CN105137439A - 一种二维旋回式单波束水声测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维旋回式单波束水声测量系统，包含：系统控制单元；分别与系统控制单元连接的驱动控制单元、距离测量单元及三维地形重构单元；传感及执行机构单元，分别与所述驱动控制单元、距离测量单元及三维地形重构单元连接；所述距离测量单元与三维地形重构单元连接。本发明还公开了一种二维旋回式单波束水声测量方法。本发明利用单波束换能器在球坐标系下进行二维旋转，并进行坐标变换，有效便捷地重构室内水下沙面三维地形，大大缩短了现有测量技术中的直角坐标下步进电机的运动行程。

Description

一种二维旋回式单波束水声测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种水声工程技术领域的测量系统，具体涉及一种二维旋回式单波束水声测量系统及其测量方法。

背景技术

水下地表床面形态的研究对于近海水深测量，港口河道勘察及水下资源开发等有着重要的意义。而在实验室采用深水槽内水沙模型进行地形测量是研究水下地表床面形态变化的重要手段。

现有技术中对深水槽内水沙模型的测量方式主要有机械接触式和非接触式的。

申请号为201310191458.5的一篇专利文献公开了一种微触式浑水水下地形仪，其采用的是机械接触式的测量方式，这种方式探头需要接触床面，在复杂条件下探针容易变形损坏造成测量精度有误，测量效率和精度较低，而早期机械接触式采用的钢尺及吊锤仅适用于浅水区域的测量，且当进行逐点时由于工作量大则难以推广。

申请号为200710062775.1的一篇专利文献公开了一种水下三维地形测量系统，其采用的是非接触式的测量方式，通过水下摄像的方法可以进行较大区域的测量，但是当水下光照环境较暗时的测量效果并不理想。

申请号为201310117281.4的一篇专利文献公开了一种室内水沙模型试验微地形量测装置，其采用的是非接触式的测量方式，通过激光进行测量，仅适用于浅水区域的测量。

申请号为98220088.9的一篇专利文献公开了一种实验室用水下超声地形测量仪以及发表在《海洋工程》2001年第19卷第1期，94-98的实验室用水下超声地形测量仪均采用的是非接触式的测量方式，并且都是通过超声波进行实验室的深水槽内沙面三维地形的测量，通过不间断地发射声波信号并接收回波信号，测出发射声波信号与回波信号的时间差，就可以轻易地计算出水深，进而可绘制出一条水底地形地貌的曲线，将大量等间距的水底地形地貌的曲线组合起来，就可以获得水底的立体图像。但是这种方法是单波束测量，为了测量整个水下地形，一般进行三维空间扫描，这样至少有一个方向采用直线行程移动，当水槽较大时，测量的直线行程很长导致导轨的铺设昂贵及步进电机运动安装的不便，虽然可以采用侧扫声呐或多波束测深仪替代单波束测量，但其价格昂贵且多应用于军事及搜救等特殊用途，在实验室中采用则明显成本高，不是便捷经济行之有效的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二维旋回式单波束水声测量系统及其测量方法，利用单波束换能器在球坐标系下进行二维旋转，并进行坐标变换，有效便捷地重构室内水下沙面三维地形，大大缩短了现有测量技术中的直角坐标下步进电机的运动行程。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种二维旋回式单波束水声测量系统，其特点是，包含：

系统控制单元；

分别与系统控制单元连接的驱动控制单元、距离测量单元及三维地形重构单元；

传感及执行机构单元，分别与所述驱动控制单元、距离测量单元及三维地形重构单元连接；

所述距离测量单元与三维地形重构单元连接；其中

所述系统控制单元用于启动驱动控制单元、距离测量单元及三维地形重构单元，并分别进行参数设定；

所述驱动控制单元用于根据系统控制单元的设定参数发出驱动信号以控制传感及执行机构单元定位在设定位置；

所述距离测量单元用于根据系统控制单元的设定参数发射脉冲信号以激励传感及执行机构单元并接收回波脉冲信息以使距离测量单元形成目标距离参数，所述距离测量单元将目标距离参数传输到三维地形重构单元；

所述三维地形重构单元用于根据距离测量单元传输的目标距离参数和传感及执行机构单元发送的位置参数，重构水下三维地形，以完成对深水槽内沙面地形的测量。

所述的传感及执行机构单元包含换能器，与所述距离测量单元连接，用于接收距离测量单元发送的脉冲信号，并传输回波脉冲信息，以使所述距离测量单元根据脉冲收发时间差确定目标距离参数；方位角φ方向运动执行机构，与所述换能器连接，用于提供方位角φ方向的动力及方位信息；转向角θ方向运动执行机构，与所述换能器连接，用于提供转向角θ方向的动力及方位信息；换能器位置处理模块，分别与所述方位角φ方向运动执行机构、转向角θ方向运动执行机构及三维地形重构单元连接，用于接收方位角φ方向的方位信息及转向角θ方向的方位信息并输出换能器位置参数至三维地形重构单元。

所述的方位角φ方向运动执行机构包含方位角φ方向旋转滚轮，用于提供方位角φ方向的旋转；方位角φ步进电机，分别与所述方位角φ方向旋转滚轮及驱动控制单元连接，用于提供动力及接收驱动控制单元发送的方位角φ驱动信号；方位角φ位移传感器，与所述处理模块连接，用于采集方位角φ位移信号。

所述的转向角θ方向运动执行机构包含转向角θ方向旋转滚轮，用于提供转向角θ方向的旋转；转向角θ步进电机，分别与所述转向角θ方向旋转滚轮及驱动控制单元连接，用于提供动力及接收驱动控制单元发送的转向角θ驱动信号；转向角θ位移传感器，与所述处理模块连接，用于采集转向角θ位移信号。

所述的二维旋回式单波束水声测量系统水温传感器设置在所述深水槽内，与所述距离测量单元连接，用于测量深水槽内的水温并传输至距离测量单元，以使所述距离测量单元修正目标距离参数。

所述的二维旋回式单波束水声测量系统应用于深水槽内沙面地形的测量。

一种二维旋回式单波束水声测量方法，用于对深水槽内沙面地形进行测量，其特点是，包含以下步骤：

S1、驱动控制单元发出驱动信号，控制传感及执行机构单元定位在设定位置；

S2、距离测量单元发射脉冲信号，激励传感及执行机构单元并接收回波脉冲信息以使距离测量单元形成目标距离参数；

S3、距离测量单元将目标距离参数传输到三维地形重构单元；

S4、传感及执行机构单元将实测换能器位置参数发送到三维地形重构单元；

S5、三维地形重构单元将目标距离参数和传感及指定位置参数进行坐标转换，形成三维地形数据；

S6、重复步骤S1~S5，获取深水槽内沙面地形所有位置的三维地形数据，并在三维地形重构单元中形成三维地形数据表格；

S7、三维地形重构单元根据三维地形数据表格重构水下三维地形，以完成对深水槽内沙面地形的测量。

所述的步骤S1之前还包含一初始化所述二维旋回式单波束水声测量系统的步骤S0：

S0、系统控制单元启动驱动控制单元并设定运动参数；

系统控制单元启动距离测量单元并设定脉冲重复频率、幅度参数；

系统控制单元启动三维地形重构单元准备数据接收。

所述的步骤S2中还包含传感及执行机构单元向距离测量单元发送水温信息，所述距离测量单元根据水温信息对目标距离参数进行修正。

本发明一种二维旋回式单波束水声测量系统及其测量方法与现有技术相比具有以下优点：采用单波束换能器在球坐标系下进行二维旋转，并利用坐标变换有效便捷地重构了室内水下沙面三维地形，大大缩短了原有测量技术中的直角坐标下步进电机的运动行程。

附图说明

图1为本发明一种二维旋回式单波束水声测量系统的整体结构示意图；

图2为传感及执行机构单元的整体结构示意图；

图3为测量方法示意图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，一种二维旋回式单波束水声测量系统，用于对深水槽6内的沙面地形进行测量，该系统包含：系统控制单元1；分别与系统控制单元1连接的驱动控制单元2、距离测量单元3及三维地形重构单元4；传感及执行机构单元5，分别与所述驱动控制单元2、距离测量单元3及三维地形重构单元4连接；所述距离测量单元3与三维地形重构单元4连接；其中所述系统控制单元1用于启动驱动控制单元2、距离测量单元3及三维地形重构单元4，并分别进行参数设定；所述驱动控制单元2用于根据系统控制单元1的设定参数发出驱动信号以控制传感及执行机构单元5定位在设定位置；所述距离测量单元3用于根据系统控制单元1的设定参数发射脉冲信号以激励传感及执行机构单元5并接收回波脉冲信息以使距离测量单元3形成目标距离参数，所述距离测量单元3将目标距离参数传输到三维地形重构单元4；所述三维地形重构单元4用于根据距离测量单元3传输的目标距离参数和传感及执行机构单元5发送的位置参数，重构水下三维地形，以完成对深水槽内沙面地形的测量。

在本发明的较佳实施例中，系统控制单元1的器件型号为S3C2416；驱动控制单元2的器件型号为STPHF2-2；目标距离测量单元3的器件型号为DYSTM32F4；三维地形重构单元4采用PC机。

如图2所示，所述的传感及执行机构单元5包含换能器51，与所述距离测量单元3连接，用于接收距离测量单元3发送的脉冲信号，并传输回波脉冲信息，以使所述距离测量单元3根据脉冲收发时间差确定目标距离参数；方位角φ方向运动执行机构，与所述换能器51连接，用于提供方位角φ方向的动力及方位信息；转向角θ方向运动执行机构，与所述换能器51连接，用于提供转向角θ方向的动力及方位信息；换能器位置处理模块54，分别与所述方位角φ方向运动执行机构、转向角θ方向运动执行机构及三维地形重构单元4连接，用于接收方位角φ方向的方位信息及转向角θ方向的方位信息以输出换能器位置参数至三维地形重构单元4。即传感及执行机构单元所要实现的功能是一方面用于将搭载单波束换能器的步进电机在转向角和方位角两个方向旋转至设定位置，另一方面与距离测量单元传输脉冲信息和水温信息。

在本发明的较佳实施例中，换能器51为单波束换能器，器件型号为DYM-1M；换能器位置处理模块54的器件型号为AT89S52。

所述的方位角φ方向运动执行机构包含方位角φ方向旋转滚轮521，用于提供方位角φ方向的旋转；方位角φ步进电机522，分别与所述方位角φ方向旋转滚轮521及驱动控制单元2连接，用于提供动力及接收驱动控制单元2发送的方位角φ驱动信号；方位角φ位移传感器523，与所述处理模块54连接，用于采集方位角φ位移信号。

在本发明的较佳实施例中，方位角φ方向旋转滚轮521的器件型号为SRQ-59；方位角φ步进电机522的器件型号为MR66；方位角φ位移传感器523的器件型号为SSA10XXXH1-232。

所述的转向角θ方向运动执行机构包含转向角θ方向旋转滚轮531，用于提供转向角θ方向的旋转；转向角θ步进电机532，分别与所述转向角θ方向旋转滚轮531及驱动控制单元2连接，用于提供动力及接收驱动控制单元2发送的转向角θ驱动信号；转向角θ位移传感器533，与所述处理模块54连接，用于采集转向角θ位移信号。

在本发明的较佳实施例中，转向角θ方向旋转滚轮521的器件型号为SRQ-59；转向角θ步进电机522的器件型号为MR66；转向角θ位移传感器523的器件型号为SSA10XXXH1-232。

较佳地，在本发明的较佳实施例中传感及执行机构单元5还包含一水温传感器55，设置在所述深水槽6内，与所述距离测量单元3连接，用于测量深水槽6内的水温并传输至距离测量单元3，以使所述距离测量单元3修正目标距离参数。

在本发明的较佳实施例中，水温传感器55的器件型号为DS18B20；深水槽6由玻璃制成。

本发明还公开了一种二维旋回式单波束水声测量方法，用于对深水槽内沙面地形进行测量，包含以下步骤，如图3所示：

S0、系统控制单元启动驱动控制单元并设定运动参数，系统控制单元启动距离测量单元并设定脉冲重复频率、幅度参数，系统控制单元启动三维地形重构单元准备数据接收；

S1、驱动控制单元发出驱动信号，控制传感及执行机构单元定位在设定位置；

S2、距离测量单元发射脉冲信号，激励传感及执行机构单元并接收回波脉冲信息以使距离测量单元形成目标距离参数；

S3、距离测量单元将目标距离参数传输到三维地形重构单元；

S4、传感及执行机构单元将实测换能器位置参数发送到三维地形重构单元；

S5、三维地形重构单元将目标距离参数和传感及指定位置参数进行坐标转换，形成三维地形数据；

S6、重复步骤S1~S5，获取深水槽内沙面地形所有位置的三维地形数据，并在三维地形重构单元中形成三维地形数据表格；

S7、三维地形重构单元根据三维地形数据表格重构水下三维地形，以完成对深水槽内沙面地形的测量。

较佳地，在步骤S2中，传感及执行机构单元向距离测量单元发送水温信息，所述距离测量单元根据水温信息对目标距离参数进行修正。

本发明主要是用于对深水槽内沙面地形进行测量，完成三维地形构建，为近海水深测量水下地表床面形态提供帮助。主要是由三维地形重构单元4完成相关模型的构建。具体包含：

读取设定的初始位置。初始位置设定的方法为方位角φ步进电机根据驱动控制单元发出的驱动信号将初始方位转角φ=0°；转向角θ步进电机根据驱动控制单元发出的驱动信号将初始转向角θ＝0°。

读取对应距离参数L。L为该位置对应的水沙地形表面距离换能器发射表面的距离。即根据换能器脉冲信号的收发时间差与声速计算出该距离参数，同时，根据水温信息，实时修正声速，已完成对距离参数的修正。

按照预定的步进旋转规则，调整换能器的位置。当转向角θ步进电机的转向角θ每隔1°在0°～180°内变化，方位角φ步进电机的方位角φ每隔1°在0°～360°内变化时，转向角θ位移传感器及方位角φ位移传感器分别读取转角值（φ,θ），并测得每隔1°变化时在该位置的参数L，即该距离参数L并非设定，而是根据实际水沙地形的变化而实测所得，故每个位置的距离参数L可能随机不同。

球坐标系与直角坐标系之间的参数转换及修正。直角坐标值x=(L＋L’)sinθcosφ，y=(L＋L’)sinθsinφ和z=(L＋L’)cosθ，这里L’是换能器发射表面距离球坐标中心的长度。

完善三维地形数据表格。即将每个位置的直角坐标值(x,y,z)填入三维地形数据表格。

判断全部位置是否读取完毕。读取实测转角值（φ,θ）是否已经转至有效满刻度，即φ=360°和θ＝180°）。

若全部位置未读取完毕，则确定下一个位置。即转向角θ步进电机的转向角θ在0°～180°内递增旋转1°，方位角φ步进电机的方位角φ在0°～360°内递增旋旋转1°。

当全部位置读取完毕时，三维地形数据表格完成。

根据三维地形数据表格构建绘制三维地形。即根据三维地形数据表格内每个位置的直角坐标值(x,y,z)逐点形成水沙地形。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种二维旋回式单波束水声测量系统，其特征在于，包含：

系统控制单元；

分别与系统控制单元连接的驱动控制单元、距离测量单元及三维地形重构单元；

传感及执行机构单元，分别与所述驱动控制单元、距离测量单元及三维地形重构单元连接；

所述距离测量单元与三维地形重构单元连接；其中

所述系统控制单元用于启动驱动控制单元、距离测量单元及三维地形重构单元，并分别进行参数设定；

所述驱动控制单元用于根据系统控制单元的设定参数发出驱动信号以控制传感及执行机构单元定位在设定位置；

所述距离测量单元用于根据系统控制单元的设定参数发射脉冲信号以激励传感及执行机构单元并接收回波脉冲信息以使距离测量单元形成目标距离参数，所述距离测量单元将目标距离参数传输到三维地形重构单元；

所述三维地形重构单元用于根据距离测量单元传输的目标距离参数和传感及执行机构单元发送的位置参数，重构水下三维地形，以完成对深水槽内沙面地形的测量。

2.如权利要求1所述的二维旋回式单波束水声测量系统，其特征在于，所述的传感及执行机构单元包含换能器，与所述距离测量单元连接，用于接收距离测量单元发送的脉冲信号，并传输回波脉冲信息，以使所述距离测量单元根据脉冲收发时间差确定目标距离参数；方位角φ方向运动执行机构，与所述换能器连接，用于提供方位角φ方向的动力及方位信息；转向角θ方向运动执行机构，与所述换能器连接，用于提供转向角θ方向的动力及方位信息；换能器位置处理模块，分别与所述方位角φ方向运动执行机构、转向角θ方向运动执行机构及三维地形重构单元连接，用于接收方位角φ方向的方位信息及转向角θ方向的方位信息以输出换能器位置参数至三维地形重构单元。

3.如权利要求2所述的二维旋回式单波束水声测量系统，其特征在于，所述的方位角φ方向运动执行机构包含方位角φ方向旋转滚轮，用于提供方位角φ方向的旋转；方位角φ步进电机，分别与所述方位角φ方向旋转滚轮及驱动控制单元连接，用于提供动力及接收驱动控制单元发送的方位角φ驱动信号；方位角φ位移传感器，与所述换能器位置处理模块连接，用于采集方位角φ位移信号。

4.如权利要求2所述的二维旋回式单波束水声测量系统，其特征在于，所述的转向角θ方向运动执行机构包含转向角θ方向旋转滚轮，用于提供转向角θ方向的旋转；转向角θ步进电机，分别与所述转向角θ方向旋转滚轮及驱动控制单元连接，用于提供动力及接收驱动控制单元发送的转向角θ驱动信号；转向角θ位移传感器，与所述换能器位置处理模块连接，用于采集转向角θ位移信号。

5.如权利要求2所述的二维旋回式单波束水声测量系统，其特征在于，水温传感器设置在所述深水槽内，与所述距离测量单元连接，用于测量深水槽内的水温并传输至距离测量单元，以使所述距离测量单元修正目标距离参数。

6.如权利要求1所述的二维旋回式单波束水声测量系统，其特征在于，所述的二维旋回式单波束水声测量系统应用于深水槽内沙面地形的测量。

7.一种二维旋回式单波束水声测量方法，用于对深水槽内沙面地形进行测量，其特征在于，包含以下步骤：

S1、驱动控制单元发出驱动信号，控制传感及执行机构单元定位在设定位置；

S2、距离测量单元发射脉冲信号，激励传感及执行机构单元并接收回波脉冲信息以使距离测量单元形成目标距离参数；

S3、距离测量单元将目标距离参数传输到三维地形重构单元；

S4、传感及执行机构单元将实测换能器位置参数发送到三维地形重构单元；

S5、三维地形重构单元将目标距离参数和传感及指定位置参数进行坐标转换，形成三维地形数据；

S6、重复步骤S1~S5，获取深水槽内沙面地形所有位置的三维地形数据，并在三维地形重构单元中形成三维地形数据表格；

S7、三维地形重构单元根据三维地形数据表格重构水下三维地形，以完成对深水槽内沙面地形的测量。

8.如权利要求7所述的二维旋回式单波束水声测量方法，其特征在于，所述的步骤S1之前还包含一初始化所述二维旋回式单波束水声测量系统的步骤S0：

S0、系统控制单元启动驱动控制单元并设定运动参数；

系统控制单元启动距离测量单元并设定脉冲重复频率、幅度参数；

系统控制单元启动三维地形重构单元准备数据接收。

9.如权利要求7所述的二维旋回式单波束水声测量方法，其特征在于，所述的步骤S2中还包含传感及执行机构单元向距离测量单元发送水温信息，所述距离测量单元根据水温信息对目标距离参数进行修正。