坐标系，得到相机坐标系下的水面炸点目标位置；再将无人机视觉采集模块的GPS坐标转换为UTM坐标，通过代数运算将水面炸点目标相对无人机视觉采集模块在相机坐标系下的笛卡尔坐标转换为UTM坐标，最后将水面炸点目标的UTM坐标转换为GPS坐标，得到水面炸点目标在...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗建，魏袁媛，杨松，张海涛，王慧刚，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：