CN111580113A - 一种河道库岸水下地形及淤泥厚度勘测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种河道库岸水下地形及淤泥厚度勘测系统，包括无人船系统、三维测深侧扫声呐系统、便携式多频测深仪、浅地层剖面仪和地剖仪、无线数据传输装置以及多平台与多传感器研制系统集成和数据处理平台；三维测深侧扫声呐系统用于在一次测量航行中同时获得2D声呐图像、高分辨率3D侧扫图像和条带测深数据；便携式多频测深仪用于管线路由调查和淤积情况调查；浅地层剖面仪能够测量水深数据和浅剖数据，对水底部地层进行剖面显示；无线数据传输装置适用于电信级的点对点网络应用；多平台与多传感器研制系统集成和数据处理平台用于实现实时数据的传输通信以及构建异构无人船水下地形勘测网。

Description

一种河道库岸水下地形及淤泥厚度勘测系统
技术领域
本发明涉及水下信息一体化快速获取与智能处理技术领域，具体涉及一种基于无人船组网观测的河道库岸水下地形及淤泥厚度勘测系统。
背景技术
目前，水下地形勘测与淤泥厚度测量通常采用四种技术方案：1、采用双频GPS接收机加双频数字测深仪，由基准站、流动站组合的动态实时定位(RTK)测量模式；2、采用GPS接收机加双频数字测深仪，由基准站、流动站组合的伪距差分实时定位测量模式；3、采用GPS接收机加双频数字测深仪，由流动站与永久性运行的跟踪站相连的伪距差分后处理测量模式；4、采用测量机器人与双频数字测深仪相组合的极坐标法自动化测量模式。
但是，现有技术中常态与应急状态下水下地形勘测与淤积定量识别的观测能力无法满足要求，在进行水下测量时容易受到水下声波多途经影响，水深测量时具有跳变和不确定度，无法有效扩展测深条带宽度。
发明内容
本发明旨在提供一种河道库岸水下地形及淤泥厚度勘测系统，所要解决的技术问题至少包括如何提升水利遥感实验室的基础科研能力和业务能力，并使实验室初步具备常态与应急状态下水下地形勘测与淤积定量识别的观测能力。
为了实现上述目的，本发明提供一种河道库岸水下地形及淤泥厚度勘测系统，包括无人船系统、三维测深侧扫声呐系统、便携式多频测深仪、浅地层剖面仪、无线数据传输装置以及多平台与多传感器研制系统集成和数据处理平台；所述的三维测深侧扫声呐系统、便携式多频测深仪、浅地层剖面仪、无线数据传输装置以及多平台与多传感器研制系统集成和数据处理平台均安装在无人船系统的船体上；所述的三维测深侧扫声呐系统用于在一次测量航行中同时获得2D声呐图像、高分辨率3D侧扫图像和条带测深数据；所述的便携式多频测深仪用于管线路由调查和淤积情况调查；所述的浅地层剖面仪能够测量水深数据和浅剖数据，对水底地层进行剖面显示，能够识别水底表层沉积物的类型并记录图像。
所述的无线数据传输装置适用于电信级的点对点网络应用，通过将20或40MHz的信道带宽和专门定制的远距离传输私有协议相结合，达到7.5bit/Hz的极高频谱利用率；所述的多平台与多传感器研制系统集成和数据处理平台用于实现实时数据的传输通信以及构建异构无人船水下地形勘测网。
所述的无人船系统适配搭载三维测深侧扫声呐系统、测深和水底剖面设备，该无人船系统的船艏和船尾设置有声纳安装支架，能够同时搭载两款声纳设备进行水下测绘活动。
在一个优选实施例中，所述的无人船系统同时搭载测深侧扫声纳和浅地层剖面仪，在一次航行中，同时实现水深数据测量和水底底质剖面测量。
所述无人船系统包括：声纳载荷模块、30HP四冲程汽油船外机、船舶自动驾驶系统、声纳系统、电力系统和通信系统。
所述的三维测深侧扫声呐系统采用三维侧扫声纳暨超宽覆盖的浅水条带测深仪，能够提供方便的3D目标及海底景观拾取、检测能力，可以用位置和几何形状的图像加强对水下结构、管道、电缆、桩基、残骸、障碍物、栖息地的三维空间表达，采用多回波角信号检测电子波束技术；所述的三维测深侧扫声呐系统采用N个独立基元，同时接收从水面到海底的全水柱的多个回波源的信号，在每个采样时间皆直接利用相位和回波强度计算每个源的距离、角度，从而得到全水柱范围的3D侧扫和测深数据。
所述的三维测深侧扫声呐系统的硬件系统由声呐头、电缆及接线盒和电源组成。
所述的声呐头中内置精度为0.4度的纵横摇运动传感器及精度为1度的罗经。
所述的无线数据传输装置采用高容量远距离免许可频段点对点数字无线网桥，基于动态TDD的点对点专有无线协议，数据被封成大包进行传输。
所述的多平台与多传感器研制系统集成和数据处理平台用于实现实时数据的传输通信，构建异构无人船水下地形勘测网，根据多传感器数据特征，定义统一的数据存储格式，实现数据的时间、位置同步，以及实现异构数据的采集、传输和存储。
所述的多平台与多传感器研制系统集成和数据处理平台还用于实现无人船遥感载荷数据全流程快速处理、验证、可视化制图一体化和标准化产品生成，实现标准化产品快速生产，形成系统的示范应用服务能力。
有益效果
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明所述的河道库岸水下地形及淤泥厚度勘测系统能够很好地解决水下声波多途经影响，减少水深测量时的跳变和不确定度，从而可有效扩展测深条带宽度，提升水利遥感实验室的基础科研能力和业务能力，并使实验室初步具备常态与应急状态下水下地形勘测与淤积定量识别的观测能力。该系统可以用于：
①河库水下地形地貌测绘，采集水下二、三维地形空间分布数据及淤泥淤积厚度数据，为水库库容测量及库容曲线更新、疏浚检测、工程方量计算等提供数据支撑；
②水文、水质要素快速测量，可对行走区域的位置、水深、流速、水质等参数进行快速准确的测量采集；
③发生涉水灾害时水下信息快速获取；
④自主航行并完成所测数据的实时传输与备份管理，数据可通过数据处理平台实时查看并进行后序处理。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的具体实施方式一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1是本发明所述的河道库岸水下地形及淤泥厚度勘测系统的结构示意图。
具体实施方式
在下文中更详细地描述了本发明以有助于对本发明的理解。
如图1所示，本发明所述的基于无人船组网观测的河道库岸水下地形及淤泥厚度勘测系统包括无人船系统、三维测深侧扫声呐系统、便携式多频测深仪、浅地层剖面仪、无线数据传输装置以及多平台与多传感器研制系统集成和数据处理平台；所述的三维测深侧扫声呐系统、便携式多频测深仪、无线数据传输装置以及多平台与多传感器研制系统集成和数据处理平台均安装在无人船系统的船体上；所述的三维测深侧扫声呐系统用于在一次测量航行中同时获得2D声呐图像、高分辨率3D侧扫图像和条带测深数据；所述的便携式多频测深仪用于管线路由调查和淤积情况调查；所述的浅地层剖面仪能够测量水深数据和浅剖数据，对水底部地层进行剖面显示；所述的无线数据传输装置适用于电信级的点对点网络应用，通过将灵活的信道带宽(20或40MHz)和专门定制的远距离传输私有协议相结合，达到7.5bit/Hz的极高频谱利用率；所述的多平台与多传感器研制系统集成和数据处理平台用于实现实时数据的传输通信以及构建异构无人船水下地形勘测网。
所述的无人船系统适配搭载三维测深侧扫声呐系统、测深和水底剖面设备，实现低成本的无人测绘船综合解决方案。该无人船系统的船艏和船尾设置有声纳安装支架，可以同时搭载两款声纳设备进行水下测绘活动。例如同时搭载测深侧扫声纳和浅地层剖面仪，在一次航行中，同时实现水深数据测量和水底底质剖面测量。无人船系统的基本模块包括：声纳载荷模块、40HP四冲程汽油船外机、船舶自动驾驶系统、声纳系统、电力系统、通信系统。
作为一个优选的实施例，所述的无人船系统的参数如表1所示：
表1无人船系统参数表
内容 参数
船长 4.15m
船宽 1.83m
最大排水量 360kg
材质 全碳纤维船身
防尘防水 IP65
最大动力输出 40HP
连续航行时间 14h
最大航行速度 7m/s
自动返航 低电量自动返航功能
工作航速 4m/s
控制模式 遥控&自动
最大载荷 60kg
任务载荷供电 200w
最大海况 工作海况3级，生存海况4级
所述的三维测深侧扫声呐系统是一款三维侧扫声纳暨超宽覆盖的浅水条带测深仪，能够提供方便的3D目标及海底景观拾取、检测能力，可以用位置和几何形状的图像加强对水下结构、管道、电缆、桩基、残骸、障碍物、栖息地的三维空间表达，采用多回波角信号检测电子波束技术，它是对“相干声呐”技术的扩充。相干声呐用二个换能器计算单一回波相位(时间)差，它对于同时到达的回波无法分辨角度。
三维测深侧扫声呐系统采用N个独立基元，同时接收从水面到海底(全水柱)的多个回波源的信号，在每个采样时间皆直接利用相位和回波强度(不是计算相位差)计算每个源的距离、角度，从而得到全水柱范围的3D侧扫和测深数据。
多回波角信号检测电子波束技术可很好地解决水下声波多途经影响，减少水深测量时的跳变和不确定度，从而可有效扩展测深条带宽度。
所述的三维测深侧扫声呐系统的硬件系统由声呐头、电缆及接线盒、电源组成。声呐头中内置精度为0.4度的纵横摇运动传感器及精度为1度的罗经。该三维测深侧扫声呐系统的主要参数如表2所示：
表2三维测深侧扫声呐系统指标
Figure BDA0002549185390000051
Figure BDA0002549185390000061
所述的无线数据传输装置采用高容量远距离免许可频段点对点数字无线网桥，基于动态TDD的点对点专有无线协议，数据被封成大包进行传输，提高了传输效率(转发能力：35000PPS)，提高了带宽的利用率(频谱利用率：7.5bit/Hz)，增加了系统的传输距离，吞吐量和PPS转发能力。系统64字节传输延时<2ms，能够实现语音、视频等数据的实时传输。采用2×2MIMO突破性技术，实现吞吐量高达220Mbps(110Mbps全双工)，具备卓越的PPS数据包处理能力和较高的抗干扰能力。
无线数据传输装置可适用于电信级的点对点网络应用，是专线接入或回程应用(包括VOIP及其他小数据包传输应用)的理想设备。产品通过将灵活的信道带宽(20或40MHz)和专门定制的远距离传输私有协议相结合，达到7.5bit/Hz的极高频谱利用率。产品内置双极化天线或配备2个N型接头，坚固耐用的铸铝外壳达到IP-67防护等级。
无线数据传输装置融合了一系列先进的软件机制，可为高吞吐量远距离的链路应用提供最佳的点对点连接性能。专有的点对点通信机制利用动态时分双工(TDD)技术为所需的传输方向动态分配带宽，从而提高链路效率，并显著降低传输距离对链路吞吐量的影响。此外还采用了选择性重传ARQ技术，增强纠错能力，优化数据流量，使得设备在大带宽、远距离甚至存在干扰的情况下仍然能够达到非常高的吞吐量。
所述的便携式多频测深仪是用于浅水掩埋物探测的专用海洋设备，为探测埋设管线问题和淤积调查提供整套解决方案，主要用于管线路由调查和淤积情况调查。所述的便携式多频测深仪是单波束参量阵设备，频率选择丰富。原频频率200KHz，差频覆盖10～40KHz，同时提供测深结果和穿透数据。本发明所述的便携式多频测深仪适用于船载，主要应用场合包括：
·水下管线调查：可满足国内多数近海、河流、湖泊等水下管线(水管、油管、气管等)的埋深要求；
·港口、航道淤积情况测量测量：为港口建设工程和疏浚工程提供数据支持；
·多频率测深：采用非线性声学技术，性能远优于传统多频测深仪；
·水下掩埋物探测：水上事故救捞、水下考古等。
所述的便携式多频测深仪的主要参数如表3所示：
表3便携式多频测深仪指标
Figure BDA0002549185390000071
Figure BDA0002549185390000081
所述的浅地层剖面仪采用全频谱CHIRP技术，是一种高分辨率宽带调频浅地层剖面仪系统。Window XP操作系统，灵活的外围设备扩展功能，强大的软件显示功能，提供多种缩放模式的地层显示，方便集成GPS、涌浪传感器和声速传感器等声学设备内置。2GB的大容量可移动硬盘可存储更多数据，具有多达8个RS-232接口用于各种数据的输入输出，测深范围可达到800m，能够穿透达40m的地层，提供6cm的水底沉积物分辨率，发射频率高达10KHZ，所述的浅地层剖面仪使用更灵活方便。既适用于以无人船为搭载平台的浅水应用，也适用于船拖使用的深水大面积调查。主要应用于工程勘察、淤泥厚度勘测、沉积物分类等。
所述的浅地层剖面仪的主要参数如表4所示：
表4浅地层剖面仪指标
Figure BDA0002549185390000082
Figure BDA0002549185390000091
所述的多平台与多传感器研制系统集成和数据处理平台用于实现实时数据的传输通信，构建异构无人船水下地形勘测网，根据多传感器数据特征，定义统一的数据存储格式，实现数据的时间、位置同步，以及实现异构数据的采集、传输和存储。
进一步地，所述的多平台与多传感器研制系统集成和数据处理平台还用于实现无人船遥感载荷数据全流程快速处理、验证、可视化制图一体化和标准化产品生成，实现标准化产品快速生产，形成系统的示范应用服务能力，并选择示范河库进行联调联试，验证系统的可行性和实用性，不断完善技术方法和平台系统。
以上描述了本发明优选实施方式，然其并非用以限定本发明。本领域技术人员对在此公开的实施方案可进行并不偏离本发明范畴和精神的改进和变化。

Claims (11)

1.一种河道库岸水下地形及淤泥厚度勘测系统，其特征在于，所述的河道库岸水下地形及淤泥厚度勘测系统包括无人船系统、三维测深侧扫声呐系统、便携式多频测深仪、浅地层剖面仪、无线数据传输装置以及多平台与多传感器研制系统集成和数据处理平台；所述的三维测深侧扫声呐系统、便携式多频测深仪、浅地层剖面仪、无线数据传输装置以及多平台与多传感器研制系统集成和数据处理平台均安装在无人船系统的船体上；所述的三维测深侧扫声呐系统用于在一次测量航行中同时获得2D声呐图像、高分辨率3D侧扫图像和条带测深数据；所述的便携式多频测深仪用于管线路由调查和淤积情况调查；所述的浅地层剖面仪能够测量水深数据和浅剖数据，对水底部地层进行剖面显示；所述的无线数据传输装置适用于电信级的点对点网络应用，通过将20或40MHz的信道带宽和专门定制的远距离传输私有协议相结合，达到7.5bit/Hz的极高频谱利用率；所述的多平台与多传感器研制系统集成和数据处理平台用于实现实时数据的传输通信以及构建异构无人船水下地形勘测网。
2.根据权利要求1所述的河道库岸水下地形及淤泥厚度勘测系统，其特征在于，所述的无人船系统适配搭载三维测深侧扫声呐系统、测深和水底剖面设备，该无人船系统的船艏和船尾设置有声纳安装支架，能够同时搭载两款声纳设备进行水下测绘活动。
3.根据权利要求2所述的河道库岸水下地形及淤泥厚度勘测系统，其特征在于，所述的无人船系统同时搭载测深侧扫声纳和浅地层剖面仪，在一次航行中，同时实现水深数据测量和水底底质剖面测量。
4.根据权利要求2所述的河道库岸水下地形及淤泥厚度勘测系统，其特征在于，所述的浅地层剖面仪能够测量水深数据和浅剖数据，对水底地层进行剖面显示，能够识别水底表层沉积物的类型幷记录图像。
5.根据权利要求2所述的河道库岸水下地形及淤泥厚度勘测系统，其特征在于，所述无人船系统包括：声纳载荷模块、30HP四冲程汽油船外机、船舶自动驾驶系统、声纳系统、电力系统和通信系统。
6.根据权利要求1所述的河道库岸水下地形及淤泥厚度勘测系统，其特征在于，所述的三维测深侧扫声呐系统采用三维侧扫声纳暨超宽覆盖的浅水条带测深仪，能够提供方便的3D目标及海底景观拾取、检测能力，能够用位置和几何形状的图像加强对水下结构、管道、电缆、桩基、残骸、障碍物和栖息地的三维空间表达，采用多回波角信号检测电子波束技术；所述的三维测深侧扫声呐系统采用N个独立基元，同时接收从水面到海底的全水柱的多个回波源的信号，在每个采样时间皆直接利用相位和回波强度计算每个源的距离、角度，从而得到全水柱范围的3D侧扫和测深数据。
7.根据权利要求5所述的河道库岸水下地形及淤泥厚度勘测系统，其特征在于，所述的三维测深侧扫声呐系统的硬件系统由声呐头、电缆及接线盒和电源组成。
8.根据权利要求6所述的河道库岸水下地形及淤泥厚度勘测系统，其特征在于，所述的声呐头中内置精度为0.4度的纵横摇运动传感器及精度为1度的罗经。
9.根据权利要求1所述的河道库岸水下地形及淤泥厚度勘测系统，其特征在于，所述的无线数据传输装置采用高容量远距离免许可频段点对点数字无线网桥，基于动态TDD的点对点专有无线协议，数据被封成大包进行传输。
10.根据权利要求1所述的河道库岸水下地形及淤泥厚度勘测系统，其特征在于，所述的多平台与多传感器研制系统集成和数据处理平台用于实现实时数据的传输通信，构建异构无人船水下地形勘测网，根据多传感器数据特征，定义统一的数据存储格式，实现数据的时间、位置同步，以及实现异构数据的采集、传输和存储。
11.根据权利要求9所述的河道库岸水下地形及淤泥厚度勘测系统，其特征在于，所述的多平台与多传感器研制系统集成和数据处理平台还用于实现无人船遥感载荷数据全流程快速处理、验证、可视化制图一体化和标准化产品生成，实现标准化产品快速生产，形成系统的示范应用服务能力。
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