基于深海潜水器的海底地形测量方法及装置与流程

1.本发明涉及水下勘测技术领域，特别涉及一种基于深海潜水器的海底地形测量方法及装置。


背景技术：

2.深海潜水器通过测深侧扫声呐进行海底地形测量。测深侧扫声呐的测深结果需要进行波束脚印坐标的地理化，以将测深结果在地理坐标系下表达。
3.相关技术提供的波束脚印的归位方法中，首先将测深点位置在换能器坐标系下进行表达，之后再进行各种坐标系变换。
4.但是由于声线在海水中的实际传播轨迹是弯曲的，因此导致相关技术中得到的测深点位置存在较大误差，从而导致海底地形的测量误差较大。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种基于深海潜水器的海底地形测量方法及装置，解决了相关技术中得到的测深点位置存在较大误差的问题，能够提高海底地形的测量精度。所述技术方案如下：根据本发明实施例的第一方面，提供了一种基于深海潜水器的海底地形测量方法，深海潜水器上安装有换能器和应答器，该方法包括：获取测深信息，表层声速、声速剖面数据、每个换能器接收波束的掠射角、每个换能器接收波束的传播时间、深海潜水器的姿态信息、应答器的位置信息和应答器的深度信息；对于每个换能器，执行波束脚印归位过程，波束脚印归位过程包括：基于换能器接收波束的掠射角，确定换能器的波束入射角；基于波束入射角和姿态信息，确定换能器的实际波束入射角；基于波束入射角和姿态信息，确定换能器的入射波束在理想换能器坐标系下的单位向量；基于实际波束入射角、表层声速、换能器接收波束的传播时间和声速剖面数据，确定换能器的测深点相对于换能器的垂直距离和水平距离；基于垂直距离、水平距离和单位向量，确定测深点在理想换能器坐标系下的第一坐标；基于第一坐标和应答器与换能器在当地水平坐标系下的偏移量，确定测深点在当地水平坐标系下的第二坐标；基于第二坐标、位置信息和深度信息，确定测深点在地理坐标系下的第三坐标；利用每个换能器的测深点的第三坐标，生成海底地形信息。
6.其有益效果是能够同时顾及波束入射角和深海潜水器的实时姿态角，并将测深点首先在理想换能器坐标系下表达，计算波束在理想换能器坐标系中的三维入射向量，然后再进行精确的声线跟踪计算测深点地理坐标。能够避免波束脚印归位时先声线跟踪再坐标转换带来的测深点位置误差，获得了声线在空间的实际传播路径和实际的波束初始入射角，从而实现了测深点地理坐标的正确计算，提高了海底地形的测量精度。
7.可选地，测深信息包括位置信息，获取测深信息的过程包括：获取声学定位系统输出的声学定位数据和深度计输出的深度计深度；基于深度计深度确定声学定位数据是否存在异常；当声学定位数据存在异常时，将导航系统输出的航位推算数据确定为位置信息；当
声学定位数据不存在异常时，基于声学定位数据和航位推算数据确定位置信息。
8.可选地，声学定位数据包括深度值，基于深度计深度确定声学定位数据是否存在异常的过程包括：确定深度值与深度计深度的差值；当深度值与深度计深度的差值的绝对值小于预设精度时，确定声学定位数据不存在异常；当深度值与深度计深度的差值的绝对值大于或等于预设精度时，确定声学定位数据存在异常。
9.其有益效果是减小了声学定位系统的输出值异常和缺失导致滤波算法不稳定的情况发生的概率，相较于相关技术提高了组合导航系统的稳定性和精度。高精度的位置信息能够使深海潜水器在水下复杂环境中更加有效地获取各类信息，对提高深海潜器执行水下任务（例如海洋中的科学研究、资源开发、工程建设以及军事活动等）的安全性和效率具有重要意义。
10.可选地，基于换能器接收波束的掠射角，确定换能器的波束入射角的过程包括：基于换能器接收波束的掠射角和第一公式，确定波束入射角；第一公式包括：θ=φ-π/2，θ表示波束入射角，φ表示换能器接收波束的掠射角。
11.可选地，基于波束入射角和姿态信息，确定换能器的实际波束入射角的过程包括：基于波束入射角、姿态信息和第二公式，确定实际波束入射角；第二公式包括：θ
´
=arccos（cosθcosp），θ
´
表示实际波束入射角，p表示姿态信息中的纵摇角。
12.可选地，基于波束入射角和姿态信息，确定换能器的入射波束在理想换能器坐标系下的单位向量的过程包括：基于纵摇角和第三公式，确定纵摇角构成的旋转矩阵，第三公式包括：，表示纵摇角构成的旋转矩阵；基于波束入射角、纵摇角构成的旋转矩阵和第四公式，确定单位向量，第四公式包括：，表示单位向量。
13.可选地，基于垂直距离、水平距离和单位向量，确定测深点在理想换能器坐标系下的第一坐标的过程包括：基于单位向量和第五公式，确定换能器的发射波束向量在水平面内的投影向量与x轴的夹角，第五公式包括：，表示夹角；基于垂直距离、水平距离、夹角和第六公式，确定第一坐标，第六公式包括：，表示第一坐标，表示水平距离，表示垂直距离。
14.可选地，该方法还包括：基于姿态信息、夹角和第七公式，确定换能器的发射波束的垂直方位角，第七公式包括：，表示垂直方位角，表示姿态信息中的航向角；基于姿态信息、应答器在载体坐标系下的坐标、换能器在载体坐标系下的坐标、垂直方位角
以及第八公式，确定应答器与换能器在当地水平坐标系下的偏移量，第八公式包括：，表示偏移量，表示姿态信息中的横摇角构成的旋转矩阵，表示垂直方位角构成的旋转矩阵，表示应答器在载体坐标系下的坐标，表示换能器在载体坐标系下的坐标；基于第一坐标和应答器与换能器在当地水平坐标系下的偏移量，确定测深点在当地水平坐标系下的第二坐标的过程包括：基于第一坐标、垂直方位角、偏移量以及第九公式，确定第二坐标，第九公式包括：，表示第二坐标。
15.可选地，基于第二坐标、位置信息和深度信息，确定测深点在地理坐标系下的第三坐标的过程包括：基于姿态信息、垂直方位角、深度计在载体坐标系下的坐标、应答器在载体坐标系下的坐标以及第十公式，确定诱导升沉，第十公式包括：，表示诱导升沉，表示深度计在载体坐标系下的坐标；基于诱导升沉、第二坐标、子午圈、卯酉圈曲率半径、位置信息、深度信息以及第十一公式，确定第三坐标，第十一公式包括：，表示第三坐标，表示位置信息，m表示子午圈，n表示卯酉圈曲率半径，表示深度信息，表示诱导升沉。
16.根据本发明实施例的第二方面，提供了一种基于深海潜水器的海底地形测量装置，深海潜水器上安装有换能器和应答器，该装置包括：获取模块，用于获取测深信息，表层声速、声速剖面数据、每个换能器接收波束的掠射角、每个换能器接收波束的传播时间、深海潜水器的姿态信息、应答器的位置信息和应答器的深度信息；波束脚印归位模块，用于对于每个换能器，执行波束脚印归位过程，波束脚印归位过程包括：基于换能器接收波束的掠射角，确定换能器的波束入射角；基于波束入射角和姿态信息，确定换能器的实际波束入射角；基于波束入射角和姿态信息，确定换能器的入射波束在理想换能器坐标系下的单位向量；基于实际波束入射角、表层声速、换能器接收波束的传播时间和声速剖面数据，确定换能器的测深点相对于换能器的垂直距离和水平距离；基于垂直距离、水平距离和单位向量，确定测深点在理想换能器坐标系下的第一坐标；基于第一坐标和应答器与换能器在当地水
平坐标系下的偏移量，确定测深点在当地水平坐标系下的第二坐标；基于第二坐标、位置信息和深度信息，确定测深点在地理坐标系下的第三坐标；海底地形生成模块，用于利用每个换能器的测深点的第三坐标，生成海底地形信息。
17.可选地，测深信息包括位置信息，获取模块，具体用于：获取声学定位系统输出的声学定位数据和深度计输出的深度计深度；基于深度计深度确定声学定位数据是否存在异常；当声学定位数据存在异常时，将导航系统输出的航位推算数据确定为位置信息；当声学定位数据不存在异常时，基于声学定位数据和航位推算数据确定位置信息。
18.可选地，声学定位数据包括深度值，获取模块，具体用于：确定深度值与深度计深度的差值；当深度值与深度计深度的差值的绝对值小于预设精度时，确定声学定位数据不存在异常；当深度值与深度计深度的差值的绝对值大于或等于预设精度时，确定声学定位数据存在异常。
19.可选地，波束脚印归位模块，具体用于：基于换能器接收波束的掠射角和第一公式，确定波束入射角；第一公式包括：θ=φ-π/2，θ表示波束入射角，φ表示换能器接收波束的掠射角。
20.可选地，波束脚印归位模块，具体用于：基于波束入射角、姿态信息和第二公式，确定实际波束入射角；第二公式包括：θ
´
=arccos（cosθcosp），θ
´
表示实际波束入射角，p表示姿态信息中的纵摇角。
21.可选地，波束脚印归位模块，具体用于：基于纵摇角和第三公式，确定纵摇角构成的旋转矩阵，第三公式包括：，表示纵摇角构成的旋转矩阵；基于波束入射角、纵摇角构成的旋转矩阵和第四公式，确定单位向量，第四公式包括：，表示单位向量。
22.可选地，波束脚印归位模块，具体用于：基于单位向量和第五公式，确定换能器的发射波束向量在水平面内的投影向量与x轴的夹角，第五公式包括：，示夹角；基于垂直距离、水平距离、夹角和第六公式，确定第一坐标，第六公式包括：，表示第一坐标，表示水平距离，表示垂直距离。
23.可选地，波束脚印归位模块，还用于：基于姿态信息、夹角和第七公式，确定换能器的发射波束的垂直方位角，第七公式包括：，表示垂直方位角，表示姿态信息中的航向角；基于姿态信息、应答器在载体坐标系下的坐标、换能器在载体坐标系下的坐标、垂直方位角以及第八公式，确定应答器与换能器在当地水平坐标系下的偏移量，第八公式
包括：，表示偏移量，表示姿态信息中的横摇角构成的旋转矩阵，表示垂直方位角构成的旋转矩阵，表示应答器在载体坐标系下的坐标，表示换能器在载体坐标系下的坐标；波束脚印归位模块，具体用于：基于第一坐标、垂直方位角、偏移量以及第九公式，确定第二坐标，第九公式包括：，示第二坐标。
24.可选地，波束脚印归位模块，具体用于：基于姿态信息、垂直方位角、深度计在载体坐标系下的坐标、应答器在载体坐标系下的坐标以及第十公式，确定诱导升沉，第十公式包括：，表示诱导升沉，表示深度计在载体坐标系下的坐标；基于诱导升沉、第二坐标、子午圈、卯酉圈曲率半径、位置信息、深度信息以及第十一公式，确定第三坐标，第十一公式包括：，示第三坐标，表示位置信息，m表示子午圈，n表示卯酉圈曲率半径，表示深度信息，
25.表示诱导升沉。
26.根据本发明实施例的第三方面，提供了一种基于深海潜水器的海底地形测量装置，该装置包括：处理器；用于存储所述处理器的可执行指令的存储器；其中，所述处理器被配置为执行所述存储器中存储的指令以实现第一方面中任一项所述的方法。
27.根据本发明实施例的第四方面，提供了一种计算机存储介质，所述存储介质中存储有指令，当所述指令在处理组件上运行时，使得所述处理组件执行如第一方面中任一项所述的方法。
28.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。
附图说明
29.图1为本发明实施例提供的一种测深侧扫声呐系统的框图；图2为本发明实施例提供的一种基于深海潜水器的海底地形测量方法的流程示意
图；图3为本发明实施例提供的一种声速剖面数据的示意图；图4为本发明实施例提供的一种粗差探测组合导航算法的过程示意图；图5为本发明实施例提供的一种通过考虑深度约束的粗差探测组合导航方法计算得到的应答器的位置轨迹示意图；图6为本发明实施例提供的一种波束脚印归位过程的示意图；图7为本发明实施例提供的一种波束脚印归位模型示意图；图8为本发明实施例提供的一种海底地形测量的示意图；图9为本发明实施例提供的一种海底地形图的示意图；图10为本发明实施例提供的一种基于深海潜水器的海底地形测量装置的框图；图11为本发明实施例提供的一种基于深海潜水器的海底地形测量装置的结构示意图。
具体实施方式
30.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部份实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
31.深海潜水器可以通过测深侧扫声呐系统实现海底地形测量。请参考图1，图1为本发明实施例提供的一种测深侧扫声呐系统的框图，该系统包括安装在深海潜水器舱内的部分和安装在深海潜水器舱外的部分。
32.安装在深海潜水器舱外的部分包括：测深侧扫声纳舱、接线箱、左舷换能器、右舷换能器、温盐深传感器、运动传感器和声多普勒计程仪。测深侧扫声纳舱内安装有测深侧扫声呐主机。
33.安装在深海潜水器舱内的部分包括：测深侧扫声呐主控器、导航信息计算模块、集线器和接线箱。
34.测深侧扫声呐主控器与集线器建立有通信连接，测深侧扫声纳主机的通过水密电缆与舱外接线箱连接，进而通过电缆与舱内接线箱连接，最后与集线器连接。通过集线器实现测深侧扫声呐主控器和测深侧扫声纳主机的数据传输。
35.操作人员通过测深侧扫声呐主控器可以设定测深侧扫声呐主机的工作状态。在进行海底地形测量时，测深侧扫声呐主控器通过舱内和舱外的接线箱向测深侧扫声呐主机发送声呐触发信号。测深侧扫声呐主机基于声呐触发信号生成电发射脉冲信号，电发射脉冲信号用于驱动左舷换能器和右舷换能器向水中发射声脉冲信号。
36.左舷换能器和右舷换能器接收发射声脉冲信号在海底的回波，将回波转换为电信号传输至测深侧扫声呐主机。测深侧扫声呐主机对接收到的电信号进行放大、采集和处理得到换能器接收波束的掠射角以及换能器接收波束的传播时间，并向测深侧扫声呐主控器发送换能器接收波束的掠射角以及换能器接收波束的传播时间。
37.温盐深传感器用于测量得到温盐深信息，并向测深侧扫声呐主控器发送温盐深信息。温盐深信息可以包括但不限于：温度、盐度、密度、压力以及电导率。运动传感器用于测
量得到深海潜水器的姿态信息，并向测深侧扫声呐主控器发送姿态信息。声多普勒计程仪用于测量得到声速信息，并向测深侧扫声呐主控器发送声速信息。导航信息计算模块用于计算得到深海潜水器上安装的应答器的位置信息，并向测深侧扫声呐主控器发送该位置信息。
38.测深侧扫声呐主控器基于接收到的信息（包括温盐深信息、姿态信息、换能器接收波束的掠射角、换能器接收波束的传播时间以及应答器的位置信息等），生成实时海底地形图。
39.其中，测深侧扫声呐主控器中运行有测深侧扫主控软件，测深侧扫声呐主控器通过该软件进行声呐的控制以及数据的综合处理和显示。
40.本发明实施例提供了一种海底地形测量方法，相较于相关技术，该方法可以提高测深点在地理坐标系下的坐标的精度，从而提高海底地形的测量精度。
41.请参考图2，图2为本发明实施例提供的一种基于深海潜水器的海底地形测量方法的流程示意图，该方法可以应用于深海潜水器，深海潜水器上安装有测深侧扫声呐系统和应答器等，测深侧扫声呐系统可以参见图1所示的系统。该方法可以包括以下步骤：101、获取测深信息，测深信息包括：表层声速、声速剖面数据、每个换能器接收波束的掠射角、每个换能器接收波束的传播时间、深海潜水器的姿态信息、应答器的位置信息和应答器的深度信息。
42.该过程可以由测深侧扫声呐主控器执行。对于表层声速，温盐深传感器可以测量得到温盐深信息，并向测深侧扫声呐主控器发送温盐深信息。测深侧扫声呐主控器基于温盐深信息计算得到表层声速。
43.声速剖面数据可以是测深侧扫声呐主控器通过声速经验模型和线性拟合方式对温盐深信息进行计算得到。声速经验模型例如可以包括dell grosso模型、wilson模型、leory模型、mackenzie声速模型、em分层简化声速模型和medwin模型等，本发明实施例对此不做限定。
44.示例地，请参考图3，图3为本发明实施例提供的一种声速剖面数据的示意图，图3示出了采用mackenzie声速模型和线性拟合方法对温盐深信息进行计算得到的全海深声速剖面数据。横轴表示声速，单位为米每秒（m/s），纵轴表示深度，单位为米（m）。
45.测深侧扫声呐系统可以包括左舷换能器和右舷换能器，本发明实施例以下描述均以这两个换能器为例进行说明。换能器接收波束的掠射角可以包括左舷换能器接收波束的掠射角和右舷换能器接收波束的掠射角。参见图1相关描述，换能器接收波束的掠射角可以是测深侧扫声呐主机对接收到的电信号进行放大、采集和处理得到。测深侧扫声呐主机可以基于接收到的电信号以及多子阵海底自动检测
–
子空间拟合法估计得到每个换能器接收波束的掠射角。
46.换能器接收波束的传播时间包括左舷换能器接收波束的传播时间和右舷换能器接收波束的传播时间。参见图1相关描述，换能器接收波束的传播时间可以是测深侧扫声呐主机对接收到的电信号进行放大、采集和处理得到。
47.参见图1相关描述，深海潜水器的姿态信息可以是运动传感器测量得到的。姿态信息可以包括横摇角、纵摇角和航向角。
48.对于应答器的深度信息，可以通过深度计输出的深度计深度以及应答器相对于深
度计的偏移量计算得到。
49.位置信息可以为应答器在世界大地测量系统1984（world geodetic system 1984，wgs 84）坐标系下的平面坐标，其可以通过考虑深度约束的粗差探测组合导航方法获取到。深海潜水器可以获取声学定位系统输出的声学定位数据和深度计输出的深度计深度，并基于深度计深度确定声学定位数据是否存在异常。当声学定位数据存在异常时，将导航系统输出的航位推算数据确定为位置信息。当声学定位数据不存在异常时，基于声学定位数据和航位推算数据确定位置信息。
50.声学定位数据包括经纬度信息和深度值，航位推算数据包括应答器的位置误差、航向误差和速度误差。
51.深海潜水器可以通过深度值与深度计深度的差值，确定声学定位数据是否存在异常。可选地，当深度值与深度计深度的差值的绝对值小于预设精度时，确定声学定位数据不存在异常。当深度值与深度计深度的差值的绝对值大于或等于预设精度时，确定声学定位数据存在异常。预设精度可以为声学定位系统的测距精度a%，a的值可以为0.25、0.3或者0.35等，本发明实施例对此不做限定。
52.进一步地，还可以确定声学定位系统输出的声学定位数据是否存在缺失。此时当声学定位数据存在异常或者缺失时，将导航系统输出的航位推算数据确定为位置信息。当声学定位数据不存在异常且不存在缺失时，基于声学定位数据和航位推算数据确定位置信息。
53.在基于声学定位数据和航位推算数据确定位置信息时，可选地，可以将声学定位数据和航位推算数据基于滤波器进行组合得到位置信息。滤波器利用航位推算数据中的位置误差、航向误差和速度误差作为状态量，声学定位数据的经纬度信息在考虑深度约束的粗差探测之后作为量测量，估计误差量。之后采用输出校正的方式对导航系统进行误差修正，从而输出高精度的位置信息。
54.其中，声学定位系统可以包括超短基线（ultra short base line，usbl）声学定位系统。导航系统可以包括航位推算（dead reckoning，dr）系统。滤波器可以包括卡尔曼（kalman）滤波器。
55.示例地，请参考图4，图4为本发明实施例提供的一种粗差探测组合导航算法的过程示意图。图4以usbl声学定位系统、dr系统和卡尔曼滤波器为例进行说明。dr系统输出纬度和经度，usbl声学定位系统输出纬度和经度。当usbl声学定位系统输出的深度值与深度计深度的差值的绝对值小于预设精度a%
×
且usbl声学定位系统输出的声学定位数据不存在缺失时，将和输入卡尔曼滤波器。卡尔曼滤波器基于、、和输出纬度误差和经度误差，并利用和分别矫正和，得到位置信息l和λ。当与的差值的绝对值大于或等于a%
×
或者usbl声学定位系统输出的声学定位数据存在缺失时，将和确定为l和λ。
56.示例地，滤波器内部的考虑深度约束的粗差探测组合导航系统模型的计算过程如下所示：组合导航系统模型的状态方程为：
57.其中，，表示运动传感器的航向误差；和分别表示前向和横向的速度误差；表示多普勒计程仪（doppler velocity log，dvl）的刻度因子误差；表示纬度误差；表示经度误差。，表示运动传感器测量的随机误差，和表示dvl测量的随机误差；根据运动传感器和dvl的噪声水平来选取噪声方差阵；状态转移矩阵和过程噪声矩阵下式所示：当满足且定位数据不缺失时，将导航系统计算得到的经纬度位置与声学定位系统量测的经纬度位置之差作为组合导航系统的量测量，则量测方程如下式所示：
58.其中，表示usbl测量的应答器深度，表示深度计测量的深度值，和别表示dr系统输出的应答器的纬度和经度；和分别表示声学定位系统输出的应答器的纬度和经度；表示声学定位系统的量测噪声。
59.根据dr系统误差方程和航位推算获取的经纬度数据，得到离散化的kalman滤波状态方程和量测方程如下所示：
60.其中，表示时刻的状态估计；表示时刻的状态估计；表示时刻到时刻的阶系统噪声分配矩阵；表示时刻的量测向量；表示时刻到时刻的状态转移矩阵；表示量测矩阵；表示系统激励噪声序列；表示系统量测噪声序列。
61.设定系统激励噪声和量测噪声的统计特性为下述公式所示：
62.其中，为系统激励噪声的方差矩阵；为系统量测噪声的方差矩阵；为函数；和表示时间序列中2个不同时刻。
63.示例地，请参考图5，图5为本发明实施例提供的一种通过考虑深度约束的粗差探测组合导航方法计算得到的应答器的位置轨迹示意图。图5中实线表示通过前述实施例过程得到的轨迹，虚线表示usbl声学定位系统输出的估计。由两条轨迹可以看出，通过组合导航方法剔除掉了usbl声学定位系统输出的存在异常的数据，保证了应答器的位置信息的准确性。
64.准确的海底地形信息是海洋资源开发和海洋空间利用的关键，而准确的海底地形需要高精度导航定位信息的支持。相关技术在通过组合导航系统获取深海潜水器上应答器的位置信息时，受到海洋噪声干扰、时变多径效应和水声传播的可靠性较差等因素的影响，声学定位系统的输出值会存在异常或者缺失的情况。导致在数据融合的过程中会引起系统量测模型与实际量测值之间的偏差，从而影响滤波算法的稳定性，导致最后得到的位置信息的准确度较低。
65.本发明实施例中，通过考虑深度约束的粗差探测组合导航方法获取应答器的位置信息。该方法中首先判断声学定位系统输出的声学定位数据是否存在异常和缺失，之后根据判断结果选择组合导航方式或者航位推算导航方式计算得到位置信息。从而减小了声学定位系统的输出值异常和缺失导致滤波算法不稳定的情况发生的概率，相较于相关技术提高了组合导航系统的稳定性和精度。高精度的位置信息能够使深海潜水器在水下复杂环境中更加有效地获取各类信息，对提高深海潜器执行水下任务（例如海洋中的科学研究、资源开发、工程建设以及军事活动等）的安全性和效率具有重要意义。
66.102、对于每个换能器，执行波束脚印归位过程，得到每个换能器的测深点在地理坐标系下的第三坐标。
67.该过程102可以由前述测深侧扫声呐主控器执行。
68.103、利用每个换能器的测深点的第三坐标，生成海底地形信息。
69.海底地形信息可以包括海底地形图。海底地形信息由各个换能器的测深点的第三坐标组成。
70.请参考图6，图6为本发明实施例提供的一种波束脚印归位过程的示意图，该过程可以由深海潜水器通过波束脚印归位模型执行，该过程可以包括以下步骤：1021、基于换能器接收波束的掠射角，确定换能器的波束入射角。
71.波束入射角指的是换能器发射的波束从海底反射回来后，换能器接收到的波束的入射角度。示例地，可以基于换能器接收波束的掠射角和第一公式，确定波束入射角。第一公式包括：θ=φ-π/2，θ表示波束入射角，φ表示换能器接收波束的掠射角。
72.以深海潜水器上安装有左舷换能器和右舷换能器为例，右舷换能器的波束入射角的计算方式如下：θ1=φ
1-π/2，θ1表示右舷换能器的波束入射角，φ1表示右舷换能器接收波束的掠射角。左舷换能器的波束入射角的计算方式如下：θ2=φ
2-π/2，θ2表示左舷换能器的波束入射角，φ2表示左舷换能器接收波束的掠射角。
73.1022、基于波束入射角和姿态信息，确定换能器的实际波束入射角。
74.该实际波束入射角为换能器的发射波束在理想换能器坐标系下的实际波束入射角。理想换能器坐标系的坐标原点o为换能器几何中心，水平向前沿船首方向为x轴（仪器标定首向，安装时平行于船首安装），水平向右为y轴，z轴垂直向下，构成右手正交坐标系，x-o-y平面在船静止时应为理想的水平面。
75.示例地，可以基于波束入射角、姿态信息和第二公式，确定实际波束入射角。第二公式包括：θ
´
=arccos（cosθcosp），θ
´
表示实际波束入射角，p表示姿态信息中的纵摇角。
76.首先通过该公式计算得到。表示换能器的发射波束在第一个水层垂直面中的传播距离，表示换能器的发射波束在第一个水层中传播的距离，表示换能器的发射波束在第一个水层时传播的垂直距离。之后通过第二公式计算得到实际波束入射角。
77.以深海潜水器上安装有左舷换能器和右舷换能器为例，右舷换能器的实际波束入射角的计算方式如下：，，表示右舷换能器的发射波束在第一个水层垂直面中的传播距离，表示右舷换能器的发射波束在第一个水层中传播的距离，表示右舷换能器的发射波束在第一个水层时传播的垂直距离。表示右舷换能器的发射波束在理想换能器坐标系下的实际波束入射角。
78.左舷换能器的实际波束入射角的计算方式如下：，，表示左舷换能器的发射波束在第一个水层垂直面中的传播距离，表示左舷换能器的发射波束在第一个水层中传播的距离，表示左舷换能器的发射波束在第一个水层时传播的垂直距离。表示左舷换能器的发射波束在理想换能器坐标系下的实际波束入射角。
79.以下对前述公式的原理进行说明。示例地，请参考图7，图7为本发明实施例提供的一种波束脚印归位模型示意图。图7以右舷换能器为例进行说明，o-xyz坐标系为右舷理想换能器坐标系，o为右舷换能器的几何中心。假设a点坐标为，c点坐标为。在深海潜水器的某一姿态影响下，右舷换能器发射的波束面oac变化为，即波束面oac先绕oy轴旋转角度，再绕ox轴旋转角度形成波束面。a点、c点经过第一次旋转转到点、位置，a点、c点经过第二次旋转转到点、点位置。点在x-o-z面上的投影是点，点在y-o-z面上的投影是点。如图7所示，与面x-o-z的夹角是横摇角r，与面y-o-z的夹角是纵摇角。
80.在声线跟踪过程中，需要考虑到深海潜水器的姿态影响从而计算得到实际的波束入射角。如图7所示，oh表示声呐发射的波束，位于波束面上。假设oh在传播第一个水层时以常声速传播，传播的距离为s，根据图7所示的几何关系可得：
，即为图7中波束oh与面x-o-z的夹角。在中，由余弦定理可得：。
81.参考前述图7相同的原理，可以得到前述计算左舷换能器的实际波束入射角为：，即为图7中波束向量与面x-o-z的夹角。
82.1023、基于波束入射角和姿态信息，确定换能器的入射波束在理想换能器坐标系下的单位向量。
83.示例地，可以基于纵摇角和第三公式，确定纵摇角构成的旋转矩阵，第三公式包括：，表纵摇角构成的旋转矩阵。之后基于波束入射角、纵摇角构成的旋转矩阵和第四公式，确定单位向量，第四公式包括：，表示单位向量。
84.以深海潜水器上安装有左舷换能器和右舷换能器为例，右舷换能器的入射波束在右舷理想换能器坐标系下的单位向量的计算方式如下：，表示右舷换能器的入射波束在右舷理想换能器坐标系下的单位向量，参见图7，表示在坐标系中的波束向量。
85.左舷换能器的入射波束在左舷理想换能器坐标系下的单位向量的计算方式如下：，表示左舷换能器的入射波束在左舷理想换能器坐标系下的单位向量。
86.1024、基于实际波束入射角、表层声速、换能器接收波束的传播时间声速剖面数据，确定换能器的测深点相对于换能器的垂直距离和水平距离。
87.换能器的测深点指的是换能器的发射波束照射到海底的区域，也称为波束脚印。
换能器的测深点相对于换能器的垂直距离和水平距离分别可以为：换能器的测深点相对于换能器的几何中心的垂直距离和水平距离。
88.示例地，可以通过实际波束入射角、表层声速、换能器接收波束的传播时间和声速剖面数据进行声线跟踪（例如常梯度声线跟踪），计算得到换能器的测深点相对于换能器的垂直距离和水平传播距离。
89.以深海潜水器上安装有左舷换能器和右舷换能器为例，可以基于右舷换能器的实际波束入射角、表层声速、右舷换能器接收波束的传播时间和声速剖面数据，确定右舷换能器的测深点相对于右舷换能器的垂直距离和水平距离。基于左舷换能器的实际波束入射角、表层声速、左舷换能器接收波束的传播时间和声速剖面数据，确定左舷换能器的测深点相对于左舷换能器的垂直距离和水平距离。
90.1025、基于垂直距离、水平距离和单位向量，确定测深点在理想换能器坐标系下的第一坐标。
91.示例地，可以先基于单位向量和第五公式，确定换能器的发射波束向量在水平面内的投影向量与x轴的夹角，第五公式包括：，表示夹角。之后基于垂直距离、水平距离、夹角和第六公式，确定第一坐标，第六公式包括：，表示第一坐标，表示水平距离，表示垂直距离。
92.以深海潜水器上安装有左舷换能器和右舷换能器为例，右舷换能器的发射波束向量在水平面内的投影向量与x轴的夹角的计算方式如下：，表示表示右舷换能器的发射波束向量在水平面内的投影向量与x轴的夹角。右舷换能器的测深点在右舷理想换能器坐标系下的第一坐标的计算方式如下：。
93.左舷换能器的发射波束向量在水平面内的投影向量与x轴的夹角的计算方式如下：，表示表示左舷换能器的发射波束向量在水平面内的投影向量与x轴的夹角。左舷换能器的测深点在左舷理想换能器坐标系下的第一坐标的计算方式如下：。
94.1026、基于第一坐标和应答器与换能器在当地水平坐标系下的偏移量，确定测深点在当地水平坐标系下的第二坐标。
95.当地水平坐标系原点位于深海潜水器上的应答器的几何中心，轴指向地北子
午线，轴指向东，轴垂直于oxy平面并构成右手正交坐标系。
96.示例地，可以首先基于姿态信息、夹角和第七公式，确定换能器的发射波束的垂直方位角（也称为水平面内测深点与换能器几何中心的连线与地北子午线的夹角），第七公式包括：，表示垂直方位角，表示姿态信息中的航向角。再基于姿态信息、应答器在载体坐标系下的坐标、换能器在载体坐标系下的坐标、垂直方位角以及第八公式，确定应答器与换能器（例如换能器的几何中心）在当地水平坐标系下的偏移量，第八公式包括：，表示所述偏移量，表示姿态信息中的横摇角构成的旋转矩阵，表示垂直方位角构成的旋转矩阵，表示应答器在载体坐标系下的坐标，表示换能器在载体坐标系下的坐标。和是在深海潜水器下水之前进行水深测量时获取到的。最后基于第一坐标、垂直方位角、偏移量以及第九公式，确定第二坐标，第九公式包括：，表示第二坐标。
97.载体坐标系的原点o位于水下应答器的几何中心，x轴平行于测量船龙骨线方向，指向船首为正方向，y轴指向右舷为正，z轴垂直于oxy平面向下，构成右手正交坐标系。
98.以深海潜水器上安装有左舷换能器和右舷换能器为例，右舷换能器的发射波束的垂直方位角的计算方式如下：，表示右舷换能器的发射波束的垂直方位角（也称为水平面内右舷换能器的测深点与右舷换能器几何中心的连线与地北子午线的夹角）。应答器与右舷换能器在当地水平坐标系下的偏移量的计算方式如下：，表示应答器与右舷换能器在当地水平坐标系下的偏移量，表示右舷换能器的垂直方位角构成的旋转矩阵。右舷换能器的测深点在当地水平坐标系下的第二坐标的计算方式如下：。
99.左舷换能器的发射波束的垂直方位角的计算方式如下：，表示左舷换能器的发射波束的垂直方位角（也称为水平面内左舷换能器的测深点与左舷换能器几何中心的连线与地北子午线的夹角）。应答器与左舷换能器在当地水平坐标系下的偏移量的计
算方式如下：，表示应答器与左舷换能器在当地水平坐标系下的偏移量，表示左舷换能器的垂直方位角构成的旋转矩阵。左舷换能器的测深点在当地水平坐标系下的第二坐标的计算方式如下：。
100.1027、基于第二坐标、位置信息和深度信息，确定测深点在地理坐标系下的第三坐标。
101.示例地，可以基于姿态信息、垂直方位角、深度计在载体坐标系下的坐标、应答器在载体坐标系下的坐标以及第十公式，确定诱导升沉（也称为深度计与应答器在当地水平坐标系下的偏移量）。第十公式包括：，表示诱导升沉，表示深度计在载体坐标系下的坐标，其是在深海潜水器下水之前进行水深测量时获取到的。之后基于诱导升沉、第二坐标、子午圈、卯酉圈曲率半径、位置信息、深度信息以及第十一公式，确定第三坐标，第十一公式包括：，表示第三坐标，表示位置信息，m表示子午圈，n表示卯酉圈曲率半径，表示深度信息，表示诱导升沉。
102.以深海潜水器上安装有左舷换能器和右舷换能器为例，右舷换能器的测深点在地理坐标系下的第三坐标的计算方式如下：。左舷换能器的测深点在地理
坐标系下的第三坐标的计算方式如下：，表示左舷换能器的测深点在地理坐标系下的第三坐标。
103.请参考图8，图8为本发明实施例提供的一种海底地形测量的示意图，如图8所示，声速经验模型计算并输出声速剖面数据，该声速剖面数据作为声速跟踪模型的输入。表层声速和换能器接收波束的传播时间也输入至声速跟踪模型。声速跟踪模型基于输入的数据计算并输出换能器的测深点相对于换能器的几何中心的垂直距离和水平距离。
104.换能器的测深点相对于换能器的几何中心的垂直距离和水平距离、换能器接收波束的掠射角、姿态信息、位置信息以及深度信息输入至波束脚印归位模型。波束脚印归位模型基于输入的数据生成并输出海底地形图。
105.示例地，请参考图9，图9为本发明实施例提供的一种海底地形图的示意图，该海底地形图采用本发明所述的实施例生成。
106.综上所述，本发明实施例提供的基于深海潜水器的海底地形测量方法，首先获取测深信息，测深信息包括：表层声速、声速剖面数据、每个换能器接收波束的掠射角、每个换能器接收波束的传播时间、深海潜水器的姿态信息、应答器的位置信息和应答器的深度信息，再对于每个换能器，执行波束脚印归位过程，波束脚印归位过程包括：基于换能器接收波束的掠射角，确定换能器的波束入射角，基于波束入射角和姿态信息，确定换能器的实际波束入射角，基于波束入射角和姿态信息，确定换能器的入射波束在理想换能器坐标系下的单位向量，基于实际波束入射角、表层声速、换能器接收波束的传播时间和声速剖面数据，确定换能器的测深点相对于换能器的垂直距离和水平距离，基于垂直距离、水平距离和单位向量，确定测深点在理想换能器坐标系下的第一坐标，基于第一坐标和应答器与换能器在当地水平坐标系下的偏移量，确定测深点在当地水平坐标系下的第二坐标，基于第二坐标、位置信息和深度信息，确定测深点在地理坐标系下的第三坐标，最后利用每个换能器的测深点的第三坐标，生成海底地形信息。该波束脚印归位过程能够同时顾及波束入射角和深海潜水器的实时姿态角，并将测深点首先在理想换能器坐标系下表达，计算波束在理想换能器坐标系中的三维入射向量，然后再进行精确的声线跟踪计算测深点地理坐标。能够避免波束脚印归位时先声线跟踪再坐标转换带来的测深点位置误差，获得了声线在空间的实际传播路径和实际的波束初始入射角，从而实现了测深点地理坐标的正确计算，提高了海底地形的测量精度。
107.需要说明的是，本发明实施例提供的基于深海潜水器的海底地形测量方法步骤的先后顺序可以进行适当调整，步骤也可以根据情况进行相应增减，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化的方法，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此不再赘述。
108.可选地，上述实施例中是以基于深海潜水器的海底地形测量方法为例进行说明的。在一种示例中，该基于深海潜水器的海底地形测量方法中的不同步骤可以由不同的模
块来执行。该不同的模块可以位于一个装置中，也可以位于不同的装置中。本发明实施例对执行基于深海潜水器的海底地形测量方法的装置不做限定。
109.上文中结合图1至图9详细描述了本发明实施例所提供的基于深海潜水器的海底地形测量方法，下面将结合图10和图11描述本发明实施例所提供的基于深海潜水器的海底地形测量装置。
110.请参考图10，图10为本发明实施例提供的一种基于深海潜水器的海底地形测量装置的框图，深海潜水器上安装有换能器和应答器，该装置20包括：获取模块201，用于获取测深信息，表层声速、声速剖面数据、每个换能器接收波束的掠射角、每个换能器接收波束的传播时间、深海潜水器的姿态信息、应答器的位置信息和应答器的深度信息；波束脚印归位模块202，用于对于每个换能器，执行波束脚印归位过程，波束脚印归位过程包括：基于换能器接收波束的掠射角，确定换能器的波束入射角；基于波束入射角和姿态信息，确定换能器的实际波束入射角；基于波束入射角和姿态信息，确定换能器的入射波束在理想换能器坐标系下的单位向量；基于实际波束入射角、表层声速、换能器接收波束的传播时间和声速剖面数据，确定换能器的测深点相对于换能器的垂直距离和水平距离；基于垂直距离、水平距离和单位向量，确定测深点在理想换能器坐标系下的第一坐标；基于第一坐标和应答器与换能器在当地水平坐标系下的偏移量，确定测深点在当地水平坐标系下的第二坐标；基于第二坐标、位置信息和深度信息，确定测深点在地理坐标系下的第三坐标；海底地形生成模块203，用于利用每个换能器的测深点的第三坐标，生成海底地形信息。
111.可选地，测深信息包括位置信息，获取模块201，具体用于：获取声学定位系统输出的声学定位数据和深度计输出的深度计深度；基于深度计深度确定声学定位数据是否存在异常；当声学定位数据存在异常时，将导航系统输出的航位推算数据确定为位置信息；当声学定位数据不存在异常时，基于声学定位数据和航位推算数据确定位置信息。
112.可选地，声学定位数据包括深度值，获取模块201，具体用于：确定深度值与深度计深度的差值；当深度值与深度计深度的差值的绝对值小于预设精度时，确定声学定位数据不存在异常；当深度值与深度计深度的差值的绝对值大于或等于预设精度时，确定声学定位数据存在异常。
113.可选地，波束脚印归位模块202，具体用于：基于换能器接收波束的掠射角和第一公式，确定波束入射角；第一公式包括：θ=φ-π/2，θ表示波束入射角，φ表示换能器接收波束的掠射角。
114.可选地，波束脚印归位模块202，具体用于：基于波束入射角、姿态信息和第二公式，确定实际波束入射角；第二公式包括：θ
´
=arccos（cosθcosp），θ
´
表示实际波束入射角，p表示姿态信息中的纵摇角。
115.可选地，波束脚印归位模块202，具体用于：基于纵摇角和第三公式，确定纵摇角构成的旋转矩阵，第三公式包括：，表示纵摇角构成的旋转矩
阵；基于波束入射角、纵摇角构成的旋转矩阵和第四公式，确定单位向量，第四公式包括：，表示单位向量。
116.可选地，波束脚印归位模块202，具体用于：基于单位向量和第五公式，确定换能器的发射波束向量在水平面内的投影向量与x轴的夹角，第五公式包括：，表示夹角；基于垂直距离、水平距离、夹角和第六公式，确定第一坐标，第六公式包括：，表示第一坐标，表示水平距离，表示垂直距离。
117.可选地，波束脚印归位模块202，还用于：基于姿态信息、夹角和第七公式，确定换能器的发射波束的垂直方位角，第七公式包括：，表示垂直方位角，表示姿态信息中的航向角；基于姿态信息、应答器在载体坐标系下的坐标、换能器在载体坐标系下的坐标、垂直方位角以及第八公式，确定应答器与换能器在当地水平坐标系下的偏移量，第八公式包括：，表示偏移量，表示姿态信息中的横摇角构成的旋转矩阵，表示垂直方位角构成的旋转矩阵，表示应答器在载体坐标系下的坐标，表示换能器在载体坐标系下的坐标；波束脚印归位模块202，具体用于：基于第一坐标、垂直方位角、偏移量以及第九公式，确定第二坐标，第九公式包括：，表示第二坐标。
118.可选地，波束脚印归位模块202，具体用于：基于姿态信息、垂直方位角、深度计在载体坐标系下的坐标、应答器在载体坐标系下的坐标以及第十公式，确定诱导升沉，第十公式包括：，表示诱导升沉，示深度计在载体坐标系下的坐标；基于诱导升沉、第二坐标、子午圈、卯酉圈曲率半径、位置信
息、深度信息以及第十一公式，确定第三坐标，第十一公式包括：，表示第三坐标，表示位置信息，m表示子午圈，n表示卯酉圈曲率半径，表示深度信息，表示诱导升沉。
119.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的基于深海潜水器的海底地形测量装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，本发明实施例在此不再赘述。
120.本发明实施例提供了一种基于深海潜水器的海底地形测量装置，包括：处理器；用于存储处理器的可执行指令的存储器；其中，处理器被配置为执行存储器中存储的指令以实现本发明实施例任一所述的基于深海潜水器的海底地形测量方法。
121.示例地，请参考图11，图11为本发明实施例提供的一种基于深海潜水器的海底地形测量装置的结构示意图，如图11所示，该基于深海潜水器的海底地形测量装置30包括：存储器301和处理器302。其中，存储器301用于存储程序，处理器302用于执行存储器301中存储的程序，以实现本发明实施例提供任一所述的基于深海潜水器的海底地形测量方法。
122.可选地，如图11所示，该基于深海潜水器的海底地形测量装置30还可以包括至少一个通信接口303和至少一个通信总线304。存储器301、处理器302以及通信接口303通过通信总线304通信连接。
123.本发明实施例提供了一种计算机存储介质，该存储介质中存储有指令，当指令在处理组件上运行时，使得处理组件执行本发明实施例任一所述的基于深海潜水器的海底地形测量方法。
124.上述实施例可以通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括若干计算机指令，以使计算机执行本发明实施例任一所述的方法。
125.其中，该计算机可以包括通用计算机或计算机网络。计算机通过其存储介质存储计算机指令，或者从其他存储介质获取计算机指令。该存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者包含一个或多个可用介质集成的服务器以及数据中心等数据存储装置。该可用介质可以为磁性介质（例如，软盘、硬盘、磁带）、光介质或者半导体介质（例如固态硬盘）等。
126.本发明实施例中，“第一”和“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。“至少一个”表示一个或多个，“多个”表示两个或两个以上，“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。除非另有明确的限定。
127.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其
它实施方案。本技术旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。
128.应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。