水下機(jī)器人/AUV聲吶數(shù)據(jù)處理
分類：行業(yè)資訊
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2017-03-01
近幾年，水下自治機(jī)器人(AUVs) 廣泛應(yīng)用于水文調(diào)查市場(chǎng)，用于采集海洋環(huán)境數(shù)據(jù)。這些AUV可以長(zhǎng)時(shí)間航行，可以在常規(guī)調(diào)查船無(wú)法工作的區(qū)域工作。雖然隨著時(shí)間的推移，相對(duì)其工作量來(lái)說(shuō)，AUV費(fèi)用是經(jīng)濟(jì)合理的，但在處理數(shù)據(jù)上存在局限性。我們?nèi)绾斡行У膹腁UV采集數(shù)據(jù)得到最終產(chǎn)品呢?
從AUV下載數(shù)據(jù)
每次任務(wù)都采集了海量測(cè)深和側(cè)掃數(shù)據(jù)。4小時(shí)斷面測(cè)量，將采集70GB數(shù)據(jù)，通過(guò)USB連接下載需要超過(guò)1小時(shí)。可拆卸硬盤(pán)可能不現(xiàn)實(shí)，因?yàn)锳UV需要保持水密性，所以只能花費(fèi)時(shí)間下載數(shù)據(jù)。 某些大型AUV，移除了包含電池和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的整段部分。
準(zhǔn)備格式轉(zhuǎn)換
數(shù)據(jù)一旦下載，傳感器數(shù)據(jù)必須是處理可用的格式。做成業(yè)界通用格式，例如HSX, GSF 或 XTF，允許更多的軟件能夠處理數(shù)據(jù)。
本文中，所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成HYPACK HSX格式，并且用HYPACK軟件處理： MBMAX64 做水深處理，HYSCAN做側(cè)掃處理。
某些AUV搭載的相干測(cè)深系統(tǒng)需要附加步驟，在轉(zhuǎn)換到HYPACK HSX格式前必須處理成某種數(shù)據(jù)格式。其它聲吶數(shù)據(jù)可以直接轉(zhuǎn)換成HSX格式。
出于測(cè)量效率考慮，這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換可以在AUV載體上進(jìn)行。每條測(cè)線數(shù)據(jù)采集后，原始文件可以轉(zhuǎn)換成處理格式，但數(shù)據(jù)仍在AUV載體上。我們?nèi)匀恍枰紤]將數(shù)據(jù)從AUV下載所需的時(shí)間，但隨后我們可以立即開(kāi)始處理工作。
誤差
AUV上每個(gè)傳感器都貢獻(xiàn)了一定程度的測(cè)深或定位誤差。已經(jīng)看到的3個(gè)誤差是導(dǎo)航漂移及對(duì)數(shù)據(jù)的調(diào)整、聲吶更新率對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)彎速度以及AUV水深計(jì)算(壓力傳感器)和潛在誤差。
導(dǎo)航調(diào)整
有些AUV，其傳感器導(dǎo)航很好；其它AUV，定位漂移很明顯。數(shù)據(jù)處理軟件有工具輔助處理數(shù)據(jù)：
處理后的導(dǎo)航文件和聲吶數(shù)據(jù)融合
導(dǎo)航文件經(jīng)過(guò)載體漂移歸算，是AUV真實(shí)位置的估值。從載體提取原始導(dǎo)航文件，然后用已知的海底標(biāo)記物改正，生成改進(jìn)的導(dǎo)航文件。轉(zhuǎn)換期間，此文件替代了任務(wù)期間記錄的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。
用已知偏移值調(diào)整位置– 在測(cè)線末尾確定此偏移值 – 和沿測(cè)線航行距離成比例
AUV下潛前，獲得GPS定位。測(cè)線結(jié)束時(shí)，AUV獲得新的定位。GPS定位和AUV定位的差值用于調(diào)整測(cè)線。盡管不準(zhǔn)確，這種方法假設(shè)整個(gè)測(cè)線的漂移和速度是恒定不變的，按在測(cè)線上航行的距離依比例調(diào)整。將水深看作剖面線，我們可以看到在測(cè)線末尾，這種漂移造成明顯的水深差值。
測(cè)線轉(zhuǎn)彎覆蓋
AUV轉(zhuǎn)彎時(shí)可以觀察到第二誤差。理想情況下，所有測(cè)線都設(shè)計(jì)成單段斷面。每段結(jié)果，出現(xiàn)數(shù)據(jù)中斷，轉(zhuǎn)彎一旦完成，開(kāi)始新測(cè)線。但是，下面例子中，AUV在8秒內(nèi)轉(zhuǎn)彎30°。大多數(shù)情況下，這不成問(wèn)題。
任務(wù)期間，多波束聲吶更新率2 Hz。可以確定，以此Ping率，AUV以2節(jié)航速，在110m水深可以完全覆蓋海底。但是，條帶的邊緣(離正下方175m)不能完全覆蓋海底，因?yàn)槊棵?°轉(zhuǎn)彎速度時(shí)，邊緣波束的旅行距離超過(guò)波束腳印大小。
這樣就留下了縫隙。系統(tǒng)Ping率需要大于12Hz才能填充這些區(qū)域。(轉(zhuǎn)彎率濾波器可以完全清除此數(shù)據(jù))
淺水情況下，這是可以做到的。但本案例中，用2條直線取代折線，直線在轉(zhuǎn)彎時(shí)相交，以完整覆蓋區(qū)域。當(dāng)然，缺點(diǎn)就是增加了測(cè)量時(shí)間。
由壓力傳感器計(jì)算水深
AUV深度來(lái)自壓力傳感器。使用UNESCO標(biāo)準(zhǔn)公式可以計(jì)算拖魚(yú)深度(存儲(chǔ)在HSX文件中，標(biāo)識(shí)符DFT)，并添加到聲吶值中，得到實(shí)際水深。 圖3中，注意測(cè)線開(kāi)始時(shí)的入水，沒(méi)有拖魚(yú)深度應(yīng)用時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)保持恒定高度。
但是，計(jì)算水深是不準(zhǔn)確的。傳感器的不確定性是基于可變的因素 - 海況、波高和氣壓 - 測(cè)量這些值并實(shí)時(shí)改正是不可能的。波浪的作用就是在AUV上方的補(bǔ)充水，其改變了載體傳感器的壓力讀數(shù)。氣壓變化引起的誤差較小。我們可以在任務(wù)開(kāi)始及結(jié)束時(shí)測(cè)量氣壓，按時(shí)間內(nèi)插，但氣壓變化率并不是恒定不變的。
未改正的
壓力水深曲線包含了這些小誤差。樣例數(shù)據(jù)顯示了單次下潛任務(wù)中60cm的壓力讀數(shù)的峰谷測(cè)量值。
如果我們測(cè)量了海底水深，不應(yīng)用任何吃水改正，我們可以觀察到水深有20cm的幅度變化。將此作為基準(zhǔn)水深，我們可以嘗試調(diào)整壓力傳感器水深，不需要修改海底地形，為AUV做水深改正。
直接應(yīng)用壓力傳感器水深，我們可以觀察到從波峰到波谷，有55cm的高頻抖動(dòng)。
對(duì)壓力傳感器水深做5秒平均，清除了高低頻抖動(dòng)，峰谷水深小于23cm，和基準(zhǔn)海底水深一致。
結(jié)論
AUV增加了其在測(cè)量和海洋工作市場(chǎng)的存在性。但是和所有傳感器類似，它也有誤差。AUV水深和定位誤差歸因于載荷、載體大小和環(huán)境條件。本文陳列了你可能碰到的幾個(gè)問(wèn)題。有些問(wèn)題很容易解決，僅僅設(shè)計(jì)直線測(cè)量任務(wù)是有好處的，但是導(dǎo)航漂移以及波動(dòng)引起的誤差只能通過(guò)估計(jì)改正，所以改正數(shù)據(jù)可能不是很準(zhǔn)確。