Новость добавлена 11.08.2022

Автоматическая калибровка оффсетов многолучевого эхолота

Джулиан Ле Деунф, Мишель Легрис, Джордан Макманус (статья в Hydro International от 29 сентября 2020 г.)

Новый способ мониторинга ваших данных

В настоящее время калибровка многолучевых эхолотов (МЛЭ) для гидрографических съемок основана на традиционном методе «патч-теста». Этот субъективный метод, хотя и строгий, имеет серьезные недостатки, такие как трудоемкость (как сбор данных, так и обработка) и предположение, что потенциальные угловые смещения можно рассматривать как несвязанные. Новое алгоритмическое решение, обеспечивающее объективный и воспроизводимый первый шаг к автоматизации процесса калибровки, предлагается в решении MSPAC.

Гидрография необходима для многих видов морской деятельности:

• Обеспечение навигационной безопасности морских карт и дноуглубительных работ.
• Получение точных сведений об окружающей среде для морских установок и дноуглубительных работ.
• Моделирование морского дна для разведки морской энергетики.

В последние годы технология многолучевого эхолота быстро развивалась (многочастотность, многополосность, компенсация в реальном времени и т.д.), что привело к значительному улучшению пространственного разрешения и охвата дна. Чтобы максимизировать выгоды от этих улучшений, необходимо провести тщательную калибровку системы съемки, но после работ, проведенных в 1980-х и 1990-х годах, которые привели к созданию хорошо известного метода патч-теста, этому вопросу уделялось ограниченное внимание. Поэтому пришло время двигаться вперед.

	Рис. 1: Слева: вид сверху на две противоположные линии и справа: эффект угла отклонения поперечного крена на две противоположные линии на плоском морском дне

Классический патч-тест
Патч-тест разделяет три угла отклонения путем съемки характерных областей по определенной схеме. Для определения угла поперечного крена плоское дно исследуется в противоположных направлениях. Для определения продольного крена съемка уклона или конкретной особенности морского дна осуществляется в противоположных направлениях. Эффект рыскания классически определяется путем определения цели над плоским дном и ее съемки с двух параллельных и перекрывающихся маршрутов, идущих в одном направлении. В качестве примера на Рис. 1 показана конфигурация, необходимая для определения углов отклонения поперечного крена.

Хотя этот метод особенно эффективен, он имеет ряд недостатков, таких как:

• Требуется предварительное знание района съемки.
• Предполагается очень точное горизонтальное позиционирование.
• Оценка угла отклонения зависит от оператора (ручная обработка данных и корректировка морфологии).
• Раздельная оценка точности углов не производится.
• Разделены только углы; плечи рычага (или линейные оффсеты датчиков в системе координат судна) считаются правильными.
• Задержка между IMU и МЛЭ не устранена.

Решение MSPAC

Чтобы устранить некоторые из этих недостатков, CIDCO (Центр исследований и разработок в области картографирования побережья и океана, Канада), SHOM (Гидрографический офис Франции) и ENSTA Bretagne (Инженерная школа, Франция) недавно разработали новую процедуру калибровки. Целью является новая надежная и объективная методология, которая обеспечивает решение для углов отклонения, а также оценки задержки передачи данных и плеч рычага на основе специальной процедуры выбора данных для надежной модели плоского уравнивания методом наименьших квадратов. Это решение также экономит время при сборе и обработке данных. На Рис. 2 показано классическое уравнение пространственной привязки батиметрических данных, а также величины, которые MSPAC (Multibeam System Parameters Automatic Calibration - автоматическая калибровка параметров многолучевой системы) решает с помощью трех подмодулей: MIBAC (Multibeam IMU Boresight Automatic Calibration - автоматическая калибровка углов отклонения между МЛЭ и IMU), LAAC (Lever Arms Automatic Calibration - автоматическая калибровка плеч рычагов) и MILAC (Multibeam IMU Latency Automatic Calibration - автоматическая калибровка задержки между МЛЭ и IMU).

	Рис. 2: Уравнение географической привязки для батиметрических данных и программного пакета MSPAC

Результаты и распределение

Результаты этих алгоритмов подробно представлены в статьях [2] и [3]. Пример выбора данных, сделанного MIBAC, показан на Рис. 3. На этом рисунке морское дно моделируется как сетка элементов поверхности. Для каждого элемента рассчитывается критерий чувствительности, чтобы указать области, где углы отклонения вызывают наибольшее искажение морского дна.

	Рис. 3: Выбор данных MIBAC в реальном наборе данных

На Рис. 4 показаны результаты сравнения традиционного патч-теста и MIBAC. Эти результаты были свободно распространены, так что каждый может поэкспериментировать с этими алгоритмами и протестировать их. Отчеты об исследованиях (под лицензией ouverte - французская открытая лицензия) и исходные коды (под лицензией CeCILL, совместимой с GPL лицензией) можно найти по адресу gitlab.com/GitShom/mspac/shom-mibac. SHOM не несет никакой ответственности за операционную передачу, а также обслуживание этого программного обеспечения. Заинтересованным сторонам, конечно же, предлагается использовать, улучшать и внедрять эти исходные коды в промышленное производство.

Промышленное освоение

Программное обеспечение постоянно совершенствуется сообществом открытого исходного кода, чтобы обеспечить возможность настройки различных аспектов, таких как:

• Общее распространение неопределенности.
• Обнаружение элементов плоской поверхности.
• Оценка методом наименьших квадратов.

Это позволит, например, использовать различные методы идентификации плоских элементов поверхности, такие как [4]. Некоторые внутренние параметры в настоящее время недоступны для пользователя, такие как:

• Итерационные пороги.
• Статистические параметры испытаний.
• Моделирование элементов плоской поверхности.

Как и во всех проектах с открытым исходным кодом, код может быть параметризован в соответствии с конкретными потребностями клиента либо CIDCO, либо сторонними разработчиками.

Текущее состояние MSPAC доступно только из интерфейса командной строки, а графический пользовательский интерфейс значительно улучшает работу пользователя. Мы приветствуем эту инициативу по публикации кодов MSPAC по лицензиям с открытым исходным кодом и надеемся на сотрудничество с заинтересованными сторонами и членами сообщества открытого исходного кода над дальнейшими разработками калибровочного набора MSPAC.

	Рис. 4. Вверху: cъемочные полосы гавани Брест МЛЭ EM2040c для сравнения методов (DTM выделяет угловые смещения в области перекрытия); внизу: разница между значениями патч-теста и смещения MIBAC на этих съемочных полосах

Вывод

Автоматизация рабочего процесса калибровки является важным шагом для беспилотных съемок в море. Даже если результаты кажутся очень интересными, для получения наилучших результатов также необходимо иметь источник позиционирования хорошего качества (RTK или PPP) и морфологию дна, соответствующую пологому склону. Кроме того, предлагаемое решение позволяет обеспечить оценку статистической погрешности измерения, а также объективность, которую трудно достичь с помощью классического патч-теста. Это также делает возможной автоматизацию процедур калибровки, особенно для дронов. Контактное лицо по индустриализации решения MSPAC: jordan.mcmanus@cidco.ca.

Благодарности

Это решение было разработано в рамках исследовательского проекта NOCALIT/CALIB-1 между ENSTA Bretagne и SHOM при финансовой поддержке DGA (Министерство обороны Франции). Спасибо DGA за поддержку этого проекта и возможность распространения этих результатов.