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檢測(cè)水下結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變化的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明披露了一種可用于掃描水下結(jié)構(gòu)的方法和系統(tǒng)。所述方法和系統(tǒng)使得使用者對(duì)水下結(jié)構(gòu)有更好的了解。例如，所述方法和系統(tǒng)檢測(cè)水下結(jié)構(gòu)的變化。聲波聲納波被導(dǎo)向水下結(jié)構(gòu)，并且反射的聲波聲納波被接收并處理以便生成三維圖像。該水下結(jié)構(gòu)的三維圖像的數(shù)據(jù)點(diǎn)與水下結(jié)構(gòu)的在先存在的三維模型對(duì)準(zhǔn)(比對(duì))。根據(jù)所對(duì)準(zhǔn)(比對(duì))的三維圖像生成變化檢測(cè)模型，并且所述變化檢測(cè)模型與水下結(jié)構(gòu)的在先存在的三維模型進(jìn)行比較。根據(jù)比較結(jié)果，檢測(cè)水下結(jié)構(gòu)中發(fā)生的結(jié)構(gòu)變化。
【專利說(shuō)明】檢測(cè)水下結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變化
[0001]本申請(qǐng)要求申請(qǐng)日為2010年10月25日、發(fā)明名稱為“DETECTING STRUCTURALCHANGESTOUNDERWATERSTRUCTURES”的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)N0.61/406, 435的優(yōu)先權(quán)，并且該專利文獻(xiàn)在此以其全文形式被結(jié)合入本文作為引用。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及通過掃描水下結(jié)構(gòu)采集聲納數(shù)據(jù)以便獲得關(guān)于水下結(jié)構(gòu)是否已發(fā)生結(jié)構(gòu)變化的信息。
【背景技術(shù)】
[0003]有許多水下結(jié)構(gòu)和其它設(shè)備，可能需要對(duì)其有更好的了解。這種更好的了解對(duì)于例如獲得水下結(jié)構(gòu)的信息和檢測(cè)水下結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變化可能是有用的。目前檢查水下結(jié)構(gòu)的方法包括利用潛水員、遠(yuǎn)程操縱潛水器(ROV)和自主式水下航行器(AUV)進(jìn)行檢查。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明披露了可用于掃描水下結(jié)構(gòu)的方法和系統(tǒng)，以便對(duì)水下結(jié)構(gòu)有更好的了解，例如，用于檢測(cè)水下結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變化和用于引導(dǎo)水下結(jié)構(gòu)的檢查、維修和操縱。
[0005]本文中的方法和系統(tǒng)可用于掃描任何類型的水下結(jié)構(gòu)。例如，水下結(jié)構(gòu)包括人造物體，例如海洋石油平臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)和支柱和油井類設(shè)備，以及自然物體例如水下山脈、并且可包括全部或部分在水下的結(jié)構(gòu)。水下結(jié)構(gòu)還可以包括固定和非固定的結(jié)構(gòu)，例如在水下環(huán)境中可能經(jīng)受漂移的結(jié)構(gòu)。一般地說(shuō)，水下結(jié)構(gòu)表示為任何具有深度變化的任意三維結(jié)構(gòu)并且可具有不同的復(fù)雜性。
[0006]當(dāng)在本文中使用時(shí)，術(shù)語(yǔ)水下包括任何類型的水下環(huán)境，其中可能探明有水下結(jié)構(gòu)并且可能需要利用本文所述的系統(tǒng)掃描所述水下結(jié)構(gòu)，包括但不限于咸水地點(diǎn)例如海和洋以及淡水地點(diǎn)。
[0007]在一個(gè)實(shí)施例中，一種檢測(cè)水下結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變化的方法包括將聲波聲納波引向水下結(jié)構(gòu)，和接收來(lái)自將聲波聲納波引向水下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。所述聲波聲納(波)被設(shè)置為基于三維圖像的聲納，其中某一頻率的脈沖為接收器提供數(shù)據(jù)以便生成三維圖像。也就是說(shuō)，數(shù)據(jù)點(diǎn)由響應(yīng)獲得，并且數(shù)據(jù)點(diǎn)被設(shè)置成提供水下結(jié)構(gòu)的三維圖像。所獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)與水下結(jié)構(gòu)的在先存在的三維模型進(jìn)行比對(duì)(對(duì)準(zhǔn))。根據(jù)所比對(duì)(對(duì)準(zhǔn))的樣本生成變化檢測(cè)模型。所述變化檢測(cè)模型與水下結(jié)構(gòu)的在先存在的三維模型進(jìn)行比較。根據(jù)比較結(jié)果，檢測(cè)到發(fā)生在水下結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)變化。
[0008]在Iv實(shí)施例中，希望具有聲納傳感器系統(tǒng)，所述聲納傳感器系統(tǒng)能夠在水下航行器上執(zhí)行所述檢測(cè)方法。水下航行器是例如自主式水下航行器(AUV)中的一種。當(dāng)在本文中使用時(shí)，AUV是無(wú)人駕駛的并且不被栓系至主航行器的自主式水下航行器。不過，應(yīng)當(dāng)理解，水下航行器不限于AUV，因?yàn)楸疚乃龅穆暭{系統(tǒng)可在其它水下航行器上實(shí)施，例如但不限于遠(yuǎn)程操縱潛水器(R0V)。[0009]關(guān)于聲納系統(tǒng)，在一個(gè)實(shí)施例中，所述用于檢測(cè)水下結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變化的系統(tǒng)包括在水下航行器上的傳感器。所述傳感器被設(shè)置成引導(dǎo)聲波聲納波朝向水下結(jié)構(gòu)。所反射的聲波聲納波被處理成三維圖像。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器設(shè)置在水下航行器上，其被設(shè)置成接收來(lái)自傳感器的響應(yīng)。
[0010]數(shù)據(jù)處理器也存在于水下航行器上。所述數(shù)據(jù)處理器被設(shè)置成從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器獲得傳感器數(shù)據(jù)點(diǎn)，其中所述數(shù)據(jù)點(diǎn)被設(shè)置成提供水下結(jié)構(gòu)的三維圖像。所述處理器被設(shè)置成將所獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)的樣本與水下結(jié)構(gòu)的在先存在的三維模型比對(duì)(對(duì)準(zhǔn))，以便根據(jù)所比對(duì)的樣本生成變化檢測(cè)模型，并且將所述變化檢測(cè)模型與水下結(jié)構(gòu)的在先存在的三維模型進(jìn)行比較。根據(jù)比較結(jié)果，所述處理器被設(shè)置成檢測(cè)水下結(jié)構(gòu)中是否已發(fā)生結(jié)構(gòu)變化。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1示出用于檢測(cè)水下結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變化的方法的一個(gè)實(shí)施例的流程圖。
[0012]圖2示出將來(lái)自聲納響應(yīng)的信息與水下結(jié)構(gòu)的在先存在的模型進(jìn)行比較的一個(gè)實(shí)施例的流程圖，其可被應(yīng)用于圖1所示的方法。
[0013]圖3示出了從聲納響應(yīng)獲得的信息的過濾過程的流程圖，其可被應(yīng)用于圖1所示的方法。
[0014]圖4示出了用于檢測(cè)水下結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變化的系統(tǒng)的示圖。
[0015]圖5是變化檢測(cè)模型的單元的示意性空間表示的一個(gè)實(shí)施例，與所接收到的新的聲納數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，其中所述比較表示是否已發(fā)生水下結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變化。
[0016]圖6是用于檢測(cè)水下結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變化的一個(gè)實(shí)施例的流程圖，其可采用圖5中所示的單元的空間表示。
【具體實(shí)施方式】
[0017]圖1示出了用于檢測(cè)水下結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變化的方法10的一個(gè)實(shí)施例的流程圖。一般，所述方法通過利用水下航行器的慣性導(dǎo)航能力連同基于特征的傳感器例如聲納成像傳感器、和將由傳感器取回的數(shù)據(jù)與水下結(jié)構(gòu)的在先存在的三維模型進(jìn)行比較的處理器來(lái)進(jìn)行。在許多情況，這可以在水下航行器上并且經(jīng)常以約一秒和有時(shí)侯更短的時(shí)間實(shí)時(shí)進(jìn)行。例如，可以在約一秒或更短的時(shí)間內(nèi)完成發(fā)送3D聲納脈沖、從其接收數(shù)據(jù)、過濾數(shù)據(jù)、并將其與在先模型對(duì)準(zhǔn)(比對(duì))的過程。
[0018]方法10包括引導(dǎo)聲波聲納波朝向水下結(jié)構(gòu)。在引導(dǎo)聲波聲納波后，在步驟12由引導(dǎo)聲波聲納波朝向水下結(jié)構(gòu)來(lái)接收響應(yīng)。例如，在步驟12，聲納波從所述結(jié)構(gòu)被反射并被接收。應(yīng)當(dāng)理解，所接收到的聲波聲納波由聲納處理成三維圖像，即聲納是三維(3D)成像聲納。3D成像聲納可以是任何3D聲納，由單個(gè)傳送的聲納脈沖或聲納脈沖信號(hào)的反射的聲納信號(hào)形成3D圖像。合適的3D聲納的一個(gè)示例是從CodaOctopus Products可購(gòu)得的CodaOctopus Echoscope。應(yīng)當(dāng)理解,3D聲納可被調(diào)整并被設(shè)置成指向水下結(jié)構(gòu)，以便它可向(在)水下結(jié)構(gòu)發(fā)送聲納脈沖并可被定向成相對(duì)于縱向(垂直方向)成不同的希望的角度并距離水下結(jié)構(gòu)有(不同的希望的)距離。
[0019]應(yīng)當(dāng)理解，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是已知的，并且用于確定水下航行器的位置、方向和速率(例如，運(yùn)動(dòng)的方向和速度)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可包括多普勒速度計(jì)程儀(DVL)單元，所述多普勒速度計(jì)程儀(DVL)單元面向下用于確定速率，但應(yīng)當(dāng)理解，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可以是可確定位置、方向和速率(例如，運(yùn)動(dòng)的方向和速度)的任何系統(tǒng)。合適的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的一個(gè)示例是可從 Kearfott Corporation 購(gòu)得的 SEADeVil。
[0020]一旦通過三維聲納接收到響應(yīng)，在步驟14獲得數(shù)據(jù)點(diǎn)，其被設(shè)置成提供水下結(jié)構(gòu)的三維圖像。隨后在步驟16將所述數(shù)據(jù)點(diǎn)與水下結(jié)構(gòu)的在先存在的三維模型進(jìn)行比較。關(guān)于比較步驟16，在一個(gè)實(shí)施例中，通過將數(shù)據(jù)與在先存在的三維模型進(jìn)行匹配(擬合)的迭代過程使來(lái)自3D聲納的響應(yīng)與水下結(jié)構(gòu)的在先存在的三維圖像對(duì)準(zhǔn)(比對(duì))。在一些實(shí)施例中，該迭代過程是基于來(lái)自單個(gè)3D聲納脈沖(信號(hào))的數(shù)據(jù)，但應(yīng)當(dāng)理解可使用多個(gè)3D聲納脈沖(信號(hào))。根據(jù)比較結(jié)果，在步驟18可檢測(cè)水下結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變化。
[0021]關(guān)于在先存在的三維模型，假定有在先存在的三維模型可用于與由3D聲納取回的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較并用于執(zhí)行變化檢測(cè)程序。應(yīng)當(dāng)理解，在先存在的三維模型的來(lái)源可以變化。在一個(gè)示例中，在先存在的三維模型存在于開始調(diào)查結(jié)構(gòu)變化的時(shí)候，例如來(lái)自于從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件可得的電子文檔。例如，當(dāng)水下結(jié)構(gòu)的第一參考模型用于執(zhí)行模型結(jié)構(gòu)的后面比較時(shí)，情況可能是這樣。在其它的示例中，在生成水下結(jié)構(gòu)的三維圖像后或更新位置和方向(姿態(tài))后(例如，通過步驟12、14和16的第一次迭代)，可得在先存在的三維模型。通過匹配第一次迭代的模型或其它先前的迭代的模型進(jìn)一步更新位置、方向和模型結(jié)構(gòu)的隨后的迭代可用作在先存在的三維模型，用于隨后接收到的聲納數(shù)據(jù)。
[0022]也就是說(shuō)，在一些情況，在最初開始時(shí)，第一參考可來(lái)自于已經(jīng)存在可用的電子文檔，并且一旦3D聲納取回?cái)?shù)據(jù)，對(duì)位置和方向的隨后的更新可用于進(jìn)一步的比較。
[0023]再次參見比較步驟16，圖2示出了將來(lái)自聲納響應(yīng)的信息與水下結(jié)構(gòu)的在先存在的模型進(jìn)行比較的一個(gè)實(shí)施例的流程圖。在所示的實(shí)施例中，比較數(shù)據(jù)點(diǎn)的步驟包括將數(shù)據(jù)點(diǎn)的樣本與水下結(jié)構(gòu)的在先存在的三維模型對(duì)準(zhǔn)(比對(duì))。如圖所示，對(duì)準(zhǔn)(比對(duì))的步驟包括根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)的多個(gè)樣本重復(fù)進(jìn)行匹配(擬合)過程的迭代方法，這將在下文進(jìn)一步描述，并且其中匹配(擬合)過程包括調(diào)整所采樣的數(shù)據(jù)點(diǎn)以便與水下結(jié)構(gòu)的在先存在的三維模型匹配。
[0024]參見圖2的細(xì)節(jié)，來(lái)自3D聲納的響應(yīng)提供點(diǎn)云110，所述點(diǎn)云用于進(jìn)行比對(duì)(對(duì)準(zhǔn))過程。點(diǎn)云包括數(shù)據(jù)點(diǎn)，所述數(shù)據(jù)點(diǎn)表示水下結(jié)構(gòu)的3D圖像。由于已知在3D聲納點(diǎn)云中出現(xiàn)通常較高水平的噪聲和可能的無(wú)用(非有用)信息，在一些情況在進(jìn)行比對(duì)(對(duì)準(zhǔn))之前在142過濾所述數(shù)據(jù)點(diǎn)。
[0025]圖3示出了過濾過程142的一個(gè)實(shí)施例的流程圖，它可被包括作為圖1所示獲得數(shù)據(jù)點(diǎn)的步驟14的一部分。過濾過程142包括過濾由引導(dǎo)聲波聲納波朝向水下結(jié)構(gòu)所接收到的響應(yīng)，以便獲得在比對(duì)(對(duì)準(zhǔn))過程中可用的數(shù)據(jù)點(diǎn)。來(lái)自聲納點(diǎn)云110的數(shù)據(jù)通過一系列的數(shù)據(jù)處理和過濾步驟被輸入，得到過濾后的點(diǎn)云160。在所示的實(shí)施例中，點(diǎn)云110被輸入至強(qiáng)度閾值過濾器162。一般，過濾過程142對(duì)點(diǎn)云110進(jìn)行形態(tài)運(yùn)算。例如，進(jìn)行每個(gè)距離單元的形態(tài)學(xué)腐蝕164，并隨后組合相鄰的距離單元166。框164和166表示由過濾過程142所用的某些形態(tài)運(yùn)算的非限制性的示例。隨后，在獲得已過濾的點(diǎn)云160之前進(jìn)行非最大抑制(非極大值抑制)168。在框168中，過濾過程142可能進(jìn)行波束寬度減小/補(bǔ)償處理。
[0026]仍參見圖2，已過濾的點(diǎn)云160進(jìn)行至處理環(huán)路(循環(huán))144。在一個(gè)實(shí)施例中，處理環(huán)路(循環(huán))144是RANSAC環(huán)路，即隨機(jī)抽樣一致性，是從包含“離群值(外點(diǎn))”的一組觀察到的數(shù)據(jù)估計(jì)數(shù)學(xué)模型的參數(shù)的迭代方法。例如，就生成具有一定幾率的合理結(jié)果而言環(huán)路(循環(huán))144表示非確定性算法，并且其中幾率可隨更多迭代的進(jìn)行而增加。在這種情況，數(shù)學(xué)模型的參數(shù)是3D聲納傳感器相對(duì)于水下結(jié)構(gòu)的在先存在的模型的位置和定向(姿態(tài))，并且所觀察到的數(shù)據(jù)是來(lái)自聲納的3D點(diǎn)。基本假定是所觀察到的數(shù)據(jù)由“內(nèi)點(diǎn)”組成，即，可由具有某些姿態(tài)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型解釋的數(shù)據(jù)，而“離群值(外點(diǎn))”是不能因此而解釋的數(shù)據(jù)。由于在先存在的三維模型在本文所述的方法中是存在可用的，所述迭代過程(給定一小組內(nèi)點(diǎn))可用于通過計(jì)算數(shù)據(jù)(即3D聲納數(shù)據(jù)點(diǎn))與它們相應(yīng)的最接近模型點(diǎn)最佳匹配(擬合)的姿態(tài)來(lái)估計(jì)姿態(tài)的參數(shù)。
[0027]如圖2所示，環(huán)路(循環(huán))144是RANSAC環(huán)路(循環(huán))，包括處理功能轉(zhuǎn)換152、隨機(jī)抽樣154和匹配(擬合)156。在轉(zhuǎn)換152部分，點(diǎn)云轉(zhuǎn)化到由初始姿態(tài)130規(guī)定的坐標(biāo)系，使它們與在先存在的三維模型近似對(duì)準(zhǔn)。
[0028]如圖2中還示出的，初始姿態(tài)130被輸入轉(zhuǎn)換152部分。在一些情況，初始姿態(tài)130表示水下航行器的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的位置和方向。在隨后的迭代中，初始姿態(tài)可以是來(lái)自于已進(jìn)行的第一次或任何在先的對(duì)準(zhǔn)(比對(duì))的更新知識(shí)的結(jié)果，同時(shí)經(jīng)過圖2所示的過程。應(yīng)當(dāng)理解，在先的對(duì)準(zhǔn)(比對(duì))可根據(jù)其它測(cè)量結(jié)果例如慣性速度或加速度和來(lái)自水下航行器的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的其它輸入進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。
[0029]關(guān)于可用的在先存在的3D模型，所述在先存在的3D模型被輸入至146、156和150的框(圖)，并將在下文進(jìn)一步描述。
[0030]在環(huán)路(循環(huán))144的隨機(jī)抽樣154部分，獲得來(lái)自點(diǎn)云的點(diǎn)的樣本，以便進(jìn)一步處理并與在先存在的三維模型進(jìn)行比較。環(huán)路(循環(huán))144的匹配(擬合)156部分是調(diào)整來(lái)自隨機(jī)抽樣154所抽樣的點(diǎn)以便與在先存在的三維模型對(duì)齊的地方。也就是說(shuō)，3D聲納數(shù)據(jù)例如數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集位置(姿態(tài))嚴(yán)格地被調(diào)整以便使所述點(diǎn)與在先存在的三維模型對(duì)準(zhǔn)。在匹配(擬合)156部分，數(shù)據(jù)點(diǎn)可經(jīng)過一個(gè)或更多個(gè)最接近點(diǎn)計(jì)算以便確定模型上的最接近點(diǎn)。數(shù)據(jù)點(diǎn)和針對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的模型上的最接近點(diǎn)用于計(jì)算對(duì)初始姿態(tài)130的矯正，使數(shù)據(jù)點(diǎn)和針對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的模型上的最接近點(diǎn)最佳對(duì)準(zhǔn)。
[0031]如上所述，對(duì)準(zhǔn)過程是迭代方法，以確定對(duì)初始姿態(tài)130的矯正，使盡可能多的3D聲納數(shù)據(jù)的點(diǎn)(內(nèi)點(diǎn))與在先存在的三維模型對(duì)準(zhǔn)(比對(duì))。在一些實(shí)施例中，這由來(lái)自3D聲納的單個(gè)聲納脈沖或檢測(cè)實(shí)現(xiàn)，例如來(lái)自單個(gè)聲波聲納脈沖的數(shù)據(jù)點(diǎn)，數(shù)據(jù)點(diǎn)樣本從其獲取。還應(yīng)當(dāng)理解，如果需要可采用3D聲納的多個(gè)聲納脈沖。
[0032]因此，應(yīng)當(dāng)理解，功能轉(zhuǎn)換152、隨機(jī)抽樣154、和匹配(擬合)156被設(shè)置成環(huán)路(循環(huán))144，所述環(huán)路(循環(huán))如果需要可以是重復(fù)的144a，以便對(duì)在這些迭代中找到的3D聲納數(shù)據(jù)與在先存在的三維模型的最佳對(duì)準(zhǔn)是真正的最佳可能的對(duì)準(zhǔn)增強(qiáng)信心。在許多實(shí)施例中對(duì)準(zhǔn)步驟包括根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)的多個(gè)樣本或來(lái)自多個(gè)聲波聲納脈沖的數(shù)據(jù)點(diǎn)重復(fù)進(jìn)行匹配(擬合)過程，其中所述匹配(擬合)過程包括調(diào)整所抽樣的數(shù)據(jù)點(diǎn)以便與水下結(jié)構(gòu)的在先存在的三維模型對(duì)準(zhǔn)(比對(duì))。應(yīng)當(dāng)理解，在適當(dāng)?shù)那闆r，通過環(huán)路(循環(huán))144a的數(shù)據(jù)點(diǎn)的多個(gè)樣本或來(lái)自多個(gè)聲波聲納脈沖的數(shù)據(jù)點(diǎn)可通常具有重疊的數(shù)據(jù)點(diǎn)，其中所述重疊可進(jìn)一步幫助提高找到數(shù)據(jù)點(diǎn)與模型的最佳可能對(duì)準(zhǔn)的可能性(概率)。
[0033]也就是說(shuō)，利用數(shù)據(jù)點(diǎn)的子樣本進(jìn)行匹配(擬合)。匹配(擬合)使用這些點(diǎn)來(lái)估計(jì)(判斷)傳感器相對(duì)于模型的姿態(tài)。該估計(jì)的轉(zhuǎn)換適用于所有數(shù)據(jù)點(diǎn)。轉(zhuǎn)換后的點(diǎn)隨后與在先存在的模型進(jìn)行比較以確定數(shù)據(jù)匹配的有多好。
[0034]還應(yīng)當(dāng)理解，合適的迭代的數(shù)量和用于進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)和匹配(擬合)的重疊量可取決于若干因素的平衡。一些因素可包括但不限于例如所采用的處理功率量、用于采集數(shù)據(jù)所花費(fèi)的時(shí)間、所采集的數(shù)據(jù)和可用的在先存在的模型的可靠性、水下航行器如何運(yùn)動(dòng)、和水下結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。當(dāng)采用多于一個(gè)的3D聲納脈沖(信號(hào))時(shí)，其它因素例如3D聲納的聲納脈沖率、隨時(shí)間初始姿態(tài)130誤差的可能增長(zhǎng)、和模型的準(zhǔn)確性可在確定需要多少對(duì)準(zhǔn)過程(處理)的迭代時(shí)被考慮。
[0035]在匹配(擬合)了數(shù)據(jù)點(diǎn)的多個(gè)隨機(jī)樣本后，可獲得多個(gè)解決方案。圖2示出了由誤差要求解決方案146和找出最佳解決方案148部分。由環(huán)路(循環(huán))144a提供的解決方案被要求(例如在146)，以便可獲得最佳解決方案(例如在148)。一旦獲得最佳解決方案，對(duì)該解決方案的每個(gè)內(nèi)點(diǎn)的在先存在的3D模型上的最接近點(diǎn)被確定，并且在用內(nèi)點(diǎn)匹配/擬合(Fitw/Inliers) 150計(jì)算對(duì)使這些內(nèi)點(diǎn)與最接近點(diǎn)最佳對(duì)準(zhǔn)的初始姿態(tài)的矯正。更新后的姿態(tài)例如被發(fā)送回水下航行器的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。
變化檢測(cè)
[0036]參見圖5和圖6，由上文對(duì)準(zhǔn)過程得到的結(jié)果被進(jìn)一步處理以確定是否已在水下結(jié)構(gòu)中發(fā)生了結(jié)構(gòu)變化(例如,變化檢測(cè))。
[0037]在對(duì)準(zhǔn)期間獲得的信息用于生成變化檢測(cè)模型，所述變化檢測(cè)模型用于與水下結(jié)構(gòu)的在先存在的三維模型進(jìn)行比較。根據(jù)比較結(jié)果，可以檢測(cè)水下結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)變化。
[0038]圖5示出了用于變化檢測(cè)模型的單元300的示意性空間表示。可以將模型與接收到的新的聲納數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，其中所述的比較表示是否已發(fā)生了水下結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變化。示出了單元300的空間表示，其中每個(gè)單元310被分解為若干個(gè)子節(jié)點(diǎn)310。圖5是八叉樹如何可用于表示立方體空間的空間的示例性示圖。“模型”實(shí)際上是存儲(chǔ)在八叉樹的每個(gè)單元中的數(shù)據(jù)。如圖所示，一些單元被分解為八個(gè)節(jié)點(diǎn)。應(yīng)當(dāng)理解，不是每個(gè)單元會(huì)被分解或細(xì)分，這在適當(dāng)?shù)那闆r可允許更為緊湊的模型。單元只在需要更小子單元的模型的區(qū)域被細(xì)分以提高模型的保真度(精確度)。
[0039]如上所述，圖5的空間表示被稱為八叉樹。八叉樹是樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)內(nèi)部單元或節(jié)點(diǎn)恰好有O或8個(gè)子單元或節(jié)點(diǎn)。八叉樹可用于通過遞歸細(xì)分其為八分區(qū)來(lái)分割三維空間。應(yīng)當(dāng)理解，其它的空間表示是可能的，并且盡管已知八叉樹適于本過程，并沒有限制必須米用八叉樹。
[0040]再次參見圖5，隨著變化檢測(cè)模型生成，每個(gè)單元包含關(guān)于聲納撞擊或占用空間、聲納通過或空閑空間的信息，以及未知(不知道的)區(qū)域的信息。每個(gè)單元可包含聲納撞擊的二次階矩、聲納通過或聲納通過的二階矩(second moments)。應(yīng)當(dāng)理解,八叉樹、八叉樹中數(shù)據(jù)的集合和二次階矩是本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)理解的標(biāo)準(zhǔn)概念。例如，當(dāng)聲納撞擊被記錄在單元中時(shí)，該信息被添加至該特定單元中的二次階矩模型。同樣，當(dāng)聲納光束通過單元時(shí)，該信息被記錄在聲納通過和該單元的視角多樣性模型中。所述信息一起用于確定節(jié)點(diǎn)是否應(yīng)被視為是空的、被占用的或不知道的(例如，沒有足夠的信息)。
[0041]圖5中所用的八叉樹通過采集關(guān)于存在有結(jié)構(gòu)的占用空間的信息、采集關(guān)于不存在有結(jié)構(gòu)的未占用空間的信息、和識(shí)別沒有足夠信息來(lái)確定是否存在有結(jié)構(gòu)的未知(不知道的)空間來(lái)允許生成變化檢測(cè)模型。在適當(dāng)?shù)那闆r，變化檢測(cè)模型是基于多個(gè)對(duì)準(zhǔn)(比對(duì))樣本的輸入。每個(gè)對(duì)準(zhǔn)(比對(duì))的樣本表示所檢查的區(qū)域的不同視角，使得檢查的視角越多，對(duì)于結(jié)構(gòu)存在(或不存在)的信心程度變得越高。這種更高的信心表示已形成具有準(zhǔn)確性的變化檢測(cè)模型的更高概率(可能性)。當(dāng)在本文中使用時(shí)，術(shù)語(yǔ)視角多樣化包括但不限于是指通過單元的聲納射束的方向的范圍。
[0042]還應(yīng)當(dāng)理解，除了獲得若干個(gè)視角的信息外，還可以跟蹤和計(jì)算(計(jì)數(shù))通過聲納傳感器感測(cè)到每個(gè)空單元和占用單元的次數(shù)，這可以進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)所生成的模型的信心。
[0043]在建造新的變化檢測(cè)模型后，圖6示出了例如利用圖5所示的變化檢測(cè)模型檢測(cè)水下結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變化180的一個(gè)實(shí)施例的流程圖。如圖所示，通過利用為水下結(jié)構(gòu)生成的新的變化檢測(cè)模型182 (新模型)和水下結(jié)構(gòu)的在先存在的模型184 (在先模型)可以確定正向變化186和負(fù)向變化188。當(dāng)在本文中使用時(shí)，正向變化是不存在于在先模型中的新檢測(cè)到的結(jié)構(gòu)。當(dāng)在本文中使用時(shí)，負(fù)向變化是存在于在先模型中的在新模型中缺失的結(jié)構(gòu)。
[0044]在所示的實(shí)施例中，正向變化由新模型182和在先模型184的輸入確定。新模型182中占用單元的數(shù)據(jù)被輸入，以便進(jìn)一步與在先模型184 —起處理。進(jìn)行進(jìn)一步處理，以便將新模型182的占用單元和在先模型184的(占用單元)進(jìn)行比較。找到新模型182相對(duì)于在先模型的占用單元的最接近點(diǎn)。在192除去到在先模型的最接近點(diǎn)的距離大于閥值的占用單元192,并在194計(jì)算余下占用單元中連接的部件。在196包含在連接的部件中尺寸高于閾值的占用單元被輸出為正向變化186。
[0045]在所示的實(shí)施例中，負(fù)向變化188通過新模型182和在先模型184的輸入確定。在先模型184中的占用單元被輸入，以便與新模型182進(jìn)一步處理。進(jìn)行進(jìn)一步處理，以便將新模型182的數(shù)據(jù)與在先模型184的(數(shù)據(jù))進(jìn)行比較。在198去除在新模型182中非空的在先模型184的占用單元。如圖所示，如果沿視角方向在新模型中的空單元與在先模型202中的模型表面正交，則去除余下的占用單元。在204計(jì)算余下占用單元的連接的部件，并且在206大于閥值的連接部件中的單元被輸出為負(fù)向變化188。
[0046]如圖6所示，用于變化檢測(cè)的方法180通過記錄在在先模型和新模型中什么被感測(cè)到和什么未被感測(cè)到可靠地找到正向和負(fù)向變化。例如，它在沒有在在先模型中看到的新模型中的表面和在在先模型中不存在的新模型中的表面(例如正向變化)之間進(jìn)行區(qū)分。此外，本文的方法可以在由于在在先模型中未被感測(cè)到而在新模型中缺失的模型表面和由于不再存在而在新模型中缺失的模型表面(例如負(fù)向變化)之間進(jìn)行區(qū)分。此外，通過記錄被感測(cè)為空的單元310的次數(shù)和感測(cè)為空的視角的多樣性，所述方法減少了聲納噪聲和人造物的影響。
[0047]應(yīng)當(dāng)理解，本文所述檢測(cè)水下結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)變化的方法被提供在水下航行器上的自主式系統(tǒng)中。在一些實(shí)施例中，水下航行器是自主式水下航行器，具有適當(dāng)?shù)奶幚砟芰σ詫?shí)時(shí)檢測(cè)所述變化。不過，應(yīng)當(dāng)理解，所述系統(tǒng)可以在其它航行器上。
[0048]在一個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)包括3D聲納傳感器和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，連同合適的處理能力來(lái)進(jìn)行水下結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變化的檢測(cè)。
[0049]圖4示出了用于檢測(cè)水下結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變化的系統(tǒng)200的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。在適當(dāng)?shù)那闆r，系統(tǒng)200在水下航行器上并且是水下航行器的一部分，并具有實(shí)時(shí)處理能力，例如約一秒和有時(shí)更短的時(shí)間。[0050]在所示的實(shí)施例中，3D成像聲納傳感器210可以將來(lái)自3D聲納脈沖的響應(yīng)傳送到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器220。傳感器210被設(shè)置成將聲波聲納波導(dǎo)向水下結(jié)構(gòu)，并將從水下結(jié)構(gòu)反射的聲波聲納波處理成水下結(jié)構(gòu)的三維圖像。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器220被設(shè)置成接收來(lái)自傳感器的響應(yīng)。
[0051]數(shù)據(jù)處理器230被設(shè)置成從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器220獲得數(shù)據(jù)點(diǎn)。數(shù)據(jù)處理器230可以是例如任意合適的處理單元。數(shù)據(jù)點(diǎn)被設(shè)置成提供水下結(jié)構(gòu)的三維圖像。處理器230被設(shè)置成將所獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)的樣本與水下結(jié)構(gòu)的在先存在的三維模型對(duì)準(zhǔn)(比對(duì))。處理器可以根據(jù)所對(duì)準(zhǔn)(比對(duì))的樣本生成變化檢測(cè)模型，并且將其與水下結(jié)構(gòu)的在先存在的三維模型進(jìn)行比較。根據(jù)比較結(jié)果，處理器被設(shè)置成檢測(cè)在水下結(jié)構(gòu)中是否已發(fā)生了結(jié)構(gòu)變化。
[0052]應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)于水下結(jié)構(gòu)所獲得的信息可用于更新航行器導(dǎo)航系統(tǒng)240，所述航行器導(dǎo)航系統(tǒng)240例如是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。應(yīng)當(dāng)理解，系統(tǒng)200的部件可由水下航行器提供動(dòng)力(供電)。
[0053]上文所述的方法和系統(tǒng)可用于根據(jù)來(lái)自3D聲納掃描的水下結(jié)構(gòu)的特征檢測(cè)水下結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變化。所述應(yīng)用可包括但不限于商用和軍用的海底結(jié)構(gòu)檢查、港口檢查和水雷探測(cè)/對(duì)抗。在一個(gè)實(shí)施例中，來(lái)自3D聲納掃描的數(shù)據(jù)被采集，來(lái)自慣性導(dǎo)航的數(shù)據(jù)被采集，并且所述數(shù)據(jù)被記錄和處理以便將所掃描的水下結(jié)構(gòu)的3D圖像與水下結(jié)構(gòu)的在先存在的三維模型進(jìn)行比較。數(shù)據(jù)的采集、記錄和處理可利用在水下航行器上的數(shù)據(jù)處理電子器件進(jìn)行，具有實(shí)時(shí)處理能力。
[0054]當(dāng)檢查水下結(jié)構(gòu)的損壞或變形時(shí)，檢測(cè)結(jié)構(gòu)變化可能是有用的。本文所述的方法和系統(tǒng)可用于例如水下航行器遠(yuǎn)離海底的情況(例如超過1000米)，以至于其它導(dǎo)航工具例如DVL不可用。應(yīng)當(dāng)理解，不需要其它基于特征的傳感器，并且相對(duì)于非固定的水下結(jié)構(gòu)的導(dǎo)航利用本文所述的方法和系統(tǒng)也是可行的。3D聲納的使用能掃描復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)以便提供姿態(tài)的完全六自由度。
[0055]本申請(qǐng)中所披露的示例在所有方面應(yīng)被視為是說(shuō)明性的而非限制性的。本發(fā)明的保護(hù)范圍由所附權(quán)利要求書表示而非由前述的說(shuō)明書限定；并且在權(quán)利要求的等同的含義和范圍內(nèi)的所有變化旨在包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種檢測(cè)水下結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變化的方法，包括: 引導(dǎo)聲波聲納波朝向水下結(jié)構(gòu)； 接收從水下結(jié)構(gòu)反射的聲波聲納波； 從水下結(jié)構(gòu)反射的聲波聲納波獲得3D數(shù)據(jù)點(diǎn)，所述3D數(shù)據(jù)點(diǎn)被設(shè)置成提供水下結(jié)構(gòu)的三維圖像； 將所獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)的樣本與水下結(jié)構(gòu)的在先存在的三維模型對(duì)準(zhǔn)； 根據(jù)所對(duì)準(zhǔn)的樣本生成變化檢測(cè)模型； 將所述變化檢測(cè)模型與水下結(jié)構(gòu)的在先存在的三維模型進(jìn)行比較；和 根據(jù)比較結(jié)果，檢測(cè)是否在水下結(jié)構(gòu)中已發(fā)生了結(jié)構(gòu)變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述水下結(jié)構(gòu)是非固定的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中水下航行器是自主式水下航行器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中獲得3D數(shù)據(jù)點(diǎn)的步驟包括過濾從聲波聲納接收到的3D數(shù)據(jù)點(diǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中對(duì)準(zhǔn)3D數(shù)據(jù)點(diǎn)的步驟包括將來(lái)自單個(gè)聲波聲納脈沖的數(shù)據(jù)點(diǎn)與水下結(jié)構(gòu)的在先存在的三維模型重復(fù)對(duì)準(zhǔn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中來(lái)自多個(gè)聲波聲納脈沖的數(shù)據(jù)點(diǎn)具有重疊的數(shù)據(jù)點(diǎn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在開始檢測(cè)結(jié)構(gòu)變化的時(shí)候呈現(xiàn)所述在先存在的三維模型。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在完成引導(dǎo)、接收、獲得、比較和確定的迭代后更新在先存在的三維模型。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中根據(jù)所對(duì)準(zhǔn)的樣本生成變化檢測(cè)模型的步驟包括采集關(guān)于存在有結(jié)構(gòu)的占用空間的信息、采集關(guān)于不存在有結(jié)構(gòu)的未占用空間的信息、和識(shí)別還未采集到信息的未知空間。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中根據(jù)所對(duì)準(zhǔn)的樣本生成變化檢測(cè)模型的步驟包括輸入多個(gè)對(duì)準(zhǔn)的樣本，每個(gè)對(duì)準(zhǔn)的樣本表示所檢查區(qū)域的不同視角。
11.一種用于檢測(cè)水下結(jié)構(gòu)中的變化的系統(tǒng)，包括: 在水下航行器上的傳感器，所述傳感器被設(shè)置成引導(dǎo)聲波聲納波朝向水下結(jié)構(gòu)，所反射的聲波聲納波被處理以產(chǎn)生水下結(jié)構(gòu)的三維圖像； 在水下航行器上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器被設(shè)置成接收來(lái)自所述傳感器的響應(yīng)；和 在水下航行器上的數(shù)據(jù)處理器， 所述數(shù)據(jù)處理器被設(shè)置成從所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器獲得3D數(shù)據(jù)點(diǎn)，所述數(shù)據(jù)點(diǎn)被設(shè)置成提供所述水下結(jié)構(gòu)的三維圖像； 所述處理器被設(shè)置成將所獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)的樣本與所述水下結(jié)構(gòu)的在先存在的三維模型對(duì)準(zhǔn)；以便根據(jù)所對(duì)準(zhǔn)的樣本生成變化檢測(cè)模型并將所述變化檢測(cè)模型與水下結(jié)構(gòu)的在先存在的三維模型進(jìn)行比較；和 根據(jù)比較結(jié)果，所述處理器被設(shè)置成檢測(cè)水下結(jié)構(gòu)中是否已發(fā)生了結(jié)構(gòu)變化。
【文檔編號(hào)】G01S15/89GK103477244SQ201180050691
【公開日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2011年10月25日 優(yōu)先權(quán)日:2010年10月25日
【發(fā)明者】C·H·德布倫納, A·K·費(fèi)廷格爾, C·L·貝克 申請(qǐng)人:洛克希德馬丁公司