CN107728153B - 一种水下全景三维成像拖体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水下全景三维成像拖体，包括拖体壳架和成像组件；所述拖体壳架内装配有成像组件，所述拖体壳架包括骨架、蒙皮和外围附体，所述蒙皮内设置有成像组件；所述外围附体包括尾翼板、舵板和拖曳架，所述成像组件包括接收组件和发射组件，所述接收组件包括障板与接收阵元构成的接收基阵、互联缆和接收电子舱；所述发射组件包括发射基阵、互联缆和发射电子舱；所述接收基阵置于拖体前端、所述发射基阵置于接收基阵后部；所述接收电子舱和发射电子舱对称置于发射基阵左右两侧；本发明采用平板状的拖体外形、下视三维面阵、10kHz的声波频率，通过航迹向上的合成孔径处理来实时、高分辨处理三维信号，实现大深度掩埋目标的探测成像。
Description
技术领域
本发明涉及一种水下全景三维成像技术设备领域，特别涉及一种水下全景三维成像拖体；主要适用于海洋探测领域，通过拖曳平台的拖带，可对设定海域内悬浮、沉底和掩埋目标及海底地形地貌进行探测。
背景技术
随着海洋技术、海洋经济的快速发展，既给海洋装备的发展带来了前所未有的机遇，也对海洋装备的能力需求也提出了越来越高的要求，尤其是对海洋探查装备的要求从近海延展到中远海，从水中悬浮、沉底目标扩展到海底以下地质层及掩埋目标。因此，对可探测悬浮、沉底和掩埋目标的海洋全景三维探查系统的需求越来越迫切。
传统海洋探查装备包括声学、光学和磁学探查装备；首先，光学探查装备是利用激光或可视光进行可视化的观察探测，存在探测距离近且探测效果过度依赖水质清澈度等致命性缺点，至今还没有可满足工程使用的装备投入使用；其次，磁学探查装备存在作用距离近、分辨率低、探测能力有限(如不能探测非金属目标等)、虚警率高和对拖曳平台有苛刻的要求(如消磁等)等缺点，应用范围相对有限，主要应用于海底矿藏探测领域；再次，声学探查装备是利用声波反射进行探查的装备，根据声波频率可以分为次声和成像探查装备两种；次声探查装备的探测声波频率低于20Hz，成像探查装备的探测声波频率高于5kHz。次声探查装备主要存在分辨率低的缺点，不能用于小目标探测，主要应用于海底矿藏探测领域。
现有技术中，成像探查装备主要有侧扫声呐、前视多波束声呐、下视多波束声呐、浅地层剖面仪等。这些声呐各有特点，但也存在着多项缺点：1、均不能完成全景三维成像需求；2、传统浅地层剖面仪存在着探测效率低、分辨率低的缺陷，一般只能用于探测较粗的管线目标或较大范围的浅地层剖面，不适合用来探测较小的掩埋目标；3、浅地层剖面仪为二维成像，只能获得设备下方的剖面图像。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种水下全景三维成像拖体，针对现有技术中的不足，采用平板状的拖体外形和下视三维面阵配置以及中心频率为10kHz的低频率声呐基阵，通过航迹向上的合成孔径处理、基于功率谱密度分布的改进脉冲压缩方法、基于灰度分布的正下方底混响抑制方法、基于底跟踪的自适应分辨率修正方法来实时、高分辨处理三维信号；提高了掩埋目标的信噪比和成像分辨率，在该拖体中，有效地解决了探测掩埋深度与成像分辨率之间的矛盾，从而实现大深度掩埋目标的探测成像；同时，提高了拖曳姿态稳定性，并简化了拖体结构、降低了拖体的重量和尺寸，突出提高拖体姿态稳定性。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种水下全景三维成像拖体，包括拖体壳架和成像组件，其特征在于：
所述拖体壳架为内部装配有成像组件的平板型、左右对称分布型体；所述拖体壳架包括骨架、蒙皮和外围附体，所述骨架由多个平行的横梁和一个工字梁两端支撑、并垂直固定连接的两块平行侧板构成；所述蒙皮为相互形位扣合的上蒙皮和下蒙皮，其组合截面为圆弧形前部和流线形尾部，所述蒙皮内设置有成像组件；所述侧板前端为与蒙皮的圆弧形前部相匹配的弧形前板、后端为梯形尾块；所述外围附体包括尾翼板、舵板和拖曳架，所述梯形尾块上水平设置有尾翼板，所述尾翼板的两侧对称、角度可调节式设置有两块舵板，所述工字梁上侧面的中间、穿过上蒙皮固定设置有带有多个拖孔的拖曳架；所述成像组件包括接收组件和发射组件，所述接收组件包括由障板下面纵向对称平行等距阵列式固定配置的多个接收阵元构成的接收基阵、通过互联缆与接收基阵信号连通的接收电子舱；所述发射组件包括沿拖体中心线设置的发射基阵和通过互联缆与发射基阵信号连通的发射电子舱；所述接收基阵配置于拖体的前端、所述发射基阵配置于所述接收基阵的后部；所述接收电子舱和发射电子舱分别对称配置于所述发射基阵的左右两侧；
所述接收基阵采用下视三维面阵，并通过航迹向上的合成孔径处理，获得海底悬浮、沉底、掩埋目标的三维图像；所述水下全景三维成像拖体在各方向上进行高分辨成像形位为：垂向上利用匹配滤波，垂直航迹向方向上为多波束的波束形成处理，航迹向上为合成孔径处理。
所述拖体壳架水平方向上采用了平板状的拖体外形、垂直方向上采用两块侧板，使得拖体具有了姿态自动恢复能力，提高了拖体的姿态稳定性，同时还简化了拖体结构、降低了拖体的重量和尺寸。
所述拖曳架通过拖曳缆由拖曳平台拖带，并通过拖曳缆与拖曳平台之间实现供电和信息交互；所述拖体接受拖曳平台的控制指令，并将探测信息反馈给拖曳平台，完成探测任务；通过调整拖曳缆的放出长度可调整水下全景三维成像拖体的定深度。
所述拖曳平台控制两块舵板可相互同向上、下调整角度或者相互反向上、下调整角度；所述舵板同向调整上下角度用于改变水下全景三维成像拖体的俯仰角度：同时向上调整舵板角度，将使水下全景三维成像拖体产生更大的埋首角度；同时向下调整舵板角度，将使水下全景三维成像拖体产生更大的仰首角度；所述舵板反向调整上下角度用于改变水下全景三维成像拖体的横滚角度：舵板左上右下，将使水下全景三维成像拖体产生更大的右倾角度；舵板左下右上，将使水下全景三维成像拖体产生更大的左倾角度。
所述接收基阵与发射基阵采用低频声呐收发声波，所述低频声呐收发声波的中心频率为10kHz；所述低频声呐收发声波通过“基于功率谱密度分布的改进脉冲压缩方法”、“基于灰度分布的正下方底混响抑制方法”、“基于底跟踪的自适应分辨率修正方法”进行信号处理和高分辨处理，实现大深度掩埋目标的探测成像。
本发明的工作原理为：水下全景三维成像拖体工作时，通过拖曳平台的拖带，并通过拖曳缆与拖曳平台之间实现供电和信息交互：接受拖曳平台的控制指令，并将探测信息反馈给拖曳平台，完成探测任务；通过调整拖曳缆的放出长度可调整水下全景三维成像拖体的定深度；通过同向调整舵板角度来调整水下全景三维成像拖体的俯仰角度：同时向上调整舵板角度，将使水下全景三维成像拖体产生更大的埋首角度；同时向下调整舵板角度，将使水下全景三维成像拖体产生更大的仰首角度；通过反向调整舵板角度来调整水下全景三维成像拖体的横滚角度：舵板左上右下，将使水下全景三维成像拖体产生更大的右倾角度；舵板左下右上，将使水下全景三维成像拖体产生更大的左倾角度。
通过上述技术方案，本发明技术方案创新性有益效果是：
1、实现了实时三维成像处理，通过采用下视三维面阵以及在航迹向上的合成孔径处理，可以获得海底悬浮、沉底、掩埋目标的三维图像；各方向上进行高分辨成像的主要方法是：垂向上利用匹配滤波，垂直航迹向方向上为多波束的波束形成处理，航迹向上为合成孔径处理；
2、实现了大深度掩埋目标的探测成像，降低了声呐基阵收发声波的频率(中心频率为10kHz)，提高了声波的穿透性，实现了大深度掩埋目标的探测成像；同时，通过“基于功率谱密度分布的改进脉冲压缩方法”、“基于灰度分布的正下方底混响抑制方法”、“基于底跟踪的自适应分辨率修正方法”等信号处理和高分辨处理等技术，提高了掩埋目标的信噪比，提高了成像分辨率；在该拖体中，有效地解决了探测掩埋深度与成像分辨率之间的矛盾，实现了大深度掩埋目标的探测成像；
3、使用了平板状的拖体外形结构，提高了拖曳姿态稳定性，并简化了拖体结构、降低了拖体的重量和尺寸，突出提高拖体姿态稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所公开的一种水下全景三维成像拖体剖视图示意图；
图2为本发明实施例所公开的一种水下全景三维成像拖体俯视图示意图；
图3为本发明实施例所公开的一种水下全景三维成像拖体左视图示意图；
图4为本发明实施例所公开的一种水下全景三维成像拖体骨架剖视图示意图；
图5为本发明实施例所公开的一种水下全景三维成像拖体骨架俯视图示意图；
图6为本发明实施例所公开的一种水下全景三维成像拖体接收基阵结构示意图，其中图6a为接收基阵主视图；图6b为接收基阵俯视图；
图7为本发明实施例所公开的一种水下全景三维成像拖体接收阵元结构示意图，其中图7a为接收阵元主视图；图7b为接收阵元侧视图；
图8为本发明实施例所公开的一种水下全景三维成像拖体上蒙皮示意图，其中图8a为上蒙皮主视图；图8b为上蒙皮俯视图；
图9为本发明实施例所公开的一种水下全景三维成像拖体下蒙皮示意图，其中图9a为下蒙皮主视图；图9b为下蒙皮俯视图。
图中数字和字母所表示的相应部件名称：
1.拖体壳架 2.上蒙皮 3.接收基阵 4.发射基阵
5.尾翼板 6.舵板 7.接收电子舱 8.发射电子舱
9.互联缆 10.下蒙皮 11.横梁 12.侧板
13.拖曳架 14.接收阵元 15.障板 16.工字梁
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据图1至图9，本发明提供了一种水下全景三维成像拖体，包括拖体壳架和成像组件。
所述拖体壳架1为内部装配有成像组件的平板型、左右对称分布型体；所述拖体壳架1包括骨架、蒙皮和外围附体，所述骨架由多个平行的横梁11和一个工字梁16两端支撑、并垂直固定连接的两块平行侧板12构成；所述蒙皮为相互形位扣合的上蒙皮2和下蒙皮10，其组合截面为圆弧形前部和流线形尾部，所述蒙皮内设置有成像组件；所述侧板12前端为与蒙皮的圆弧形前部相匹配的弧形前板、后端为梯形尾块；所述外围附体包括尾翼板5、舵板6和拖曳架13，所述梯形尾块上水平设置有尾翼板5，所述尾翼板5的两侧对称、角度可调节式设置有两块舵板6，所述工字梁16上侧面的中间、穿过上蒙皮2固定设置有带有多个拖孔的拖曳架13；所述成像组件包括接收组件和发射组件，所述接收组件包括由障板15下面纵向对称平行等距阵列式固定配置的多个接收阵元14构成的接收基阵3、通过互联缆9与接收基阵3信号连通的接收电子舱7；所述发射组件包括沿拖体中心线设置的发射基阵4和通过互联缆9与发射基阵4信号连通的发射电子舱8；所述接收基阵3配置于拖体的前端、所述发射基阵4配置于所述接收基阵3的后部；所述接收电子舱7和发射电子舱8分别对称配置于所述发射基阵4的左右两侧；
所述接收基阵3采用下视三维面阵，并通过航迹向上的合成孔径处理，获得海底悬浮、沉底、掩埋目标的三维图像；所述水下全景三维成像拖体在各方向上进行高分辨成像形位为：垂向上利用匹配滤波，垂直航迹向方向上为多波束的波束形成处理，航迹向上为合成孔径处理。
所述拖体壳架1水平方向上采用了平板状的拖体外形、垂直方向上采用两块侧板12，使得拖体具有了姿态自动恢复能力，提高了拖体的姿态稳定性，同时还简化了拖体结构、降低了拖体的重量和尺寸。
所述拖曳架13通过拖曳缆由拖曳平台拖带，并通过拖曳缆与拖曳平台之间实现供电和信息交互；所述拖体接受拖曳平台的控制指令，并将探测信息反馈给拖曳平台，完成探测任务；通过调整拖曳缆的放出长度可调整水下全景三维成像拖体的定深度。
所述拖曳平台控制两块舵板6可相互同向上、下调整角度或者相互反向上、下调整角度；所述舵板6同向调整上下角度用于改变水下全景三维成像拖体的俯仰角度：同时向上调整舵板6角度，将使水下全景三维成像拖体产生更大的埋首角度；同时向下调整舵板6角度，将使水下全景三维成像拖体产生更大的仰首角度；所述舵板6反向调整上下角度用于改变水下全景三维成像拖体的横滚角度：舵板6左上右下，将使水下全景三维成像拖体产生更大的右倾角度；舵板6左下右上，将使水下全景三维成像拖体产生更大的左倾角度。
所述接收基阵3与发射基阵4采用低频声呐收发声波，所述低频声呐收发声波的中心频率为10kHz；所述低频声呐收发声波通过“基于功率谱密度分布的改进脉冲压缩方法”、“基于灰度分布的正下方底混响抑制方法”、“基于底跟踪的自适应分辨率修正方法”进行信号处理和高分辨处理，实现大深度掩埋目标的探测成像。
本发明的具体实施操作步骤是：首先将横梁11、拖曳架13、工字梁16与侧板12通过焊接方式组装成骨架，确保焊接牢固；然后通过螺钉将尾翼板5安装到骨架上，再将舵板6安装到尾翼板5相应的位置上，再将下蒙皮10安装到骨架底部；同时，将接收阵元14和障板15组装成接收基阵3，接收基阵3为矩形基阵：将84个接收阵元14依次安装到障板15的阵元安装位置上(接收阵元分成3排，每排28个)，采用螺钉固定好；然后将接收基阵3安装到骨架底部的接收基阵安装位置上，采用螺钉固定好；再将5个发射基阵4依次安装到骨架尾部的发射基阵安装位置上；再依次将接收电子舱7和发射电子舱8安装到骨架的相应位置上，连接好接收基阵3与接收电子舱7之间的互联缆9及发射基阵4与发射电子舱8之间的互联缆9；最后将上蒙皮2盖装在骨架的上方，采用螺钉固定好；至此，水下全景三维成像拖体安装完成。
通过上述具体实施例，本发明的有益效果是：采用平板状的拖体外形和下视三维面阵配置以及中心频率为10kHz的低频率声呐基阵，通过航迹向上的合成孔径处理、基于功率谱密度分布的改进脉冲压缩方法、基于灰度分布的正下方底混响抑制方法、基于底跟踪的自适应分辨率修正方法来实时、高分辨处理三维信号；提高了掩埋目标的信噪比和成像分辨率，在该拖体中，有效地解决了探测掩埋深度与成像分辨率之间的矛盾，从而实现大深度掩埋目标的探测成像；同时，提高了拖曳姿态稳定性，并简化了拖体结构、降低了拖体的重量和尺寸，突出提高拖体姿态稳定性。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (3)
1.一种水下全景三维成像拖体，其特征在于，包括拖体壳架和成像组件；所述拖体壳架为内部装配有成像组件的平板型、左右对称分布型体；所述拖体壳架包括骨架、蒙皮和外围附体，所述骨架由多个平行的横梁和一个工字梁两端支撑、并垂直固定连接的两块平行侧板构成；所述蒙皮为相互形位扣合的上蒙皮和下蒙皮，其组合截面为圆弧形前部和流线形尾部，所述蒙皮内设置有成像组件；所述侧板前端为与蒙皮的圆弧形前部相匹配的弧形前板、后端为梯形尾块；所述外围附体包括尾翼板、舵板和拖曳架，所述梯形尾块上水平设置有尾翼板，所述尾翼板的两侧对称、角度可调节式设置有两块舵板，所述工字梁上侧面的中间、穿过上蒙皮固定设置有带有多个拖孔的拖曳架；所述成像组件包括接收组件和发射组件，所述接收组件包括由障板下面纵向对称平行等距阵列式固定配置的多个接收阵元构成的接收基阵、通过互联缆与接收基阵信号连通的接收电子舱；所述发射组件包括沿拖体中心线设置的发射基阵和通过互联缆与发射基阵信号连通的发射电子舱；所述接收基阵配置于拖体的前端、所述发射基阵配置于所述接收基阵的后部；所述接收电子舱和发射电子舱分别对称配置于所述发射基阵的左右两侧；
所述接收基阵采用下视三维面阵，并通过航迹向上的合成孔径处理，获得海底悬浮、沉底、掩埋目标的三维图像；所述水下全景三维成像拖体在各方向上进行高分辨成像形位为：垂向上利用匹配滤波，垂直航迹向方向上为多波束的波束形成处理，航迹向上为合成孔径处理。
2.根据权利要求1所述的一种水下全景三维成像拖体，其特征在于，所述拖体壳架水平方向上采用了平板状的拖体外形、垂直方向上采用两块侧板，使得拖体具有了姿态自动恢复能力，提高了拖体的姿态稳定性，同时还简化了拖体结构、降低了拖体的重量和尺寸。
3.根据权利要求1所述的一种水下全景三维成像拖体，其特征在于，所述接收基阵与发射基阵采用低频声呐收发声波，所述低频声呐收发声波的中心频率为10kHz；所述低频声呐收发声波通过“基于功率谱密度分布的改进脉冲压缩方法”、“基于灰度分布的正下方底混响抑制方法”、“基于底跟踪的自适应分辨率修正方法”进行信号处理和高分辨处理，实现大深度掩埋目标的探测成像。
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