CN108845326A - 一种下视与侧视集成水下全景三维成像声呐 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种下视与侧视集成水下全景三维成像声呐，包括侧视声呐、拖曳架、稳定尾翼、下视三维声呐、惯导舱、水下控制模块、拖体框架、尾舵；所述拖体框架为扁平形架构，所述拖体框架底部设置有下视三维声呐接收基阵，所述下视三维声呐接收基阵的上方分别设有下视三维声呐发射机、侧视声呐发射机、侧视声呐接收机、下视三维声呐接收机；所述拖体框架的两侧分别设有两组侧视声呐发射基阵和侧视声呐接收基阵；所述拖曳架后部设有惯导舱、下视三维声呐发射基阵和水下控制模块；本发明采用侧视声呐与下视三维声呐集成，全景三维探测掩埋物、并实时获得声呐侧下方更大开角范围内海底各类悬浮和沉底小目标以及海底地貌的高分辨率成像结果。
Description
技术领域
本发明涉及涉及海洋工程技术设备领域，特别涉及一种下视与侧视集成水下全景三维成像声呐。
背景技术
随着海洋科技、海洋经济的深入发展，对海洋的认知和开发已遍布海洋的各个区域，对探查装备的能力需求越来越高，要求探查装备的探测能力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或掩埋物体。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。
在各类小目标探查中，掩埋物探查一直是水下目标探查的一个技术难题。当前主要解决方案有两种：声学探测与磁探。其中，磁探技术作用距离近，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，且对载体有苛刻的要求(如消磁等)，应用范围相对有限，声学的探测方法是水下掩埋物的优选。
现有技术中，传统的声学探测手段主要为浅地层剖面仪，其缺陷表现为：1、浅地层剖面仪探测效率低、分辨率低，一般只能用于探测较粗的管线目标或较大范围的地质剖面，不适合用来探测较小的掩埋目标；2、浅地层探测多为二维成像，只能获得设备下方的剖面图像；3、掩埋物探测一般需要声波的工作频率较低，由此带来的缺点是分辨率较差。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种下视与侧视集成水下全景三维成像声呐，针对现有技术中的不足，本发明采用侧视的三维高频声呐与下视三维探掩埋声呐相互集成，全景三维探测掩埋物、获得海底目标高分辨成像，兼顾了探掩埋和高分辨的需求，同时提高了探测宽度，可将探测开角增大至160°以上。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种下视与侧视集成水下全景三维成像声呐，包括侧视声呐发射基阵、侧视声呐接收基阵、拖曳架、稳定尾翼、下视三维声呐接收基阵、下视三维声呐发射机、侧视声呐发射机、侧视声呐接收机、下视三维声呐接收机、下视三维声呐发射基阵、惯导舱、水下控制模块、拖体框架、尾舵，其特征在于：
所述拖体框架为整体对称并带有圆弧形前艏的扁平形架构，其中间竖向固定设置有拖曳架、后部两侧固定装配有两块稳定尾翼，所述稳定尾翼之间设置有两组尾舵；所述拖体框架底部设置有下视三维声呐接收基阵，所述下视三维声呐接收基阵的上方分别固定设置有下视三维声呐发射机、侧视声呐发射机、侧视声呐接收机、下视三维声呐接收机；所述拖体框架的两侧侧壁上分别对称式设置有两组侧视声呐发射基阵和侧视声呐接收基阵；所述拖曳架后部固定设置有惯导舱，所述惯导舱的两侧分别设置有下视三维声呐发射基阵，所述下视三维声呐发射基阵的两侧分别固定设置有多个水下控制模块；所述拖体框架内部中间位置还设置有发射电子舱和接收电子舱，拖体框架外部装配有蒙皮，从而构成探测声呐拖体，并通过互联缆与母船连接。
所述下视三维声呐发射机、下视三维声呐接收机、下视三维声呐发射基阵、下视三维声呐接收基阵协调工作构成下视三维声呐，所述下视三维声呐接收基阵为三维面阵式配置，并通过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、在航迹向上的合成孔径处理，探测获得海底悬浮、沉底、掩埋目标的三维图像；
所述侧视声呐发射机、侧视声呐接收机、侧视声呐发射基阵、侧视声呐接收基阵协调工作构成侧视声呐，所述侧视声呐利用自适应孔径处理和多通道大规模波束形成算法，实时获得高分辨海底声呐图像；并实时获得声呐侧下方更大开角范围内海底目标的高分辨成像。
所述下视三维声呐和侧视声呐两部声呐分机联合，可获得声呐下方至少160度开角的探测范围，从而提高了海底探测效率；两部声呐分机联合的方式为：采用同时发射和采集声波，并实时处理，实现两部声呐的同时工作；从而在相同的时间内同时获得下方三维成像结果和两侧海底地貌成像结果；在具体实施上，利用外同步技术，使两部声呐分机同步发送，避免了声干扰；两部声呐的数据通过高速交换机同步上传到水面处理中心进行处理。
所述下视三维声呐和侧视声呐两部声呐分机联合，使得下视三维声呐发射基阵、下视三维声呐接收基阵的收发声波的频率降低，其中心频率为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，采用“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技术，提高了掩埋目标的信噪比，提高了成像分辨率。
两组所述侧视声呐相互之间设置有大于90度的安装角度，所述安装角度为声阵面与水平面的夹角，其特点在于安装角度较大，能够探测侧方更远的距离，因此有更高的探测效率；两组侧视声呐协调配合，以及“基于功率谱密度分布的改进脉冲压缩方法”、“自适应孔径图像重建”、“时频联合的多通道大规模并行波束形成”处理技术，有效地获得海底各类悬浮和沉底小目标，以及海底地貌的高分辨率成像结果，并与下视三维声呐的图像互相补充；侧视声呐和下视声呐同时使用，能够弥补侧视声呐下方有较宽的盲区、下视三维声呐探测宽度较窄的缺陷。
所述下视三维声呐和侧视声呐采用两种方式处理声兼容设计，以避免声波互相串扰、严重影响成像质量；第一种方式是频率上的设计，充分考虑频带分布，所述三维下视声呐工作频带设置于30kHz以内，而侧视声呐的工作频带设置于200kHz以上；两者的频带差别较大，利用带通滤波器可将非本声呐分机的频率分量滤除；第二种方式是在时间上的设计，即进行同步设计，本声呐下属的各电子系统均由统一的外部同步模块进行同步，可进一步提高两种声呐的声兼容特性。
所述下视三维声呐和侧视声呐的图像采用“基于区域匹配和点特征匹配的声图拼接”技术，实现下视三维声呐获得的声呐下方图像和侧视声呐获得的声呐侧下方图像的有效拼接，获得更大宽度的扫宽，从而极大提高了声呐对海底的扫测效率。
通过上述技术方案，本发明技术方案的有益效果是：本发明采用侧视的三维高频声呐与下视三维探掩埋声呐相互集成，全景三维探测掩埋物、获得海底目标高分辨成像，兼顾了探掩埋和高分辨的需求，同时提高了探测宽度，可将探测开角增大至160°以上；有效探测获得海底悬浮、沉底、掩埋目标的三维图像；实时获得高分辨海底声呐图像，并实时获得声呐侧下方更大开角范围内海底目标的高分辨成像；有效地获得海底各类悬浮和沉底小目标以及海底地貌的高分辨率成像结果；侧视声呐和下视声呐同时使用，能够弥补侧视声呐下方有较宽的盲区、下视三维声呐探测宽度较窄的缺陷；使用了平板型拖体结构，简化了拖体结构、降低了拖体的重量和尺寸、提高了拖曳姿态稳定性；从而获得更大宽度的扫宽，从而极大提高了声呐对海底的扫测效率。
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下视与侧视集成水下全景三维成像声呐立体轴侧图示意图；
图2为本发明实施例所公开的一种下视与侧视集成水下全景三维成像声呐俯视图示意图；
图3为本发明实施例所公开的一种下视与侧视集成水下全景三维成像声呐主视图示意图。
图中数字和字母所表示的相应部件名称：
1.侧视声呐发射基阵 2.侧视声呐接收基阵 3.拖曳架
4.稳定尾翼 5.下视三维声呐接收基阵 6.下视三维声呐发射机
7.侧视声呐发射机 8.侧视声呐接收机 9.下视三维声呐接收机
10.下视三维声呐发射基阵 11.惯导舱 12.水下控制模块
13.拖体框架 14.尾舵
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、图2和图3，本发明提供了一种下视与侧视集成水下全景三维成像声呐，包括侧视声呐发射基阵1、侧视声呐接收基阵2、拖曳架3、稳定尾翼4、下视三维声呐接收基阵5、下视三维声呐发射机6、侧视声呐发射机7、侧视声呐接收机8、下视三维声呐接收机9、下视三维声呐发射基阵10、惯导舱11、水下控制模块12、拖体框架13、尾舵14，其特征在于：
所述拖体框架13为整体对称并带有圆弧形前艏的扁平形架构，其中间竖向固定设置有拖曳架3、后部两侧固定装配有两块稳定尾翼4，所述稳定尾翼4之间设置有两组尾舵14；所述拖体框架13底部设置有下视三维声呐接收基阵5，所述下视三维声呐接收基阵5的上方分别固定设置有下视三维声呐发射机6、侧视声呐发射机7、侧视声呐接收机8、下视三维声呐接收机9；所述拖体框架13的两侧侧壁上分别对称式设置有两组侧视声呐发射基阵1和侧视声呐接收基阵2；所述拖曳架3后部固定设置有惯导舱11，所述惯导舱11的两侧分别设置有下视三维声呐发射基阵10，所述下视三维声呐发射基阵10的两侧分别固定设置有多个水下控制模块12；所述拖体框架13内部中间位置还设置有发射电子舱和接收电子舱，拖体框架13外部装配有蒙皮，从而构成探测声呐拖体，并通过互联缆与母船连接。
所述下视三维声呐发射机6、下视三维声呐接收机9、下视三维声呐发射基阵10、下视三维声呐接收基阵5协调工作构成下视三维声呐，所述下视三维声呐接收基阵5为三维面阵式配置，并通过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、在航迹向上的合成孔径处理，探测获得海底悬浮、沉底、掩埋目标的三维图像；
所述侧视声呐发射机7、侧视声呐接收机8、侧视声呐发射基阵1、侧视声呐接收基阵2协调工作构成侧视声呐，所述侧视声呐利用自适应孔径处理和多通道大规模波束形成算法，实时获得高分辨海底声呐图像；并实时获得声呐侧下方更大开角范围内海底目标的高分辨成像；
所述下视三维声呐和侧视声呐两部声呐分机联合，可获得声呐下方至少160度开角的探测范围，从而提高了海底探测效率；两部声呐分机联合的方式为：采用同时发射和采集声波，并实时处理，实现两部声呐的同时工作；从而在相同的时间内同时获得下方三维成像结果和两侧海底地貌成像结果；在具体实施上，利用外同步技术，使两部声呐分机同步发送，避免了声干扰；两部声呐的数据通过高速交换机同步上传到水面处理中心进行处理。
所述下视三维声呐和侧视声呐两部声呐分机联合，使得下视三维声呐发射基阵10、下视三维声呐接收基阵5的收发声波的频率降低，其中心频率为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，采用“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技术，提高了掩埋目标的信噪比，提高了成像分辨率。
所述基于功率谱密度分布的改进脉冲压缩方法：传统脉冲压缩方法是基于线性调频信号在频带内的谱密度分布是常数的假设，但实际中发射机在设计时很难保证其线性度，此外信号经过水体传播后，由于水体对不同频率的吸收系数不同，因此即使完全线性的调频信号经过传输和采集后，其低频部分吸收较少，回波功率谱密度较大，高频段则相反，回波功率谱密度较低；该方法对回波数据进行功率谱分析后，拟合带内功率谱分布曲线，并根据这个拟合的曲线在脉冲压缩参考信号上进行补偿；
所述基于灰度分布的正下方底混响抑制方法：海底目标散射强度受入射角度影响较大，正下方入射角度最小，反射回波明显较强；在波束域数据上，在垂直航迹方向上选取同一距离的回波，统计其灰度分布，多个距离的灰度分布求均值，拟合灰度分布曲线，利用该曲线对波束数据进行补偿，抑制声呐正下方底混响；
所述基于底跟踪的自适应分辨率修正方法：波束形成数据运算量较大，而大量的水体部分的数据并无实际意义，为此提出自动距离门和自动分辨率的方法；利用相邻数据帧的测底不会突变的特性，将上一帧测底结果应用到本帧波束形成及测底中，在底附近的数据进行高分辨率处理，远离底的区域数据进行低分辨率处理，从而提高测底精度，同时保证运算效率；与全深度同一分辨率波束形成相比，能够保证探测掩埋深度更大、有效数据的分辨率更高，从而解决了探掩埋深度和分辨率之间的矛盾；
两组所述侧视声呐相互之间设置有大于90度的安装角度，所述安装角度为声阵面与水平面的夹角，其特点在于安装角度较大，能够探测侧方更远的距离，因此有更高的探测效率；两组侧视声呐协调配合，以及“基于功率谱密度分布的改进脉冲压缩方法”、“自适应孔径图像重建”、“时频联合的多通道大规模并行波束形成”处理技术，有效地获得海底各类悬浮和沉底小目标，以及海底地貌的高分辨率成像结果，并与下视三维声呐的图像互相补充；侧视声呐和下视声呐同时使用，能够弥补侧视声呐下方有较宽的盲区、下视三维声呐探测宽度较窄的缺陷。
所述自适应孔径图像重建：侧视实时成像一般有两种处理方式，实孔径和合成孔径，合成孔径处理更复杂，对载体运动姿态要求高，其中最重要的是载体航速要低于一个阈值，一般高于该阈值时如果再使用合成孔径处理，就会带来方位遗漏的问题；但合成孔径处理的优点在于其目标的方位分辨率恒定，为此采用自适应处理的策略，该策略以载体航速为主，判定当前是否可使用合成孔径技术，如果可以则使用合成孔径处理，否则使用实孔径处理；
所述时频联合的多通道大规模并行波束形成：时域波束形成准确度高，运算效率低，频域波束形成运算效率高，但在近场条件下运算误差较大，为此采用在近场使用时域波束形成，远场条件下使用频域波束形成的时频联合多通道大规模并行波束形成，处理时充分利用现代计算机多核的特点，进行并行处理，提高运算效率。
所述下视三维声呐和侧视声呐采用两种方式处理声兼容设计，以避免声波互相串扰、严重影响成像质量；第一种方式是频率上的设计，充分考虑频带分布，所述三维下视声呐工作频带设置于30kHz以内，而侧视声呐的工作频带设置于200kHz以上；两者的频带差别较大，利用带通滤波器可将非本声呐分机的频率分量滤除；第二种方式是在时间上的设计，即进行同步设计，本声呐下属的各电子系统均由统一的外部同步模块进行同步，可进一步提高两种声呐的声兼容特性。
所述下视三维声呐和侧视声呐的图像采用“基于区域匹配和点特征匹配的声图拼接”技术，实现下视三维声呐获得的声呐下方图像和侧视声呐获得的声呐侧下方图像的有效拼接，获得更大宽度的扫宽，从而极大提高了声呐对海底的扫测效率。
通过上述具体实施例，本发明的有益效果是：本发明采用侧视的三维高频声呐与下视三维探掩埋声呐相互集成，全景三维探测掩埋物、获得海底目标高分辨成像，兼顾了探掩埋和高分辨的需求，同时提高了探测宽度，可将探测开角增大至160°以上；有效探测获得海底悬浮、沉底、掩埋目标的三维图像；实时获得高分辨海底声呐图像，并实时获得声呐侧下方更大开角范围内海底目标的高分辨成像；有效地获得海底各类悬浮和沉底小目标以及海底地貌的高分辨率成像结果；侧视声呐和下视声呐同时使用，能够弥补侧视声呐下方有较宽的盲区、下视三维声呐探测宽度较窄的缺陷；使用了平板型拖体结构，简化了拖体结构、降低了拖体的重量和尺寸、提高了拖曳姿态稳定性；从而获得更大宽度的扫宽，从而极大提高了声呐对海底的扫测效率。
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 (5)
1.一种下视与侧视集成水下全景三维成像声呐，其特征在于，包括侧视声呐发射基阵、侧视声呐接收基阵、拖曳架、稳定尾翼、下视三维声呐接收基阵、下视三维声呐发射机、侧视声呐发射机、侧视声呐接收机、下视三维声呐接收机、下视三维声呐发射基阵、惯导舱、水下控制模块、拖体框架、尾舵；所述拖体框架为整体对称并带有圆弧形前艏的扁平形架构，其中间竖向固定设置有拖曳架、后部两侧固定装配有两块稳定尾翼，所述稳定尾翼之间设置有两组尾舵；所述拖体框架底部设置有下视三维声呐接收基阵，所述下视三维声呐接收基阵的上方分别固定设置有下视三维声呐发射机、侧视声呐发射机、侧视声呐接收机、下视三维声呐接收机；所述拖体框架的两侧侧壁上分别对称式设置有两组侧视声呐发射基阵和侧视声呐接收基阵；所述拖曳架后部固定设置有惯导舱，所述惯导舱的两侧分别设置有下视三维声呐发射基阵，所述下视三维声呐发射基阵的两侧分别固定设置有多个水下控制模块；所述拖体框架内部中间位置还设置有发射电子舱和接收电子舱，拖体框架外部装配有蒙皮，从而构成探测声呐拖体，并通过互联缆与母船连接；
所述下视三维声呐发射机、下视三维声呐接收机、下视三维声呐发射基阵、下视三维声呐接收基阵协调工作构成下视三维声呐，所述下视三维声呐接收基阵为三维面阵式配置，并通过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、在航迹向上的合成孔径处理，探测获得海底悬浮、沉底、掩埋目标的三维图像；
所述侧视声呐发射机、侧视声呐接收机、侧视声呐发射基阵、侧视声呐接收基阵协调工作构成侧视声呐，所述侧视声呐利用自适应孔径处理和多通道大规模波束形成算法，实时获得高分辨海底声呐图像；并实时获得声呐侧下方更大开角范围内海底目标的高分辨成像。
2.根据权利要求1所述的一种下视与侧视集成水下全景三维成像声呐，其特征在于，所述下视三维声呐和侧视声呐两部声呐分机联合，可获得声呐下方至少160度开角的探测范围，从而提高了海底探测效率；两部声呐分机联合的方式为：采用同时发射和采集声波，并实时处理，实现两部声呐的同时工作；从而在相同的时间内同时获得下方三维成像结果和两侧海底地貌成像结果，两部声呐的数据通过高速交换机同步上传到水面处理中心进行处理；
所述下视三维声呐和侧视声呐两部声呐分机联合，下视三维声呐发射基阵、下视三维声呐接收基阵的收发声波的频率降低，其中心频率为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，采用“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技术，提高掩埋目标的信噪比和成像分辨率。
3.根据权利要求1所述的一种下视与侧视集成水下全景三维成像声呐，其特征在于，两组所述侧视声呐相互之间设置有大于90度的安装角度，两组侧视声呐协调配合采用“基于功率谱密度分布的改进脉冲压缩方法”、“自适应孔径图像重建”、“时频联合的多通道大规模并行波束形成”处理技术，有效地获得海底各类悬浮和沉底小目标，以及海底地貌的高分辨率成像结果，并与下视三维声呐的图像互相补充。
4.根据权利要求1所述的一种下视与侧视集成水下全景三维成像声呐，其特征在于，所述下视三维声呐和侧视声呐采用两种方式处理声兼容设计，以免声波互相串扰影响成像质量；第一种方式是频率上的设计，充分考虑频带分布，所述三维下视声呐工作频带设置于30kHz以内，而侧视声呐的工作频带设置于200kHz以上；两者的频带差别较大，利用带通滤波器可将非本声呐分机的频率分量滤除；第二种方式是在时间上的设计，即进行同步设计，本声呐下属的各电子系统均由统一的外部同步模块进行同步，可进一步提高两种声呐的声兼容特性。
5.根据权利要求1所述的一种下视与侧视集成水下全景三维成像声呐，其特征在于，所述下视三维声呐和侧视声呐的图像采用“基于区域匹配和点特征匹配的声图拼接”技术，实现下视三维声呐获得的声呐下方图像和侧视声呐获得的声呐侧下方图像的有效拼接，获得更大宽度的扫宽，从而提高声呐对海底的扫测效率。
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