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      2017-03-01 次瀏覽 分類:水下機器人行業資訊

      水下機器人/AUV聲吶數據處理

      近幾年,水下自治機器人(AUVs) 廣泛應用于水文調查市場,用于采集海洋環境數據。這些AUV可以長時間航行,可以在常規調查船無法工作的區域工作。

      雖然隨著時間的推移,相對其工作量來說,AUV費用是經濟合理的,但在處理數據上存在局限性。我們如何有效的從AUV采集數據得到最終產品呢?


      從AUV下載數據


      每次任務都采集了海量測深和側掃數據。4小時斷面測量,將采集70GB數據,通過USB連接下載需要超過1小時。可拆卸硬盤可能不現實,因為AUV需要保持水密性,所以只能花費時間下載數據。 某些大型AUV,移除了包含電池和數據存儲的整段部分。

      準備格式轉換

       

      數據一旦下載,傳感器數據必須是處理可用的格式。做成業界通用格式,例如HSX, GSF 或 XTF,允許更多的軟件能夠處理數據。

       

      本文中,所有數據轉換成HYPACK HSX格式,并且用HYPACK軟件處理: MBMAX64 做水深處理,HYSCAN做側掃處理。


      某些AUV搭載的相干測深系統需要附加步驟,在轉換到HYPACK HSX格式前必須處理成某種數據格式。其它聲吶數據可以直接轉換成HSX格式。

       

      出于測量效率考慮,這些數據轉換可以在AUV載體上進行。每條測線數據采集后,原始文件可以轉換成處理格式,但數據仍在AUV載體上。我們仍然需要考慮將數據從AUV下載所需的時間,但隨后我們可以立即開始處理工作。


      誤差

       

      AUV上每個傳感器都貢獻了一定程度的測深或定位誤差。已經看到的3個誤差是導航漂移及對數據的調整、聲吶更新率對應轉彎速度以及AUV水深計算(壓力傳感器)和潛在誤差。


      導航調整


      有些AUV,其傳感器導航很好;其它AUV,定位漂移很明顯。數據處理軟件有工具輔助處理數據:


      導航文件經過載體漂移歸算,是AUV真實位置的估值。從載體提取原始導航文件,然后用已知的海底標記物改正,生成改進的導航文件。轉換期間,此文件替代了任務期間記錄的導航數據。

       

      AUV下潛前,獲得GPS定位。測線結束時,AUV獲得新的定位。GPS定位和AUV定位的差值用于調整測線。盡管不準確,這種方法假設整個測線的漂移和速度是恒定不變的,按在測線上航行的距離依比例調整。將水深看作剖面線,我們可以看到在測線末尾,這種漂移造成明顯的水深差值。


      測線轉彎覆蓋


      AUV轉彎時可以觀察到第二誤差。理想情況下,所有測線都設計成單段斷面。每段結果,出現數據中斷,轉彎一旦完成,開始新測線。但是,下面例子中,AUV在8秒內轉彎30°。大多數情況下,這不成問題。

       

      任務期間,多波束聲吶更新率2 Hz。可以確定,以此Ping率,AUV以2節航速,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,因為每秒4°轉彎速度時,邊緣波束的旅行距離超過波束腳印大小。

       

      這樣就留下了縫隙。系統Ping率需要大于12Hz才能填充這些區域。(轉彎率濾波器可以完全清除此數據)

       

      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,直線在轉彎時相交,以完整覆蓋區域。當然,缺點就是增加了測量時間。


      由壓力傳感器計算水深

       

      AUV深度來自壓力傳感器。使用UNESCO標準公式可以計算拖魚深度(存儲在HSX文件中,標識符DFT),并添加到聲吶值中,得到實際水深。 圖3中,注意測線開始時的入水,沒有拖魚深度應用時,測量數據保持恒定高度。

       

      但是,計算水深是不準確的。傳感器的不確定性是基于可變的因素 - 海況、波高和氣壓 - 測量這些值并實時改正是不可能的。波浪的作用就是在AUV上方的補充水,其改變了載體傳感器的壓力讀數。氣壓變化引起的誤差較小。我們可以在任務開始及結束時測量氣壓,按時間內插,但氣壓變化率并不是恒定不變的。


      壓力水深曲線包含了這些小誤差。樣例數據顯示了單次下潛任務中60cm的壓力讀數的峰谷測量值。

       

      如果我們測量了海底水深,不應用任何吃水改正,我們可以觀察到水深有20cm的幅度變化。將此作為基準水深,我們可以嘗試調整壓力傳感器水深,不需要修改海底地形,為AUV做水深改正。

       


      結論


      AUV增加了其在測量和海洋工作市場的存在性。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、載體大小和環境條件。本文陳列了你可能碰到的幾個問題。有些問題很容易解決,僅僅設計直線測量任務是有好處的,但是導航漂移以及波動引起的誤差只能通過估計改正,所以改正數據可能不是很準確。




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