CN101644778A - 手持式成像声纳及其成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种手持式成像声纳及其成像方法，其特征在于，包括：水密电子罐、显示器盒以及电池盒等，在所述水密电子罐的前端面安装有换能器组，该换能器组包括发射换能器阵和接收换能器阵，各换能器阵安装在电子罐的前端盖上，并且与安装在电子罐内部的电子系统相连，电子罐的后端面设有两个水密插座，用于通过水密电缆连接显示器盒与电池盒，电子罐后端盖上安装有用于把持该声纳的手柄，电池盒可由潜水员与其他随身携带的设备一起背负，水密电子罐与显示器盒固连在一起，可以由潜水员手持操作。利用本发明，可以帮助潜水员在混浊水环境下观察水下环境和探寻目标，其成像具有实时性，并且可以在水下实现成像与显示。

Description

手持式成像声纳及其成像方法

技术领域

本发明属于水声工程领域，特别涉及一种可以在水下成像并显示的手持式成像声纳及其成像方法。

背景技术

我国境内的河流普遍存在泥沙含量大的特点，所以造成水质混浊，近海的海水也存在相同的特点。在这种水质条件下，成像的条件非常恶劣。目前，潜水员在水下作业时，通常需要携带一个大功率光源，用它照射前方目标，所以潜水员的观察感知范围是光学条件下人的视觉范围，通常在米级范围内。在水下作业中，也有光学成像设备，比如微成像系统，但即便在水质较好的情况下，光学设备在水下的成像距离也只能保持在几米量级，很难满足在较远距离上对目标的探测和识别。目前虽然有微光成像系统用于水下，但是在浑浊水中也难以达到实用要求。而由于声波是唯一能在水中远距离传播的能量方式，用声纳实现成像是一种有效的方式。

近岸、港口的安全防御目前受到高度重视，由于水中爆破装置具有强烈的隐蔽性，而且不易排查，所以有可能成为恐怖袭击的重点。怎样防止可能安放在船体、码头、泊地和港口海(河)床上的水雷和简易爆破装置以及蛙人的攻击是近岸、港口的安全防御主要考虑的问题。而进行对水雷和简易爆破装置的排查以及对入侵蛙人的搜查，可以直接利用蛙人下水进行作业。但是由于在水下特别是混浊水中，蛙人的能见范围很小，必须通过水声成像设备来扩大其视野以及工作范围，因此研究便于蛙人水下携带的声成像设备成为必然。

由于手持式声纳设备主要考虑为潜水员所使用，所以其本质是一种前视声纳，但是现有的前视声纳大多采用扫描方式成像，并且体积和功耗都比较大，不适合潜水员使用，目前国内还没有能够为潜水员所使用的声纳设备。

发明内容

为了解决潜水员水下观察困难的问题，本发明的目的是提供一种手持式成像声纳及其成像方法，通过利用高分辨率成像声纳来扩展潜水员的视觉范围。

本发明的手持式成像声纳，其特征在于，包括：水密电子罐、显示器盒以及电池盒等，其中，电池盒可以由潜水员与其他随身携带的设备(如氧气瓶)一起背负，水密电子罐与显示器盒可以固连在一起，由潜水员手持操作。

在所述水密电子罐的前端面安装有换能器组，电子罐内部放置电子系统，电子罐后端面有两个水密插座，用于通过水密电缆连接显示器盒与电池盒，所述换能器组包括发射换能器阵和接收换能器阵，换能器阵安装在电子罐的前端盖上，并且与电子罐内部的电子系统相连，在电子罐的前端盖上通过水密O圈保证密封，电子罐后端盖上安装有手柄，用于把持该声纳。另外，电子罐内设置一个安装架，安装架上安装电子系统中的各个电路板。其中，所述电子系统包括发射机、接收机、数据采集板和数据处理中心等。

所述显示器盒内装有显示器，通过水密电缆完成与水密罐的信号传输。

所述电池盒内装电池，通过水密电缆向水密罐内的电子系统供电。电池盒上装有水密开关，用于控制电源的通断。

另外，本发明的手持式成像声纳的成像方法，包括如下步骤：

1)潜水员打开电源开关后，发射机根据潜水员选择的信号参数生成发射信号，并将此信号输出到发射换能器，声纳即向外发射声脉冲。

2)声脉冲由前方目标反射后被N元接收阵接收，产生N路信号；接收阵将信号输送到电子罐内的接收机。

3)接收机对N路信号进行前置放大和带通滤波后输出。

4)数据采集板对接收机输出的N路信号信号进行正交采样，成为2N路正交信号，并将信号输出到信号处理中心。

5)信号处理中心根据2N路正交信号，进行波束形成处理成为二维图像。并将图像通过水密缆输出到显示器。

本发明的手持式成像声纳及其成像方法可以帮助潜水员在混浊水环境下观察水下环境和探寻目标，其成像具有实时性，并且可以在水下实现成像与显示。其通过不等间距的接收阵实现了接收通道的减少，避免了大规模运算的问题；通过水下显示可以提供潜水员水下操控；通过快速高效的实时波束形成实现了水下实时成像。由此，可以对水下目标进行实时成像，将图像显示在潜水员面前同时也可以将图像传回岸上，并且其体积小、功耗低且成像分辨率高。

附图说明

图1为本发明的手持式成像声纳的组装结构示意图；

图2为本发明的手持式成像声纳的水密电子罐的结构示意图；

图3为本发明的手持式成像声纳的显示器盒的结构示意图；

图4为本发明的手持式成像声纳的电池盒的结构示意图；

图5为本发明的手持式成像声纳的系统构成以及工作过程的数据流框图；

图6为本发明的手持式成像声纳中的接收机的工作框图；

图7为本发明的手持式成像声纳中的信号处理中心的工作流程图；

图8为本发明的手持式成像声纳的主处理器芯片的数据输入输出关系图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的手持式成像声纳及其成像方法做进一步的说明。

图1为本发明的手持式成像声纳的组装结构示意图，图2为本发明的手持式成像声纳的水密电子罐的结构示意图，图3为本发明的手持式成像声纳的显示器盒的结构示意图，图4为本发明的手持式成像声纳的电池盒的结构示意图。

如图1～4所示，本发明的手持式成像声纳，包括：水密电子罐、显示器盒以及电池盒等，其中，电池盒可以被潜水员所背负，与他随身携带的设备(如氧气瓶)在一起，水密电子罐与显示器盒可以固连在一起，由潜水员手持操作。在水密电子罐的前端面安装有换能器组，电子罐内部放置电子系统，电子罐后端面有两个水密插座，用于通过水密电缆连接显示器盒与电池盒。换能器组包括发射换能器阵与接收换能器阵，换能器阵安装在电子罐的前端盖上，并且与电子罐内部的电子系统相连，在电子罐的前端盖上通过水密O圈保证密封。电子罐后端盖上安装有手柄，用于把持该声纳。显示器盒内装有显示器，通过水密电缆完成与水密罐内信号处理平台之间的信号传输。电池盒内装电池，通过水密电缆向水密罐内的电子系统供电。电池盒上装有水密开关，用于控制电源的通断。另外，电子罐内设置一个安装架，安装架上安装电子系统中的各个电路板。其中，所述电子系统包括发射机、接收机、数据采集板和数据处理中心。

本发明的手持式成像声纳所要完成的工作是实现一种可以在水下进行成像并显示的声纳，在本实施例中，以一套声纳设计参数为例，对声纳的实现过程进行说明。

本实施例中采用如下设计参数：

工作频率为f₀；最大成像距离R；视角θ；波束宽度δ。

图5为本发明的手持式成像声纳的系统构成以及工作过程的数据流框图，如图5所示，本发明的手持式成像声纳的系统包括电源系统、换能器组、电路系统以及显控系统。下面参照图5的框图，对本发明的手持式成像声纳的成像方法做进一步详细的描述。本发明的手持式成像声纳的成像方法的具体包括如下步骤：

1)潜水员打开电源开关后，发射机根据潜水员选择的信号参数生成发射信号，并将此信号输出到发射换能器，声纳即向外发射声脉冲。

本例中假定潜水员选择发射机的发射脉冲宽度为τ的单频信号，发射间隔为T，则发射机将每隔T秒产生长度为τ秒，中心频率为f₀的正弦信号。

根据作用距离可估算出需要的声源级为SL，若发射换能器的发射灵敏度为S_v，则发射机需要产生的电压

$V={10}^{\frac{(\mathrm{SL}-S_v)}{20}}$

发射换能器将以声源级为SL辐射声波，声波的水平覆盖范围为θ_h，垂直覆盖范围为θ_v。

2)声脉冲被前方目标反射后被接收阵(接收换能器)接收，接收阵将信号输送到电子罐内的接收机，接收阵有N个阵元，就有N路信号。

接收阵采用水平线阵，由于考虑潜水员使用的方便，接收阵的长度不应超出250mm。具体的长度由L＝76/δf₀确定。在本实施例中，接收阵由40阵元的不等间距水平线阵构成，长度为180mm。

周围环境中反射回的信号由接收阵接收，产生40路信号。

3)接收机对N路信号进行前置放大和带通滤波后输出。

图6为本发明的手持式成像声纳中的接收机的工作框图，如图6所示，本实施例中，接收阵产生的40路信号经电缆传输到接收机的输入端，接收机对这些信号进行模拟放大、带通滤波、时变增益放大等工作，这些工作统称为信号调理。信号调理后的40路模拟信号通过接收机的输出端输送到数据采集板。

4)数据采集板对接收机输出的N路信号信号进行正交采样，成为2N路正交信号，并将信号输出到信号处理中心。

本实施例中，数据采集板采用多路选择模拟开关配合一片A/D芯片实现对40路水听器模拟信号的正交顺序欠采样(模/数转换)，形成80路正交信号，并将这80路数据传送到信号处理中心的输入端。

5)信号处理中心根据2N路正交信号，进行波束形成处理成为二维图像。并将图像通过水密缆输出到显示器。

图7为本发明的手持式成像声纳中的信号处理中心的工作流程图，本实施例采用一块TMS320DM642作为主处理器芯片，如图7所示，信号处理中心的具体处理方案可以分为如下几个过程：

①数据接收。接收数据采集板输送来的80路正交信号，并存到DSP片内内存。

②数据处理过程。根据这80路正交信号进行波束形成计算。采用正交波束形成算法。即对于每一个波束，40路I通道数据与对应COS延时表Wc相乘后直接求和，得到sI；40路Q通道数据与对应SIN延时表Ws相乘后直接求和，得到sQ；sI和sQ对应相加后取绝对值和，得到一个波束的输出结果，存储于输出数据池。重复128次，得到128路波束输出结果。

③数据输出过程。经过波束形成计算，形成一幅图像，图像的横坐标为方位，纵坐标为距离。对图像进行灰度变换后输出到显示器。

图8为本发明的手持式成像声纳的主处理器芯片的数据输入输出关系图。如图8所示，本系统主处理器芯片还需具有控制接收机和发射机的作用。工作时，发射机发射一个脉冲信号后，延时ΔT秒接收机及数据采集板才开始工作。发射与接收需要相互配合，并有严格的时延关系。而主处理器芯片就负责完成这个协调工作，即向发射机提供门控信号，向接收机及数据采集板提供接收开关控制信号。

由于本系统需要具有人机界面，也就是需要设计一些控制按钮，这些控制键与主处理器芯片的外围电路可编程逻辑器件相连，可编程逻辑器件将指令译码后传给主处理器芯片，由处理器做出相应的功能上的调整。本实施例设置2个按钮，分别实现选择菜单的切换功能和确定功能。

Claims (5)

1、一种手持式成像声纳，其特征在于，包括：水密电子罐、显示器盒以及电池盒，

在所述水密电子罐的前端面安装有换能器组，该换能器组包括发射换能器阵和接收换能器阵，各换能器阵安装在电子罐的前端盖上，并且与安装在电子罐内部的电子系统相连，所述电子罐的后端面设有两个水密插座，用于通过水密电缆连接所述显示器盒与电池盒，所述电子罐的前后端盖通过水密O圈实现密封，所述电子罐后端盖上安装有手柄，用于把持该声纳，

所述显示器盒内装有显示器，通过水密电缆完成与水密罐的信号传输，

所述电池盒内装电池，通过水密电缆向水密罐内的电子系统供电，电池盒上装有水密开关，用于控制电源的通断。

2、如权利要求1所述的手持式成像声纳，其特征在于，在所述电子罐内设置一安装架，安装架上安装所述电子系统中的各个电路板，所述电子系统包括发射机、接收机、数据采集板和数据处理中心。

3、如权利要求1所述的手持式成像声纳，其特征在于，所述电池盒由潜水员与其他随身携带的设备一起背负，所述水密电子罐与显示器盒固连在一起，由潜水员手持操作。

4、一种手持式成像声纳的成像方法，包括如下步骤：

1)潜水员打开电源开关后，发射机根据潜水员选择的信号参数生成发射信号，并将此信号输出到发射换能器，声纳即向外发射声脉冲；

2)声脉冲由前方目标反射后被N元接收阵接收，产生N路信号，接收阵将信号输送到电子罐内的接收机；

3)接收机对N路信号进行前置放大和带通滤波后输出；

4)数据采集板对接收机输出的N路信号信号进行正交采样，成为2N路正交信号，并将信号输出到信号处理中心；

5)信号处理中心根据2N路正交信号，进行波束形成处理成为二维图像，并将图像通过水密缆输出到显示器。

5、如权利要求4所述的手持式成像声纳的成像方法，其特征在于，

所述步骤1)中，若发射机的发射脉冲是宽度为τ的单频信号，发射间隔为T，则发射机将每隔T秒产生长度为τ秒，中心频率为f₀的正弦信号，

根据作用距离估算出需要的声源级为SL，若发射换能器的发射灵敏度为S_v，则发射机需要产生的电压

$V={10}^{\frac{(\mathrm{SL}-S_v)}{20}}$

发射换能器以声源级为SL辐射声波，声波的水平覆盖范围为θ_h，垂直覆盖范围为θ_v；

所述步骤2)中，接收阵采用水平不等间距线阵，接收阵的长度为L＝76/δf₀，其值小于250mm；

所述步骤3)中，接收阵产生的信号经电缆传输到接收机的输入端，接收机对这些信号进行模拟放大、带通滤波、时变增益放大等信号调理，信号调理后的模拟信号通过接收机的输出端输送到数据采集板；

所述步骤4)中，数据采集板对N路水听器模拟信号进行正交采样，形成2N路正交信号，并将这2N路数据传送到信号处理中心的输入端；

所述步骤5)中，所述信号处理中心的具体处理方案分为如下几个过程：

①数据接收：接收数据采集板输送来的2N路正交信号，并存到DSP片内内存；

②数据处理过程：根据这2N路正交信号进行波束形成计算，采用正交波束形成算法，对于每一个波束，N路I通道数据与对应COS延时表Wc相乘后直接求和得到sI；N路Q通道数据与对应SIN延时表Ws相乘后直接求和得到sQ；sI和sQ对应相加后取绝对值和，得到一个波束的输出结果存储于输出数据池，重复128次，得到128路波束输出结果；

③数据输出过程：经过波束形成计算，形成一幅图像，图像的横坐标为方位，纵坐标为距离，对图像进行灰度变换后输出到显示器。

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