CN103941260A - 一种水下声学视频成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种水下声学视频成像装置，属于水下工程、水下勘察领域。具体来说该装置包含水下组合式声学换能器、水下电子仓单元、高速数据链路、甲板处理单元和显控计算机。该装置基本原理是利用B式超声成像原理，通过发射换能器向水中发射具有一定束宽的声波照射水体及水底，接收换能器接收到水体或水底目标发射回波并进行波束形成，处理单元在水平方向上形成很窄的波束并提取每个波束输出信号的时间-强度序列，形成二维灰度声纳图像，通过不断的收发信号即可形成连续的声纳视频图像。该装置能够在低能见度或零能见度的水中为水下工程、水下勘察等领域提供连续、清晰的声学视频图像。
Description
技术领域
本发明涉及的是水下工程、水下勘察领域，更确切地说，涉及一种水下声学视频成像装置，适用水下场景的声学视频成像，海底管线辅设及故障检测，水下工程的精密测量控制与工程结构实地放样，水下目标搜索，水下搜救等领域。
背景技术
总所周知，地球70％以上的面积都被水体所覆盖，随着陆上资源的消耗殆尽，人们也加快了海洋开发的进程。不同于陆地或者空间，对环境的观察和探测可以采用多种方式，例如可见光、红外线、无线电等，而这些手段在水下探测中几乎无法使用，尤其是在我国，绝大部分浅海海域，包括渤海、东海、黄海等，以及内河、湖泊，水质都比较混浊，能见度低，因此对水下场景的观察就很难采用光学设备。
声波作为目前发现的唯一能够在水中远距离传播，且受水体浑浊度影响最小的一种媒介，被广泛应用于水下探测等诸多领域。因此，声纳也就成为了水下探测、水下工程、渔业以及海军所必不可少的装备。
图像声纳是一种以图像的形式直观反映水下场景信息的声纳设备，被广泛的应用在诸多领域，例如海底地貌的测绘、水下残骸的搜索、桥梁堤坝的检测、海港的监视以及海底海床的勘察。然后，目前的图像声纳系统主要以静态的图像形式或者低帧率动态图像形式显示，虽然在水下探测领域发挥了重大的作用，但是对于一些对水下运动目标进行观察的需求还难以满足。随着，海洋开发的不断深入和水下工程领域对水下环境观测需求的不断提升，以及国防领域对水下安防重视程度的不断提高，对高分辨率、高清晰度、高帧率，近似于光学视频效果的水下声学视频成像设备的需求将会不断增加。
发明内容
鉴于此，本发明公开了一种水下声学视频成像装置，该装置由以此相连的组合式声学换能器(101)、水下电子单元(102)、水密电缆(103)、甲板处理单元(104)和显控计算机(105)组成。
本发明所公开的水下声学视频成像装置，其位于水下的组合式声学换能器(101)由多元直线接收换能器阵(203)和弧形线列发射换能器阵(201)组成，以“T”型组合结构固定于水下电子单元(102)的水密外壳(601)上。
本发明所公开的水下声学视频成像装置，其水下电子单元(102)中功能部分由与弧形线列发射换能器阵(201)相连的发射驱动电路(202)和与多元直线接收换能器阵(203)依次相连的多通道信号调理电路(204)、多通道模数变换电路(205)以及依次相连的水下单元主控系统(206)和水下数据传输单元(207)组成。
本发明所公开的水下声学视频成像装置，其发射驱动电路(202)由依次相连的信号发生单元(301)、信号隔离单元(302)、功率放大单元(303)、阻抗匹配单元(304)组成，并最终与弧形线列发射换能器阵(201)相连。
本发明所公开的水下声学视频成像装置，其多通道信号调理电路(204)每个通道都由依次相连的前置放大电路(402)、带通滤波电路(402)、可控增益放大电路(403)、固定增益放大电路(404)和抗混叠滤波电路(405)组成，多元直线接收换能器阵(203)的输出信号直接连接到前置放大电路(402)。
本发明所公开的水下声学视频成像装置，其甲板处理单元(104)由一次相连的水面数据传输单元(501)、信号处理FPGA(502)、图像处理器(503)和网络通信单元(505) 组成，同时图像处理器(503)通过并行总线扩展数据存储器(504)。
本发明所公开的水下声学视频成像装置，其基本原理是利用B式超声成像原理，通过发射换能器向水中发射具有一定束宽的声波照射水体及水底，接收换能器接收到水体或水底目标发射回波并进行波束形成，处理单元在水平方向上形成很窄的波束并提取每个波束输出信号的时间-强度序列，形成二维灰度声纳图像，通过不断的收发信号即可形成连续的声纳视频图像。
本发明所公开的水下声学视频成像装置，每一帧视频图像的生成过程如下：
(1)水下单元主控系统(206)根据设置好的帧率产生固定间隔的同步信号传送给发射驱动电路(202)中的信号发生单元(301)；
(2)信号发生单元(301)根据信号频率、脉冲长度、调制方式等参数，产生特定形式的发射信号，并依次通过信号隔离单元(302)、功率放大单元(303)、阻抗匹配单元(304)和弧形线列发射换能器阵(201)将电信号转换为声信号，并将声信号发射到水中；
(3)声信号在水中遇到目标或水底产生反向散射信号被多元直线接收换能器阵(203)接收到并转换成微弱的电信号，64个阵元产生64路独立的电信号，每路电信号经由依次相连的多通道信号调理电路(204)中独立的前置放大电路(402)、带通滤波电路(402)、可控增益放大电路(403)、固定增益放大电路(404)和抗混叠滤波电路(405)形成具有一定电压幅度的电信号，并由多通道模数变换电路(205)将64路模拟信号转换为数字信号；
(4)64路数字信号经由水下单元主控系统(206)打包再通过水下数据传输单元(207)将数据上传给甲板处理单元(104)；
(5)水下电子单元(102)和甲板处理单元(104)通过水密电缆(103)连接并进行数据通信，水面数据传输单元(501)将接收到的水下数据发送给信号处理FPGA(502)，完成256点波束形成，并将每个波束的输出序列发送给图像处理器(503)；
(6)图像处理器(503)提取每个波束的时间-强度序列，并进行灰度变换和扇形变换，并形成一帧灰度图像数据，通过和网络通信单元(505)发送给显控计算机(105)进行显示。
不断地重复上述过程，即可形成连续的图像序列，当帧率达到或超过每秒15帧时，则形成了连续的水下声学视频图像效果，实现对水下场景的动态观察。
本发明所公开的水下声学视频成像装置装置利用了现代电子技术中的通用成熟集成电路和新的结构与方法，实现了高帧率、高分辨率的声学视频成像。
由此可见，本发明设计新颖、技术含量高、易于实现且成本较低，非常适合于水下场景的声学视频成像，海底管线辅设及故障检测，水下工程的精密测量控制与工程结构实地放样，水下目标搜索，水下搜救等领域。
附图说明
为了使本发明的内容更利于相关专业技术人员理解，下面对附图进行简单说明。
图1为本发明所述的水下声学视频成像装置的组成框图。
图2为本发明所述的水下声学视频成像装置中水下单元组成框图。
图3为本发明所述的水下声学视频成像装置中发射驱动电路组成框图。
图4为本发明所述的水下声学视频成像装置中多通道信号调理电路每个通道的组成框图。
图5为本发明所述的水下声学视频成像装置中甲板处理单元组成框图。
图6为本发明所述的水下声学视频成像装置一种实施例中水下单元剖面结构图。
图7为本发明所述的水下声学视频成像装置一种实施例中组合式声学换能器安装方式示意图。
具体实施方案
下面结合附图和本发明一种较佳的具体实施例对本发明作进一步说明。
作为本发明的一种较佳施例，该水下声学视频成像装置，其声学中心工作频率为400KHz，多元直线接收换能器阵(203)采用64元线阵结构，阵元尺寸1.375mm×6mm，子阵间距2.813mm，全阵总长为180mm，由此可形成1°x30°的接收波束宽度；弧形线列发射换能器阵(201)弧度张角150°，曲率半径50mm，弧长130mm，弧宽7.5mm，由此可形成120°x25°的发射波束。
作为本发明的一种较佳施例，水下电子单元(102)外壳密封舱采用316不锈钢制成，所有电子部分都置于密封舱内，多元直线接收换能器阵(203)和弧形线列发射换能器阵(201)组成，以“T”型组合结构固定于水密外壳(601)上，水密连接器(603)和水密电缆(103)都采用聚氨酯材料一次成型，以实现良好防水。
作为本发明的一种较佳施例，水下单元主控系统(206)选用Cyclone III系列FPGA，同时信号发生单元(301)也由该FPGA逻辑实现，产生PWM信号通过信号隔离单元(302)和功率放大单元(303)发射信号，考虑到发射效率，本实施例中选用D类功率放大器；多通道信号调理电路(204)和多通道模数变换电路(205)由TI公司集成模拟前端AFE5807实现，单片AFE5807具有8个独立通道，因此针对本实施例中64元接收阵而言，总共需要8片以实现64通道的信号调理和模数变换，水下单元主控系统(206)模数变换后的数据通过百兆以太网上传给甲板处理单元(104)，本实施例中选用集成以太网控制器芯片W5200作为水下数据传输单元(207)。
作为本发明的一种较佳施例，水上数据传输单元(501)同样采用集成以太网控制器芯片W5200，信号处理FPGA(502)采用处理能力更强的Xilinx公司的VIRTEX系列FPGA主要完成256点的实时波束形成算法，图像处理器(503)选用TI公司TMS320C6416定点DSP处理器主要完成每个波束的时间-强度序列的提取，并进行灰度变换和扇形变换，形成连续的声学视频。
以上所述仅为本发明的一种较佳可行施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所做的等同结构变化，同理均应包含在发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种水下声学视频成像装置，其特征在于该装置由依次相连的组合式声学换能器(101)、水下电子单元(102)、水密电缆(103)、甲板处理单元(104)和显控计算机(105)组成。
2.如权利要求1所述的水下声学视频成像装置，其特征在于位于水下的组合式声学换能器(101)由多元直线接收换能器阵(203)和弧形线列发射换能器阵(201)组成，以“T”型组合结构固定于水下电子单元(102)的水密外壳(601)上。
3.如权利要求1所述的水下声学视频成像装置，其特征在于水下电子单元(102)中功能部分由与弧形线列发射换能器阵(201)相连的发射驱动电路(202)和与多元直线接收换能器阵(203)依次相连的多通道信号调理电路(204)、多通道模数变换电路(205)以及依次相连的水下单元主控系统(206)和水下数据传输单元(207)组成。
4.如权利要求1所述的水下声学视频成像装置，其特征在于发射驱动电路(202)由依次相连的信号发生单元(301)、信号隔离单元(302)、功率放大单元(303)、阻抗匹配单元(304)组成，并最终与弧形线列发射换能器阵(201)相连。
5.如权利要求1所述的水下声学视频成像装置，其特征在于多通道信号调理电路(204)每个通道都由依次相连的前置放大电路(402)、带通滤波电路(402)、可控增益放大电路(403)、固定增益放大电路(404)和抗混叠滤波电路(405)组成，多元直线接收换能器阵(203)的阵元输出信号直接连接到前置放大电路(402)。
6.如权利要求1所述的水下声学视频成像装置，其特征在于甲板处理单元(104)由依次相连的水面数据传输单元(501)、信号处理FPGA(502)、图像处理器(503)和网络通信单元(505)组成，同时图像处理器(503)通过并行总线扩展数据存储器(504)。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20140723 |
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