CN110261932A - 一种极地auv声光探测系统 - Google Patents

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Abstract

一种极地AUV声光探测系统，属于极地探测技术领域。本发明的极地AUV表面安装有探测模块的水下高清网络摄像机、水下照明灯，水下高清网络摄像机通过网络交换机与图像处理嵌入式计算机、存储硬盘连接，极地AUV的后部下方安装有深度计，前部上方安装有多波束前视声纳，前部下方安装有声速剖面仪，中段为可替换的模块化搭载舱段并在表面安装有多波束测深仪及其控制系统，数据通信与处理模块的主控计算机与网络交换机连接，并通过光纤与母船的设备连接。本发明是一种有效连续自主实时的观测手段，实现了冰下多种测量设备的同步观测；两种工作模式任意切换，能够根据需要来调整工作模式；本发明通过模块化搭载不同声纳任务载荷，来完成不同的任务要求。

Description

一种极地AUV声光探测系统
技术领域
本发明属于极地探测技术领域，具体涉及一种极地AUV声光探测系统。
背景技术
极地的资源丰富，北极地区潜在的可采石油储量有1000亿至2000亿桶。煤炭资源估计占世界煤炭资源总量的9％。除了能源，北极还有大量的矿产资源，例如金、金刚石、铀等矿藏。北极的能源、海洋生物资源丰富，同时北极还是地球上生物生存环境的重要调节器。相比北极，南极的资源储量也毫不逊色，目前已经发现的矿产资源就有220多种，包括煤、铁、铜、铅、锌、铝、金、银、石墨、金刚石和石油等。还有具有重要战略价值的钍、钚和铀等稀有矿藏。对于全球能源逐渐匮乏的现状来说，极地无疑是地球“最后的宝藏”。但要得到这些宝藏，就必须在极地探测、极地开发方面掌握关键技术。
自主水下航行器(AUV)作为海洋水文环境、海底地形地貌等探测的重要工具，在极地科学考察任务中扮演者重要角色，例如我国自主建造的第一艘极地科学考察破冰船具有装备AUV的支撑平台。极地AUV是支撑极地深海探查、深海资源开发、深海科学研究、深海工程作业的重要技术手段和装备之一，可助力我国极地深海探测与作业能力形成，是维护国家极地权益、实施国家极地战略的重要之举。针对极地冰下大范围、长时间、大深度海洋科学考察与勘探作业的迫切需求，就需要攻克极地低温环境下潜器总体设计、推进与控制、精确导航、冰下声学定位与通信、环境条件探测等关键技术，完成极地探测无人潜器(AUV)的研制，实现北极科学考察与勘探试验验证。本发明提出了一种极地AUV声光探测系统，能够在极地低温环境下实现对极地冰层、冰层下环境和海底地形地貌的探测。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种极地AUV声光探测系统。
为实现上述目的，一种极地AUV声光探测系统，其结构包括探测模块、摄像与图像处理模块、数据通信与处理模块，探测模块包括深度计9、多波束前视声纳3、声速剖面仪13，极地AUV10表面安装有所述探测模块的水下高清网络摄像机、水下照明灯，水下高清网络摄像机通过网络交换机12与图像处理嵌入式计算机11、存储硬盘连接，极地AUV10的后部下方安装有所述深度计9，极地AUV10的中段为可替换的模块化搭载舱段并在表面安装有多波束测深仪6及其控制系统，极地AUV10的前部上方安装有所述多波束前视声纳3，极地AUV10的前部下方安装有所述声速剖面仪13，极地AUV10前部的内部安装有数据通信与处理模块，数据通信与处理模块的主控计算机5与网络交换机12连接，网络交换机12通过AUV光端机4、光纤、母船光端机16与母船17的设备连接，极地AUV声光探测系统的各个模块通过网络交换机12连接。
所述的水下高清网络摄像机包括第一水下高清网络摄像机1和第二水下高清网络摄像机2，所述的水下照明灯包括第二水下照明灯14和第一水下照明灯15，第一水下高清网络摄像机1与第二水下照明灯14位于极地AUV10的前部斜上方，第二水下高清网络摄像机2与第一水下照明灯15位于极地AUV10的前部斜下方。
所述的模块化搭载舱段可选择搭载多波束测深仪6及其处理系统控制舱、侧扫声纳7及其处理系统控制舱、合成孔径声纳8及其处理系统控制舱。
所述主控计算机5与所述多波束前视声纳3、所述图像处理嵌入式计算机11之间采用TCP/IP全双工通信模式，所述主控计算机5与所述深度计9之间通过COM串口通信，所述声速剖面仪13与所述多波束测深仪6及其处理系统控制舱之间通过COM串口通信。
所述极地AUV声光探测系统通过所述深度计9判定上电状态，深度计9测得水深达到预定深度时，极地AUV声光探测系统的各模块通电工作。
所述极地AUV声光探测系统工作模式分为光纤模式和脱离光纤模式，光纤模式下所述网络交换机12通过AUV光端机4、光纤、母船光端机16与母船17的监控计算机连接，实时处理冰底和水下光学图像，脱离光纤模式下所述极地AUV10采用自主观测模式，视频数据存储在所述图像处理嵌入式计算机11及其存储硬盘中。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的一种极地AUV声光探测系统，攻克极地低温环境下潜器总体设计、推进与控制、精确导航、冰下声学定位与通信、环境条件探测等关键技术，完成极地AUV的研制，实现北极科学考察与勘探试验验证；本发明提出的探测系统采用斜上方和斜下方布置的两个水下高清网络摄像机以及声纳探测模块来对极地海洋环境进行全方位的探测，运用的是一种有效、连续、自主、实时的观测手段，可获得冰底状况、海洋环境参数和海底地形地貌等多种科学观测数据，实现了冰下多种测量设备的同步观测；本发明具有两种工作模式，可以任意切换，能够更加的根据切实的需要来调整工作模式；本发明的AUV分段通过模块化搭载不同声纳任务载荷，获取不同的声学图像，来完成不同的任务要求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明极地AUV声光探测系统带光纤模式流程图。
图3为本发明极地AUV声光探测系统脱离光纤模式流程图。
图4为本发明网络交换机连接示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的描述：
实施例1
下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行更加详尽、清楚的描述。
如图1所示，一种极地AUV声光探测系统，包括两个水下高清网络摄像机1和2、多波束前视声纳3及其处理系统控制舱及其处理控制舱、光端机4、主控计算机5、声纳探测模块、深度计9、图像处理嵌入式计算机11、网络交换机12、声速剖面仪13和两个水下照明灯14和15。该极地探测系统安装于极地AUV本体10内，极地AUV本体10的斜上方安装有一个水下高清网络摄像机1和一个水下照明灯15，对海冰分布进行近距离详细拍摄；极地AUV本体10的斜下方安装有一个水下高清网络摄像机2和一个水下照明灯14，对极地水下环境进行拍摄，用于观测极地冰底水下环境状况。多波束前视声纳3及其处理系统控制舱进行水中避障及目标探测。深度计9可对海水进行检测，记录海水深度。所述声纳探测模块安装在极地AUV本体10可模块化搭载舱段内，可选择搭载多波束测深仪6及其处理系统控制舱、侧扫声纳7及其处理系统控制舱或合成孔径声纳8及其处理系统控制舱。多波束测深仪6及其处理系统控制舱有两种可切换的工作模式，一是向上方发射多波束声脉冲获取海冰冰底三维地形数据，二是向下方发射多波束声脉冲获取海底三维地形数据。图像处理嵌入式计算机11执行记录软件程序将水下高清网络摄像机录像存到硬盘上。网络交换机是12一个扩大网络的器材，能为子网络中提供更多的连接端口，以便连接两个水下高清网络摄像机1和2、多波束前视声纳3及其处理系统控制舱及其处理系统控制舱、光端机4、主控计算机5、多波束测深仪6及其处理系统控制舱、侧扫声纳7及其处理系统控制舱、合成孔径声纳8及其处理系统控制舱、深度计9、图像处理嵌入式计算机11和声速剖面仪13。声速剖面仪13测量当前海洋环境水下分层声速，实时修正声纳探测模块测量的地形地貌数据。所述主控计算机5与声纳探测模块、图像处理嵌入式计算机11之间采用TCP/IP全双工通信模式。主控计算机5与深度计9之间通过COM串口通信；声速剖面仪13与多波束测深仪6及其处理系统控制舱之间通过COM串口通信。
本发明提出的极地AUV声光探测系统一共有两种工作模式：①带光纤模式：通过光端机上传水下高清网络摄像机1和2视频流信息，在母船17上实时获取冰底或水下光学图像。并且利用远程登陆在母船上实时的观测极地冰底和海底三维地形声图像。②脱离光纤模式：AUV采取自主观测模式，记录拍摄录像极地海冰冰底和水下环境数据，将视频数据储存在图像处理嵌入式计算机11的硬盘中。并且通过多波束测深仪6及其处理系统控制舱获取海冰冰底或海底三维地形数据，将其存储至其硬盘中，待AUV回收后取出处理。极地AUV声光探测系统运用的是一种有效、连续、自主、实时的观测手段，可获得冰底状况、海洋环境参数和海底地形地貌等多种科学观测数据，实现了冰下多种测量设备的同步观测。
极地AUV搭载的声纳探测模块安装在极地AUV本体10可模块化搭载舱段内，可选择搭载多波束测深仪6及其处理系统控制舱、侧扫声纳7及其处理系统控制舱或合成孔径声纳8及其处理系统控制舱。多波束测深仪6采集海冰底部及海底的声学数据，能够精确的测量出海底深度，通过后处理软件，能得到直观的、精确定位的全覆盖三维海冰冰底和海底地形图，进行三维可视化分析。但是多波束测深仪6的波束脚印随着深度增加而扩大，对远距离的目标探测分辨率较低，对小目标的探测比较困难。侧扫声纳7发出的波束平面垂直于航行方向，沿航线方向束宽很窄,开角一般小于2°,以保证有较高分辨率；垂直于航线方向的束宽较宽，开角约为20°～60°，以保证一定的扫描宽度。工作时发射出的声波投射在海底的区域呈长条形，换能器阵接收来自照射区各点的反向散射信号，经放大、处理和记录，在记录条纸上显示出海底的图像。回波信号较强的目标图像较黑，声波照射不到的影区图像色调很淡，根据影区的长度可以估算目标的高度。侧扫声纳7探测目标的横向分辨率较高，但定位精度差，可以借助阴影对目标进行识别判断，向海冰冰底和海底发射声脉冲，一般硬质、粗糙、突出的海底的回波信号较强，软质、平坦、下陷的海底回波信号较弱，凸起遮掩物区域无回波，根据采集的数据构建生成二维海冰冰底和海底的地形地貌声学图像，能准确的探测识别水底目标特征。合成孔径声纳8通过多帧回波信号的联合处理，将方位向采样合成虚拟大孔径，来提高轨迹向分辨率，且不与作用范围成正比，在采集海冰底部及海底数据的测绘带宽上获得恒定的高分辨率高质量的声学图像，对小目标探测效果较好。在极地AUV分段，通过模块化搭载不同声纳任务载荷，获取不同的声学图像，来完成不同的任务要求。
所述极地AUV声光探测系统根据探测方法一共分为两类，一是水下高清网络摄像机1和2拍摄录像进行光学探测，二是使用侧扫声纳7、多波束测深仪6、或合成孔径声纳10利用回声测深原理进行海冰冰底和海底地形地貌声学探测。
所述极地AUV声光探测系统一共有两种工作模式：一是带光纤模式：将极地AUV本体10上的光端机4与母船17上的光端机16通过光纤相连，主控计算机5下达指令给所有设备通电，极地AUV在指定作业区域沿着规划路径进行梳状扫描，水下高清网络摄像机1对海冰分布进行近距离详细拍摄，水下高清网络摄像机2对极地水下环境进行拍摄，获取冰下环境视频。多波束测深仪6及其处理系统控制舱向海冰方向发射多波束获取海冰冰底三维数据；或者向海底方向发射多波束获取海底三维地形数据。采集的视频数据和声学图像数据通过网络通信上传给光端机4，通过光端机4上连接的光纤将采集的视频流数据和声学数据上传至母船17上的监控计算机，实时获取冰底和水下光学图像。并且利用远程登陆在母船17上实时的观测极地冰底或海底三维地形声图像。二是脱离光纤模式：将极地AUV本体10上的光端机4与母船17上的光端机16连接的光纤断开，极地AUV采用自主观测模式。主控计算机5下达指令给所有设备通电，对工作区域进行精细水平观测作业，水下高清网络摄像机1和2将采集的视频数据通过网络通信上传给图像处理嵌入式计算机11，并将视频数据存储在图像处理嵌入式计算机11的硬盘中。多波束测深仪6及其处理系统控制舱将采集的声学图像信息储存在多波束测深仪6所搭载舱段的硬盘中。AUV回收后，取出数据进行后处理。
如图2所示，极地AUV声光探测系统的带光纤模式工作过程如下：
步骤一：极地AUV从开凿的冰洞上方释放入水。
步骤二：主控计算机5通过TCP/IP全双工通信模式发送上电指令给图像处理嵌入式计算机11，图像处理嵌入式计算机11接收到上电指令后，给两个水下高清网络摄像机1和2和两个水下照明灯14和15通电。同时主控计算机5通过TCP/IP全双工通信模式发送上电指令给多波束前视声纳3及其处理系统控制舱及其处理系统控制舱和多波束测深仪6及其处理系统控制舱通电。
步骤三：水下高清网络摄像机1对海冰分布进行近距离详细拍摄，水下高清网络摄像机2对极地水下环境进行拍摄。极地AUV在指定作业区域沿着规划路径进行梳状扫描，利用多波束测深仪6及其处理系统控制舱向海冰方向发射多波束获取海冰冰底三维地形数据；向海底方向发射多波束获取海底三维地形数据。
步骤四：水下高清网络摄像机1和2支持IP访问，可以将视频流以.H264格式通过光端机及光纤上传给母船17监控计算机。在母船17监控计算机上实时获取冰底或水下光学图像。利用远程登陆在母船17上实时的观测极地海冰冰底和海底三维地形声图像。
步骤五：任务结束，对极地AUV进行回收。
如图3所示，极地AUV声光探测系统的脱离光纤模式工作过程如下：
步骤一：极地AUV从开凿的冰洞上方释放入水。
步骤二：主控计算机5通过TCP/IP全双工通信模式发送上电指令给图像处理嵌入式计算机11，图像处理嵌入式计算机11接收到上电指令后，给两个水下高清网络摄像机1和2和两个水下照明灯14和15通电。同时主控计算机5通过TCP/IP全双工通信模式发送上电指令给多波束前视声纳3及其处理系统控制舱和多波束测深仪6及其处理系统控制舱通电。
步骤三：水下高清网络摄像机1对海冰分布进行近距离详细拍摄，水下高清网络摄像机2对极地水下环境进行拍摄。极地AUV在指定作业区域沿着规划路径进行梳状扫描，利用多波束测深仪6及其处理系统控制舱向海冰方向发射多波束获取海冰冰底三维地形数据；向海底方向发射多波束获取海底三维地形数据。
步骤四：两个水下高清网络摄像机1和2将采集到的视频流信息通过网络接口上传给图像处理嵌入式计算机11，将其储存在嵌入式计算机11的硬盘中。并且多波束测深仪6及其处理系统控制舱将采集的声学数据储存在多波束测深仪6所在舱段的硬盘中。
步骤五：任务结束，对极地AUV进行回收，AUV回收后将波束测深仪6所在舱段中的声学数据和图像处理嵌入式计算机11硬盘中的视频流数据取出，并对其进行后处理。
上述极地AUV声光探测系统通过AUV所携带的深度计9来进行判定上电状态，当深度计9测得水深达到15m时，主控计算机5通过TCP/IP全双工通信模式发送指令给图像处理嵌入式计算机11，图像处理嵌入式计算机11发送指令给水下高清网络摄像机1和2以及水下照明灯14和15上电，同时主控计算机5通过TCP/IP全双工通信模式发送指令给声纳探测模块上电。
如图4所示，所述探测系统所使用的网络交换机12一共有9个端口，端口1与水下高清网络摄像机2相连，端口2通过网线与水下高清网络摄像机1相连，端口3通过网线与多波束前视声纳3及其处理系统控制舱及其处理系统控制舱相连，端口4通过网线与光端机4相连，端口5通过网线与主控计算机5相连，端口6通过网线与多波束测深仪6及其处理系统控制舱相连，端口通过网线与侧扫声纳7及其处理系统控制舱相连，端口8通过网线与合成孔径声纳8及其处理系统控制舱相连，端口9通过网线与图像处理嵌入式计算机11相连。
所述的一种极地AUV声光探测系统，其特征是：极地AUV声光探测系统运用的是一种有效、连续、自主、实时的观测手段，可获得冰底状况、海洋环境参数和海底地形地貌等多。

Claims (6)

1.一种极地AUV声光探测系统，其结构包括探测模块、摄像与图像处理模块、数据通信与处理模块，探测模块包括深度计(9)、多波束前视声纳(3)、声速剖面仪(13)，其特征在：极地AUV(10)表面安装有所述探测模块的水下高清网络摄像机、水下照明灯，水下高清网络摄像机通过网络交换机(12)与图像处理嵌入式计算机(11)、存储硬盘连接，极地AUV(10)的后部下方安装有所述深度计(9)，极地AUV(10)的中段为可替换的模块化搭载舱段并在表面安装有多波束测深仪(6)及其控制系统，极地AUV(10)的前部上方安装有所述多波束前视声纳(3)，极地AUV(10)的前部下方安装有所述声速剖面仪(13)，极地AUV(10)前部的内部安装有数据通信与处理模块，数据通信与处理模块的主控计算机(5)与网络交换机(12)连接，网络交换机(12)通过AUV光端机(4)、光纤、母船光端机(16)与母船(17)的设备连接，极地AUV声光探测系统的各个模块通过网络交换机(12)连接。
2.根据权利要求1所述的一种极地AUV声光探测系统，其特征在于：所述的水下高清网络摄像机包括第一水下高清网络摄像机(1)和第二水下高清网络摄像机(2)，所述的水下照明灯包括第二水下照明灯(14)和第一水下照明灯(15)，第一水下高清网络摄像机(1)与第二水下照明灯(14)位于极地AUV(10)的前部斜上方，第二水下高清网络摄像机(2)与第一水下照明灯(15)位于极地AUV(10)的前部斜下方。
3.根据权利要求1所述的一种极地AUV声光探测系统，其特征在于：所述的模块化搭载舱段可选择搭载多波束测深仪(6)及其处理系统控制舱、侧扫声纳(7)及其处理系统控制舱、合成孔径声纳(8)及其处理系统控制舱。
4.根据权利要求1所述的一种极地AUV声光探测系统，其特征在于：所述主控计算机(5)与所述多波束前视声纳(3)、所述图像处理嵌入式计算机(11)之间采用TCP/IP全双工通信模式，所述主控计算机(5)与所述深度计(9)之间通过COM串口通信，所述声速剖面仪(13)与所述多波束测深仪(6)及其处理系统控制舱之间通过COM串口通信。
5.根据权利要求1所述的一种极地AUV声光探测系统，其特征在于：所述极地AUV声光探测系统通过所述深度计(9)判定上电状态，深度计(9)测得水深达到预定深度时，极地AUV声光探测系统的各模块通电工作。
6.根据权利要求1所述的一种极地AUV声光探测系统，其特征在于：所述极地AUV声光探测系统工作模式分为光纤模式和脱离光纤模式，光纤模式下所述网络交换机(12)通过AUV光端机(4)、光纤、母船光端机(16)与母船(17)的监控计算机连接，实时处理冰底和水下光学图像，脱离光纤模式下所述极地AUV(10)采用自主观测模式，视频数据存储在所述图像处理嵌入式计算机(11)及其存储硬盘中。
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