CN101650437B - 一种实现矩形扫描的图像声纳系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现矩形扫描的图像声纳系统和方法，它采用多组单波束图像声纳头配合工作，实现一个矩形扫描区域的无盲区扫描，所述的系统主要包括水上综合处理机、水下多套图像声纳头、数据传输链路电缆和声纳头安装机构，水上综合处理机通过数据传输链路接收声纳头采集的数据，完成单个声学信号和声学图像处理，并根据声纳头姿态数据、声纳头地址和安装位置的对应关系，将所有单个声纳头的图像进行综合图像合成，显示整个扫描到的图像；声纳头采用了分单元分时工作方式，地址采用动态分配。本发明适用于但不仅限于水下图像扫描、水下安防、水下监控的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种水下高频图像声纳系统和实现方法，适合用于水下图像扫描、水下安防、水下监控，具体是指一种实现矩形扫描的图像声纳系统和方法。
背景技术
目前各种图像声纳系统广泛用于水下声学图像扫描，水下安防，水下监控等众多领域。传统的图像声纳系统都采用单波束或多波束扫描，根据目标的回波信号完成目标的声学成像，如侧扫、前视、多波束及三维声纳都是以发射换能器为中心向外发射声脉冲，接收基阵以一定的波束角接收目标回波信号。因此，传统的图像声纳系统的扫描范围是一个扇形区域，扫描盲区大且容易存在“声影区”，容易丢失目标，同时系统扩展能力差。
发明内容
本发明的目的是提供一种实现矩形扫描的图像声纳系统和方法，它可以实现一个矩形的扫描范围，并且扫描范围内无“声影区”，同时可以根据使用需要扩展扫描区域。
本发明要解决的是现有图像声纳系统的扫描范围是扇形，容易丢失目标和系统扩展能力差的问题。
为实现本发明的目的，本发明所述的实现矩形扫描的图像声纳系统包括：
它包括水上综合处理机、声纳头、数据传输链路、电缆和声纳头安装机构；声纳头通过数据传输链路、电缆连接到水上综合处理机，声纳头安装于声纳头安装机构上。
本发明所述的系统的实现方法包括如下步骤：
1)水上综合处理机通过数据传输链路将下行指令，了、包括工作参数、控制信号传到声纳头，控制各声纳头的工作状态，相邻的声纳头采用分时工作方式，避免相互干扰；同时通过电缆给声纳头供电；水上综合处理机对每个声纳头设有独立的地址；
2)水上综合处理机通过数据传输链路接收水下多套图像声纳头采集的数据包，完成单个声学信号和声学图像处理，并根据声纳头姿态数据、声纳头地址和安装位置的对应关系，将所有单个声纳头的图像进行综合图像合成，显示整个扫描到的图像；整个图像进行了拼图处理，将有重叠的声纳头数据进行裁剪，获取质量较好的图像数据，再将裁剪后的图像进行拼图并显示，形成完整的扫描图像；
本发明的优点是：一是本发明在使用中可以根据需要选择水下图像声纳头的数量，以满足不同使用条件下的分辨率、作用距离和盲区的要求，系统使用灵活性高、可扩展能力强。二是本发明采用了多组单波束图像声纳头配合工作，实现对扫描区域的无盲区扫描。三是近似矩形的扫描区域与传统的扇形扫描区域相比，具有盲区小和无“声影区”等特征。
附图说明
图1是本发明组成示意图。
图2是本发明水上综合处理机组成框图。
图3是本发明声纳头组成框图。
图4是本发明数据传输链路示意图。
图5是本发明安装机构示意图。
图6是本发明图像扫描区域示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。
如图所示，本发明所述的实现矩形扫描的图像声纳系统，它包括水上综合处理机5、声纳头2、数据传输链路3、电缆4和声纳头安装机构2；水下图像声纳头2通过数据传输链路3、电缆4连接到水上综合处理机5，水下图像声纳头2安装于声纳头安装机构1上。
水上综合处理机5包括数据接口6、信号处理机7、图像处理机8和供电设备9，信号处理机7上连接有数据接口、图像处理机8和供电设备9；水下图像声纳头2通过数据接口6与信号处理机7连接，水下图像声纳头上2还接有供电设备9。水上综合处理机5用于实现GPS定位、数据处理、三维图像处理、显示、及对水下声纳头的控制。
信号处理机7包括人机接口10、数据处理及控制单元11和GPS设备12，数据处理及控制单元11上连接有人机接口10和GPS设备12；图像处理机8包括图像处理单元13和显示设备14；显示设备14连接在图像处理单元13上；供电设备9包括电源15和电源控制单元16，电源15和电源控制单元16连接。
数据处理及控制单元11的功能是接收数据接口6和GPS设备12传输过来的数据，并对数据进行信号处理及通过指令控制声纳头2的工作状态。
图像处理单元13的功能是接收数据处理及控制单元11的数据，将声学数据转换成图像数据，并对图像数据进行处理并通过显示设备14显示出来。
声纳头2包括传感器基阵17、发射机18、接收机19、数据采集器20、姿态传感器21、信号处理机22和控制模块23；接收机19接收来自传感器基阵17的信号给数据采集器20，再传送到信号处理机22，和控制模块23，姿态传感器21通过控制模块23与信号处理机22连接，信号处理机22通过发射机18与传感器基阵17连接；接收机19包括前级放大器、TVG放大器、带通滤波器和包络检波器。
传感器基阵17的功能是在接收时将接收到的声学回波信号转换成微弱的电信号，在发射时将发射机18输出的电信号转换成声信号；发射机18的功能是提高发射信号的电功率，并匹配传感器基阵的阻抗，提高电功率转成声功率的转换效率；接收机19的功能是对传感器基阵17的输出电信号进行放大滤波，使信号带宽限制在需要的范围内，同时信号的幅度通过一个TVG放到的合适的范围，使信号的幅度与包络检波器的量程相匹配；数据采集器20的功能是完成接收信号的数字化；姿态传感器21测量传感器基阵的姿态数据，与声纳测量数据相结合用于测量结果的校准和补偿，也可以用于设备布放后的姿态确认；信号处理机22完成对采集到的回波信号的检测和参数估计，并将处理后的数据传送到水上综合处理机；控制模块23的功能是获取姿态传感器21的数据，并根据控制命令控制整个声纳头2的工作状态。
传输链路3包括数据传输模块24、数据转发器25、RS485总线、LVDS总线和光纤，声纳头2与数据传输模块24之间通过RS485总线连接，相邻数据传输模块之间通过LVDS总线连接，数据传输模块与数据转发器25之间通过LVDS总线连接，数据转发器25和水上综合处理机5(上位机)之间通过光纤连接。
传输链路3的功能是数据传输。数据传输模块24的功能是接收声纳头2通过RS485总线输出的数据，对数据进行打包之后转换成LVDS总线一级一级传输到数据转发器25。数据转发器25的功能是实现LVDS总线和光纤的接口转换。
声纳头安装机构1包括水密壳体27，水密壳体连接器29和磁罗盘，水密壳体27至少有二个，相邻水密壳体之间通过水密壳体连接器29连接，每个水密壳体27上至少安装二个声纳头，声纳头的换能器基阵26硫化在水密壳体27的外表面，水密壳体27内部安装磁罗盘、声纳头电子舱28和数据传输模块。
声纳头电子舱28的功能是用于安装水下图像声纳头的电子设备。
水密壳体27内衬加强套管和密封件。
电缆4的二头分别连接在数据传输链路3和数据接口6上。
本发明所述的矩形扫描的图像声纳系统的实现方法，包括如下步骤：
1)水上综合处理机5通过数据传输链路将下行指令，包括工作参数、控制信号传到各声纳头，控制各声纳头的工作状态，相邻的声纳头采用分时工作方式，避免相互干扰；同时通过电缆4给声纳头供电；水上综合处理机5对每个声纳头设有有独立的地址；
2)水上综合处理机5通过数据传输链路3接收水下多套图像声纳头2采集的数据包，完成单个声学信号和声学图像处理，并根据声纳头姿态数据、声纳头地址和安装位置的对应关系，将所有单个声纳头的图像进行综合图像合成，显示整个扫描到的图像；整个图像进行了拼图处理，将有重叠的声纳头数据进行裁剪，获取质量较好的图像数据，再将裁剪后的图像进行拼图并显示，形成完整的扫描图像。
各声纳头的工作状态包括各声纳头完成在一个窄波束范围内的声脉冲发射，接收声学回波信号进行信号调理和采集，具体为：传感器基阵17将接收到的声学回波信号转换成微弱的电信号，需要经过接收机19的放大滤波之后，使信号带宽限制在需要的范围内，同时信号的幅度通过一个TVG放到合适的范围，使信号的幅度与包络检波器的量程相匹配，经过包络检波之后，包络信号被送入数据采集器的采样保持器进行采样，然后被数据采集器内的模/数转换器量化；量化后的数据送入存储器缓存以供处理；信号处理机22完成对采集到的回波信号的检测和参数估计，并将处理后的数据传送到水上综合处理机；姿态传感器21测量传感器基阵17，它与回波信号测量数据相结合用于对测量结果的校准和补偿，或是用于对布放后声纳头姿态的确认。
声纳头的地址在系统上电之后由水上综合处理机5进行动态分配，每个声纳头具有唯一的地址，靠近数据转发器的第一个声纳头地址为1#，向后依次递增；完成地址分配之后，系统可以对声纳头进行自检，监测声纳头的状态；
每个声纳头上传的数据包都包含各自的地址码，数据包采用按节拍“流水线”传输的方法，每一个节拍每个数据传输模块向前一个数据传输模块传输一帧数据，最前的数据传输模块向数据转发器传输一帧数据，依次数据由后向前连续一级一级传输，充分利用了数据传输链路的带宽，提高数据传输速率。
声纳头分单元分时工作方式是指扫描时，每单元仅有一个声纳头工作，避免声纳头之间的相互影响；具体为：根据顺序将每个单元内的声纳头依次编号，由水上综合处理机5控制每单元的声纳头依次发射声脉冲，编号小的声纳头先发射和接收回波，完成之后下一个声纳头工作，依次轮询发射；每个声纳头分配不同的地址，将各自采集的回波数据根据地址打包通过数据传输链路送到水上综合处理机5，水上综合处理机5完成图像信号处理和显示；每个声纳头的扫描波束角30为θ，为了减小盲区，相邻的两个声纳头扫描区域具有部分重叠，由相互重叠的扫描范围组成了系统的整个扫描区域31。
本发明的数据传输链路3用于完成命令、状态数据和声纳头数据传输功能。命令包括：水上综合处理机5发送给声纳头的下行命令和声纳头回复给水上综合处理的命令回复码；状态数据是声纳头上传给水上综合处理机5的状态信息数据；声纳头数据是各个声纳头接收到的声学数据。根据图像声纳数据量大、距离传输远和系统的多节点数据传输特点，传输链路3采用了RS485、LVDS和光纤传输相结合。在短距离内，RS485最大数据率10Mbps可以满足每组声纳头的数据率要求，同时接口简单；在50米内，LVDS最高500Mbps的数据率能很好满足数据传输模块之间及数据传输模块和数据转发器之间的数据速率要求，同时对传输线和接插件要求不高，弥补了光纤的在短距离多节点数据传输上的缺点；数据转发器25和水上综合处理机5之间的数据需要高速远距离的传输，采用光纤能很好的满足要求，同时只有一对光纤接插件，简化了系统设计、降低成本并提高了可靠性。
Claims (10)
1.一种实现矩形扫描的图像声纳系统，其特征在于它包括水上综合处理机、至少二个声纳头、数据传输链路、电缆和声纳头安装机构；声纳头通过数据传输链路、电缆连接到水上综合处理机，声纳头安装于声纳头安装机构上；水上综合处理机包括数据接口、第一信号处理机、图像处理机和供电设备，第一信号处理机上连接有数据接口、图像处理机和供电设备；声纳头通过数据接口与第一信号处理机连接；
该水上综合处理机将所有单个声纳头的图像进行综合图像合成，显示整个扫描到的图像；对整个图像进行了拼图处理，将有重叠的声纳头数据进行裁剪，获取质量较好的图像数据，再将裁剪后的图像进行拼图并显示，形成完整的扫描图像。
2.根据权利要求1所述的实现矩形扫描的图像声纳系统，其特征在于声纳头上还接有供电设备；第一信号处理机包括人机接口、数据处理及控制单元和GPS设备，数据处理及控制单元上连接有人机接口和GPS设备；图像处理机包括图像处理单元和显示设备；显示设备连接在图像处理单元上；供电设备包括电源和电源控制单元，电源和电源控制单元连接；
所述的数据处理及控制单元的功能是接收数据接口和GPS设备传输过来的数据，并对数据进行信号处理及通过指令控制水下图像声纳头的工作状态；
所述的图像处理单元的功能是接收数据处理及控制单元的数据，将声学数据转换成图像数据，并对图像数据进行处理并通过显示设备显示出来。
3.根据权利要求1所述的实现矩形扫描的图像声纳系统，其特征在于声纳头包括传感器基阵、发射机、接收机、数据采集器、姿态传感器、第二信号处理机和控制模块；接收机接收来自传感器基阵的信号给数据采集器，再传送到第二信号处理机和控制模块，姿态传感器通过控制模块与第二信号处理机连接，第二信号处理机通过发射机与传感器基阵连接；接收机包括前级放大器、TVG放大器、带通滤波器和包络检波器；
传感器基阵的功能是在接收时将接收到的声学回波信号转换成微弱的电信号，在发射时将发射机输出的电信号转换成声信号；发射机的功能是提高发射信号的电功率，并匹配传感器基阵的阻抗，提高电功率转成声功率的转换效率；接收机的功能是对传感器基阵的输出电信号进行放大滤波，使信号带宽限制在需要的范围内，同时信号的幅度通过一个TVG放到的合适的范围，使信号的幅度与包络检波器的量程相匹配；数据采集器的功能是完成接收信号的数字化；姿态传感器测量传感器基阵的姿态数据，与声纳测量数据相结合用于测量结果的校准和补偿，用于设备布放后的姿态确认；第二信号处理机完成对采集到的回波信号的检测和参数估计，并将处理后的数据传送到上位机；控制模块的功能是获取姿态传感器的数据，并根据控制命令控制整个声纳头的工作状态。
4.根据权利要求1所述的实现矩形扫描的图像声纳系统，其特征在于传输链路包括数据传输模块、数据转发器、RS485总线、LVDS总线和光纤，声纳头与数据传输模块之间通过RS485总线连接，相邻数据传输模块之间通过LVDS总线连接，数据传输模块与数据转发器之间通过LVDS总线连接，数据转发器和水上综合处理机之间通过光纤连接；
数据传输模块的功能是接收声纳头通过RS485总线输出的数据，对数据进行打包之后转换成LVDS总线一级一级传输到数据转发器；
数据转发器的功能是实现LVDS总线和光纤的接口转换。
5.根据权利要求1所述的实现矩形扫描的图像声纳系统，其特征在于声纳头安装机构包括水密壳体，水密壳体连接器和磁罗盘，水密壳体至少有二个，相邻水密壳体之间通过水密壳体连接器连接，每个水密壳体上至少安装二个声纳头，声纳头的换能器基阵硫化在水密壳体的外表面，水密壳体内部安装磁罗盘、声纳头电子舱和数据传输模块；水密壳体内衬加强套管和密封件；
声纳头电子舱的功能是用于安装水下图像声纳头的电子设备。
6.一种矩形扫描的图像声纳系统的实现方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)水上综合处理机通过数据传输链路将下行指令，包括工作参数、控制信号传到声纳头，控制各声纳头的工作状态，相邻的声纳头采用分时工作方式，避免相互干扰；同时通过电缆给声纳头供电；水上综合处理机对每个声纳头设有独立的地址；
2)声纳头的状态信息通过上行指令传给水上综合处理机处理，具体为水上综合处理机通过数据传输链路接收水下多套图像声纳头采集的数据包，完成单个声学信号和声学图像处理，并根据声纳头姿态数据、声纳头地址和安装位置的对应关系，将所有单个声纳头的图像进行综合图像合成，显示整个扫描到的图像；对整个图像进行了拼图处理，将有重叠的声纳头数据进行裁剪，获取质量较好的图像数据，再将裁剪后的图像进行拼图并显示，形成完整的扫描图像。
7.根据权利要求6所述的一种矩形扫描的图像声纳系统的实现方法，其特征在于各声纳头的工作状态包括各声纳头完成在一个窄波束范围内的声脉冲发射，接收声学回波信号进行信号调理和采集；具体为：传感器基阵将接收到的声学回波信号转换成微弱的电信号，需要经过接收机的放大滤波之后，使信号带宽限制在需要的范围内，同时信号的幅度通过一个TVG放到合适的范围，使信号的幅度与包络检波器的量程相匹配，经过包络检波之后，包络信号被送入数据采集器的采样保持器进行采样，然后被数据采集器内的模/数转换器量化；量化后的数据送入存储器缓存以供处理；第二信号处理机完成对采集到的回波信号的检测和参数估计，并将处理后的数据传送到水上综合处理机；姿态传感器测量传感器基阵的姿态数据，它与回波信号测量数据相结合用于对测量结果的校准和补偿，或是用于对布放后声纳头姿态的确认。
8.根据权利要求6所述的一种矩形扫描的图像声纳系统的实现方法，其特征在于声纳头的地址在系统上电之后由水上综合处理机进行动态分配，每个声纳头具有唯一的地址，靠近数据转发器的第一个声纳头地址为1#，向后依次递增；完成地址分配之后，系统对声纳头进行自检，监测声纳头的状态。
9.根据权利要求6所述的一种矩形扫描的图像声纳系统的实现方法，其特征在于每个声纳头上传的数据包都包含各自的地址码，数据包采用按节拍“流水线”传输的方法，每一个节拍每个数据传输模块向前一个数据传输模块传输一帧数据，最前的数据传输模块向数据转发器传输一帧数据，依次数据由后向前连续一级一级传输，充分利用了数据传输链路的带宽，提高数据传输速率。
10.根据权利要求6所述的一种矩形扫描的图像声纳系统的实现方法，其特征在于声纳头分单元分时工作方式是指扫描时，每单元仅有一个声纳头工作，避免声纳头之间的相互影响；具体为：根据顺序将每个单元内的声纳头依次编号，由水上综合处理机控制每单元的声纳头依次发射声脉冲，编号小的声纳头先发射和接收回波，完成之后下一个声纳头工作，依次轮询发射；每个声纳头分配不同的地址，将各自采集的回波数据根据地址打包通过数据传输链路送到水上综合处理机，水上综合处理机完成图像信号处理和显示；每个声纳头的扫描波束角为θ，为了减小盲区，相邻的两个声纳头扫描区域具有部分重叠，由相互重叠的扫描范围组成了系统的整个扫描区域。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: NO.701 INST., CHINA SHIP HEAVY INDUSTRY GROUP CORP Effective date: 20120720 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Guo Lin Inventor after: Shi Yang Inventor after: Yi Yuanyuan Inventor after: Min Jinghui Inventor after: Feng Haihong Inventor after: Yin Feixing Inventor after: Fu Jianhua Inventor before: Guo Lin Inventor before: Shi Yang Inventor before: Feng Haihong Inventor before: Yin Feixing Inventor before: Fu Jianhua |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: GUO LIN SHI YANG FENG HAIHONG YIN FEIXING FU JIANHUA TO: GUO LIN SHI YANG YI YUANYUAN MIN JINGHUI FENG HAIHONG YIN FEIXING FU JIANHUA |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20120720 Address after: 314001 No. 5, No. 778 Asia Pacific Road, nanhu road, Nanhu District, Zhejiang, Jiaxing, Jiaxing, China Co-patentee after: No. 710 Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation Patentee after: Jiaxing Zhongke Acoustics Technology Co., Ltd. Address before: 314001 No. 5, No. 778 Asia Pacific Road, nanhu road, Nanhu District, Zhejiang, Jiaxing, Jiaxing, China Patentee before: Jiaxing Zhongke Acoustics Technology Co., Ltd. |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120321 Termination date: 20180910 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |