一種用于礦井避碰聲納的目標探測方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于礦井避碰聲納的目標檢測方法，包括：首先利用多波束聲納，在波束內(nèi)對每個角度的回波信號進行檢測，通過強度分析判斷回波時刻，獲得一組障礙目標的回波時刻；接著配合角度信息得到各個障礙物的位置；最后利用墻壁的線性特征，檢測墻壁回波，實現(xiàn)障礙物分類。
【專利說明】
-種用于礦井避碰聲納的目標探測方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及井下目標探測領域，特別設及一種用于礦井避碰聲納的目標探測方 法。
【背景技術】
[0002] 礦井內(nèi)水下救援車能夠在水下航行，是礦井發(fā)生危險并出現(xiàn)井內(nèi)充水的危急情況 的重要救援設備。但是，礦井內(nèi)通道狹窄，障礙物復雜，對水下救援車安全行駛造成嚴重威 脅，為此，需要配備專用避碰聲納。避碰聲納探測到的目標包括兩側的墻壁W及通道內(nèi)的障 礙物，避碰聲納在檢測到目標的基礎上，還需要準確識別兩側墻壁，為制定航行方向提供參 考。
[0003] 在解決墻壁識別問題中，可W利用墻壁是線性目標運一幾何特點，現(xiàn)有技術中通 常采用化U曲變換實現(xiàn)檢測。但是，礦井內(nèi)墻壁凸凹不整，常規(guī)的化U曲變換不能解決。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服已有的避碰聲納在礦井環(huán)境下無法有效識別礦井墻壁的 缺陷，從而提供一種能夠有效識別"不太直"的礦井墻壁的檢測方法。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種用于礦井避碰聲納的目標檢測方法，包括： 首先利用多波束聲納，在波束內(nèi)對每個角度的回波信號進行檢測，通過強度分析判斷回波 時刻，獲得一組障礙目標的回波時刻;接著配合角度信息得到各個障礙物的位置;最后利用 墻壁的線性特征，檢測墻壁回波，實現(xiàn)障礙物分類。
[0006] 上述技術方案中，該方法具體包括：
[0007] 步驟1)、多波束聲納發(fā)出檢測信號，檢測信號遇到障礙物后反射回來，生成回波信 號；
[000引步驟2)、在波束內(nèi)對每個角度的回波信號進行檢測，通過回波幅度判斷各個回波 信號的回波時刻，獲得每個角度下的目標距離，進而獲得每一帖內(nèi)的障礙物位置；
[0009] 步驟3)、對步驟2)檢測到的障礙物進行分類，識別并剔除其中屬于墻壁的障礙物， 得到通道內(nèi)障礙物;其中，該步驟進一步包括：
[0010] 步驟3-1)、通過化U曲變換，將步驟2)中檢測到的障礙物所在位置的測量點從圖形 空間變換到參數(shù)空間，相關的表達式為：
[0011] P=Xcos 白+Ysin 白
[0012] 其中，P表示測量點到坐標系原點的距離，X、Y分別表示測量點在X軸上與Y軸上的 坐標，0表示P與X軸夾角；
[0013] 步驟3-2)、將參數(shù)空間量化成n Xm個單元，即P方向分成n個單元，0方向分成m個單 元;給參數(shù)空間中的每個單元分配一個累加器Q，在參數(shù)空間內(nèi)將化和所對應的累加器單 元加1j《m，即：
[0014] Q(i, j)=Q(i, j)+l；
[0015] 步驟3-3)、找出累加器數(shù)值最大的點，得到聚集性最大的點Q(Pk，目m);
[0016] 步驟3-4)、遍歷每個測量點，對于任一測量點，檢驗該測量點是否經(jīng)過Q(Pk, 0m)對 應的區(qū)間，若經(jīng)過，則相應的測量點被認為是屬于墻壁的測量點；
[0017] 步驟3-5)、將屬于墻壁的測量點剔除，剩余的測量點就屬于通道內(nèi)的障礙物。
[0018] 上述技術方案中，在所述的步驟2)中，通過回波幅度判斷各個回波信號的回波時 刻遵循兩條檢測原則:一是回波的強度要高于口限值，口限值為波束能量的均值;二是回波 要有一定的持續(xù)時間。
[0019] 上述技術方案中，在所述的步驟3-4)中，對于一測量點的檢測過程包括：
[0020] 一測量點(Xi，Yi)在參數(shù)空間內(nèi)的表達式為：
[0021] 化= XiCOS 目 m+Yisin 白 m
[00剖如果Pw<h<Pk+i，則該測量點被認為經(jīng)過Q(Pk，M對應的區(qū)間，即（XiJi)點為墻 壁。
[0023] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0024] 本發(fā)明針對礦井水下避碰聲納使用需求，提出一種障礙物探測、分類識別方法。該 方法采用能量法檢測目標，再通過擴展的化U曲變換實現(xiàn)墻壁目標識別，方法簡便有效，易 于系統(tǒng)實現(xiàn)。探測結果可W為礦井水下救援車安全航行提供保障，對提高捜救效率、保障捜 救人員安全具有重要意義。
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發(fā)明的用于礦井避碰聲納的目標檢測方法的流程圖；
[0026] 圖2是波束照射墻壁的示意圖；
[0027] 圖3是本發(fā)明的用于礦井避碰聲納的目標檢測方法中墻壁分類識別的流程圖；
[0028] 圖4是在一個仿真實例中檢測結果的示意圖。
【具體實施方式】
[0029] 現(xiàn)結合附圖對本發(fā)明作進一步的描述。
[0030] 參考圖1，本發(fā)明的用于礦井避碰聲納的目標檢測方法的整體流程包括:首先利用 多波束聲納，在波束內(nèi)對每個角度的回波信號進行檢測，通過強度分析判斷回波時刻，獲得 一組障礙目標的回波時刻;接著配合角度信息得到各個障礙物的位置;最后利用墻壁的線 性特征，檢測墻壁回波，實現(xiàn)障礙物分類。
[0031 ]下面對本發(fā)明方法的流程做具體說明。
[0032] 本發(fā)明的方法包括：
[0033] 步驟1)、多波束聲納發(fā)出檢測信號，檢測信號遇到障礙物后反射回來，生成回波信 號。
[0034] 步驟2)、在波束內(nèi)對每個角度的回波信號進行檢測，通過回波幅度判斷各個回波 信號的回波到達時刻（簡稱回波時刻），從而獲得每個角度下的目標距離，進而獲得每一帖 內(nèi)的障礙物位置。
[0035] 在礦井中探測障礙物時，具有距離近、扇形開角較小等特點，因此在檢測各個回波 信號的回波時刻時，采用幅度法檢測。所述幅度法的檢測原則有兩條，一是回波的強度要高 于口限值，口限值為波束能量的均值;二是回波要有一定的持續(xù)時間，即回波的持續(xù)時間需 高于一闊值，所述闊值為波束內(nèi)所有時刻回波能量的均值。只有同時滿足上述兩個檢測原 貝1J，聲納所接收到的波信號才會被認為是回波信號。
[0036] 其中，回波持續(xù)時間與發(fā)射信號長度W及入射角度有關，其計算公式如下：
[0037]
[003引其中，Tech康示回波持續(xù)時間，L為聲納距離墻面的距離，目為波束角，a為波束入射 角，t為發(fā)射信號長度，C為聲速。所述L、0、a的具體含義可參見圖2。
[0039] 在確定目標回波后，聲納接收到該目標回波的時刻就是所述的回波到達時刻。障 礙物位置可W用所在波束的角度和回波達到時刻來表征。在本步驟中，所檢測到的障礙物 是包括墻壁在內(nèi)的所有障礙物。
[0040] 步驟3)、對步驟2)檢測到的障礙物進行分類，識別并剔除其中屬于墻壁的障礙物， 得到通道內(nèi)障礙物。
[0041] 在本發(fā)明中可采用化U曲變換實現(xiàn)墻壁分類識別?；疷曲變換是一種圖像邊緣檢測 技術，利用點-線的對偶性，通過化U曲變換方程建立起圖像空間到參數(shù)空間的映射，圖像空 間中一點變換到參數(shù)空間中將對應一條曲線或曲面，而具有相同參數(shù)特征的點在參數(shù)空間 中將交于一點，通過峰值提取對交點進行定位，再對交點進行反變換，從而完成圖像空間中 圖形的檢測。
[0042] 參考圖3,處理過程如下：
[0043] (a)通過化U曲變換，將測量點（即步驟2)中檢測到的障礙物所在位置)從圖形空間 變換到參數(shù)空間，相關的表達式為：
[0044] P=Xcos 白+Ysin 白
[0045] 其中，P表示測量點到原點的距離，X、Y分別表示測量點在X軸上與Y軸上的坐標，0 表不P與X軸夾角。
[0046] (b)將參數(shù)空間量化成n X m個單元，即P方向分成n個單元，0方向分成m個單元。給 參數(shù)空間中的每個單元分配一個累加器Q，在參數(shù)空間內(nèi)將Pi和0J所對應的累加器單元加1 (其中j《m)，即：
[0047] Q(i，j)=Q(i，j)+i。
[004引（C)找出累加器數(shù)值最大的點，得到聚集性最大的點Q(化，白m)
[0049] (d)遍歷每個測量點，檢驗該測量點是否經(jīng)過Q(Pk，0m)對應的區(qū)間；其中某一測量 點(Xi，Yi)在參數(shù)空間內(nèi)的表達式為：
[0化0]化= XiCOS 目 m+YiSin 白 m
[00引]如果Pk-i<Pi<Pk+i，則該測量點被認為經(jīng)過Q(Pk，目m)對應的區(qū)間，即（Xi，Yi)點為墻 壁。
[0052] (e)將屬于墻壁的測量點剔除，剩余的測量點就屬于通道內(nèi)的障礙物。
[0053] 與現(xiàn)有技術中采用化Ugh變換實現(xiàn)墻壁識別的方法相比，本發(fā)明的方法在原有 hou曲變換的基礎上做了擴展，使得本發(fā)明的方法可W適用于"不是太直"的直線檢測，顯然 適用范圍更廣。
[0054] 在一個仿真分析范例中，仿真條件為:兩側墻壁間距2m，聲納位于中間，距每側墻 壁距離都是Im,探測距離5m，扇形覆蓋角60°，障礙物位于聲納正前方3m處。左側墻壁有起 伏。利用化U曲變換，將接收到的信號轉(zhuǎn)化到參數(shù)空間，參數(shù)空間量化成30X90個單元，P方 向分成30個單元，0為90個單元。
[0055] 利用本方法進行處理，可W實現(xiàn)兩側墻壁和障礙物的檢測，檢測結果如圖4所示。
[0056] 最后所應說明的是，W上實施例僅用W說明本發(fā)明的技術方案而非限制。盡管參 照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發(fā)明的技術方 案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明 的權利要求范圍當中。
【主權項】
1. 一種用于礦井避碰聲納的目標檢測方法，包括:首先利用多波束聲納，在波束內(nèi)對每 個角度的回波信號進行檢測，通過強度分析判斷回波時刻，獲得一組障礙目標的回波時刻； 接著配合角度信息得到各個障礙物的位置;最后利用墻壁的線性特征，檢測墻壁回波，實現(xiàn) 障礙物分類。2. 根據(jù)權利要求1所述的用于礦井避碰聲納的目標檢測方法，其特征在于，該方法具體 包括： 步驟1)、多波束聲納發(fā)出檢測信號，檢測信號遇到障礙物后反射回來，生成回波信號； 步驟2)、在波束內(nèi)對每個角度的回波信號進行檢測，通過回波幅度判斷各個回波信號 的回波時刻，獲得每個角度下的目標距離，進而獲得每一幀內(nèi)的障礙物位置； 步驟3)、對步驟2)檢測到的障礙物進行分類，識別并剔除其中屬于墻壁的障礙物，得到 通道內(nèi)障礙物;其中，該步驟進一步包括： 步驟3-1)、通過Hough變換，將步驟2)中檢測到的障礙物所在位置的測量點從圖形空間 變換到參數(shù)空間，相關的表達式為： P = Xcos9+Ysin9 其中，P表示測量點到坐標系原點的距離，X、Y分別表示測量點在X軸上與Y軸上的坐標， Θ表示P與X軸夾角； 步驟3-2)、將參數(shù)空間量化成n Xm個單元，即P方向分成η個單元，Θ方向分成m個單元； 給參數(shù)空間中的每個單元分配一個累加器Q，在參數(shù)空間內(nèi)將PdPh所對應的累加器單元加 I，Ki<n，K j<m，即： Q(i，j)=Q(i，j)+l; 步驟3-3)、找出累加器數(shù)值最大的點，得到聚集性最大的點Q(pk，0m); 步驟3-4)、遍歷每個測量點，對于任一測量點，檢驗該測量點是否經(jīng)過Q(Pk，9m)對應的 區(qū)間，若經(jīng)過，則相應的測量點被認為是屬于墻壁的測量點； 步驟3-5)、將屬于墻壁的測量點剔除，剩余的測量點就屬于通道內(nèi)的障礙物。3. 根據(jù)權利要求2所述的用于礦井避碰聲納的目標檢測方法，其特征在于，在所述的步 驟2)中，通過回波幅度判斷各個回波信號的回波時刻遵循兩條檢測原則:一是回波的強度 要高于門限值，門限值為波束能量的均值;二是回波要有一定的持續(xù)時間。4. 根據(jù)權利要求2所述的用于礦井避碰聲納的目標檢測方法，其特征在于，在所述的步 驟3-4)中，對于一測量點的檢測過程包括： 一測量點(Xi，Yi)在參數(shù)空間內(nèi)的表達式為： Pi = XiCosB^YisinBln 如果Pk-i<Pi<Pk+i，則該測量點被認為經(jīng)過Q(PkA)對應的區(qū)間，即(Xi，Yi)點為墻壁。
【文檔編號】G01S15/06GK105954752SQ201610262177
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月25日
【發(fā)明人】劉佳, 許楓, 蔣立軍, 張謙
【申請人】中國科學院聲學研究所