CN218037344U - 适用于水下移动平台的海底高精度成像系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及深海矿产资源探测领域，特别是一种适用于水下移动平台的海底高精度成像系统。包括激光线扫描装置和声学多波束成像声呐装置，声学多波束成像声呐装置位于激光线扫描装置的下方，声学多波束成像声呐装置和激光线扫描装置之间通过连接件连接；所述激光线扫描装置包括固定架、工业相机和激光发射单元，固定架的一端设置工业相机、固定架的另一端设置激光发射单元；所述声学多波束成像声呐装置包括多波束测深仪，多波束测深仪通过数个连接架与固定架固定连接。其体积小，结构简单，灵活性强，适应性高，能够搭载于各类水下移动平台开展海底的微地形地貌重建任务，能够准确、高效地绘制海底矿产资源区的地形地貌特征。
Description
技术领域
本实用新型涉及深海矿产资源探测领域，特别是一种面向深海矿产资源勘查区，适用于水下移动平台的海底高精度成像系统。
背景技术
海底的矿产资源往往伴随着特殊的地形地貌特征，因此在进行深海经济矿产资源勘查和科学考察时，首先需要获取勘探区的精准的海底地形地貌特征。目前开展海底地形地貌调查的常用手段主要包括船载的地球物理声学、近海底的多波束探测和地质取样调查等，这些方法具有测量距离远、范围大的优点，可对数千米以下的海底的地形地貌特征进行绘制，但是其存在的缺陷是获取的海底地形地貌精度偏低，通常在几十米到百米的分辨率；此外，由于声波的传播特点，在大范围的海底地形探测方面容易受到突出于海底的岩石、礁盘等结构物遮挡，容易形成探测盲区，很难实现准确的高精度重建。
海底的特殊微地形地貌往往是识别海底矿产资源的重要标志，例如，海底浅表层水合物往往与麻坑、凹陷、泥底劈和小型泥火山等特殊的地形地貌特征密切相关，显然受探测精度低的限制，现有的探测手段无法针对海底这种特殊的微地形地貌开展高精度的重建。尽管，当前针对海底的特殊微地形地貌特征也提出了一些探测手段，例如利用水下移动平台搭载高清工业相机进行海底地形地貌的探测，虽然高清工业相机能够直接表现海底地形地貌特征，但是受限于水下环境的干扰，对海底能见度和水质要求比较高，且无法表现三维信息。人们也提出了一些用于海底地形地貌绘制的装置，例如专利CN 214375260U设计的一种应用于海底探测的多波束测深仪和专利CN 113267807 A提出一种海底震源及海底探测系统；但是，这些方法仍然存在适应性不足，感知精度低等问题，且探测效率较低。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种适用于水下移动平台的海底高精度成像系统，其体积小，结构简单，灵活性强，适应性高，能够搭载于各类水下移动平台开展海底的微地形地貌重建任务，快速实现了海底矿产地源区地形地貌重建的声光联合探测，能够准确、高效地绘制海底矿产资源区的地形地貌特征。
本实用新型的技术方案是：一种适用于水下移动平台的海底高精度成像系统，其中，包括激光线扫描装置和声学多波束成像声呐装置，声学多波束成像声呐装置位于激光线扫描装置的下方，声学多波束成像声呐装置和激光线扫描装置之间通过连接件连接；
所述激光线扫描装置包括固定架、工业相机和激光发射单元，固定架的一端设置工业相机、固定架的另一端设置激光发射单元，工业相机和激光发射单元之间呈对应设置，工业相机呈倾斜设置，工业相机与竖直方向之间呈45°夹角，激光发射单元采用激光器，激光器呈竖直方向设置，激光器垂直发射激光，所述激光器采用波段为405-532nm的蓝绿色激光器，工业相机与激光器之间的距离为0.5-1m；
所述声学多波束成像声呐装置包括多波束测深仪，多波束测深仪位于激光器的下方，多波束测深仪与激光器下端之间的距离为0.5-1m，多波束测深仪通过数个连接架与固定架固定连接。
本实用新型中，所述激光线扫描装置和声学多波束成像声呐装置的外部设有圆筒状钛合金防水耐压舱，防水耐压舱上设有透明石英视窗，防止系统受水压影响产生故障。
优选的，所述工业相机与激光器之间的距离为0.8m。
优选的，所述多波束测深仪与激光器下端之间的距离为1m。
还包括控制模块，控制模块固定在多波束探测仪上；
所述控制模块包括控制单元、图像处理器和存储单元，控制单元采用型号为研华PCM9310嵌入式工控机，图像处理器采用Nvidia jetson AGX Orin执行数据处理，存储单元则集成于研华PCM9310嵌入式工控机之上。
本实用新型的有益效果是：
(1)利用激光线扫描装置分辨率高、适应性强的特点弥补了声呐探测手段自身的不足，在对海底表面进行较大区域声学探测重建的同时，也能够对感兴趣的较小区域进行高分辨率激光扫描绘制，实现了小尺度高精度地形地貌图的绘制；
(2)该系统结构简单，体积小，适应性高，可以搭载于各类水下移动平台；
(3)在利用水下移动平台进行深海矿产资源调查的过程中，一次布放水下移动平台的同时即可获取高精度的海底矿区的地形地貌图，大大提高了作业效率，节约了调查成本。
附图说明
图1是本实用新型的立体结构示意图；
图2是本实用新型的主视结构示意图；
图3是本实用新型的工作原理图。
图中：1固定架；2工业相机；3激光器；4连接架；5控制模块；6多波束测深仪。
具体实施方式
为了使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。
在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广。因此本实用新型不受下面公开的具体实施方式的限制。
如图1和图2所示，本实用新型所述的适用于水下移动平台的海底高精度成像系统包括激光线扫描装置和声学多波束成像声呐装置，其中激光线扫描装置提供小范围精细分辨率下的海底表面成像，声学多波束成像声呐装置提供大范围粗分辨率的海底表面成像，声学多波束成像声呐装置位于激光线扫描装置的下方，声学多波束成像声呐装置和激光线扫描装置之间通过连接件连接。考虑到深海探测中的环境特点与防水耐压、方便搭载和工作稳定的需求，系统外部设置耐水压的圆筒状铝合金防水舱与透明石英视窗，防止系统受水压影响产生故障。
激光线扫描装置包括固定架1、工业相机2和激光发射单元，固定架1的一端设置工业相机2、固定架1的另一端设置激光发射单元，工业相机2和激光发射单元之间呈对应设置，工业相机2和激光发射单元均设置在防水舱内。工业相机2呈倾斜设置，工业相机2与竖直方向之间呈45°夹角，从而实现了工业相机进行45°倾斜拍摄。激光发射单元采用激光器3，激光器3呈竖直方向设置，激光器3垂直发射激光。工业相机2与激光器3之间的距离为1-1.5m，间距为1.2m时为最佳。
声学多波束成像声呐装置包括多波束测深仪6发射换能器和接收换能器。多波束测深仪6位于激光器3的下方，避免了两装置之间的相互干扰，同时便于波束的发射与接收。多波束测深仪6与激光器3下端之间的距离为1-2m，间距为1.5m时为最佳。多波束测深仪6通过数个连接架4与固定架1固定连接。
由于水体光线选择性吸收的特性，蓝绿色光线在水下具有较远的传输距离，本实施例中的激光器3选用了功率较大的波段为405-532nm的蓝绿色激光器，使系统能够在距海底15米的范围内进行工作。
该系统还包括控制模块5，控制模块5固定在多波束探测仪6上。控制模块5包括控制单元、图像处理器和存储单元，其中控制单元用于控制激光线扫描装置和声学多波束成像声呐装置的工作状态，本实施例中的控制单元采用型号为研华PCM9310嵌入式工控机。图像处理器用于将接收到的激光线扫描装置和声学多波束成像声呐装置信息建立海底表面重建图以及将图像进行平滑处理修改等，本实施例中的图像处理器采用Nvidia jetsonAGX Orin执行数据处理。存储单元用于记录所有装置所发送的信息、以及经过处理器单元编辑处理后产生的数据。本实施例中，存储单元集成于研华PCM9310嵌入式工控机之上。
该系统的工作原理如下所述。如图3所示，首先将该系统安装于水下移动平台，如遥控无人潜水器(Remote Operated Vehicle，简称ROV)，并且通过水密缆实现该系统和水下移动平台之间的电源、通讯各部分的连接，检查该系统的状态，若无异常，将其搭载的水平移动平台投放至海下，进行探测工作。水下移动平台在水下执行工作时，根据矿区普查阶段获取的调查资料，初步确定矿区的大体位置，划定矿区的精细调查范围，矿区的精细调查范围通查在几十平方千米内。在划定的精细调查的矿区范围内，设定水下移动平台的调查路径后，布置合适间距的测线，然后根据测线布放数个水下移动平台，使水下移动平台能够覆盖划定的矿区范围。将水下移动平台下放至距离海底50m左右。待水下移动平台姿态稳定，达到工作条件时，声学多波束成像声呐装置工作，发射换能器阵列向海底发射声波，接受换能器阵列对声波进行接收，对声波进行转换和处理，得到海底矿区内范围较大的三维地形地貌图。基于该三维地形地貌图，进一步圈定处更小范围内的矿区分布区，此时圈出的矿区分布范围小于10平方千米。接下来，再布设合适间距的测线，根据测线再次布放数个水下移动平台，使水下移动平台能够覆盖再次圈定出的矿区范围。将水下移动平台的位置由近海底50m下方至近海底15m的高度处。待水下移动平台姿态稳定，达到工作条件时，激光线扫描装置工作，激光器3射出的激光线扫描海底表面，工业相机2捕获原始图像并将其传输至控制模块进行处理，重建海底表面图。
以上对本实用新型所提供的海底成像系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。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实用新型。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实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型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 (6)
1.一种适用于水下移动平台的海底高精度成像系统，其特征在于：包括激光线扫描装置和声学多波束成像声呐装置，声学多波束成像声呐装置位于激光线扫描装置的下方，声学多波束成像声呐装置和激光线扫描装置之间通过连接件连接；
所述激光线扫描装置包括固定架(1)、工业相机(2)和激光发射单元，固定架(1)的一端设置工业相机(2)、固定架(1)的另一端设置激光发射单元，工业相机(2)和激光发射单元之间呈对应设置，工业相机(2)呈倾斜设置，工业相机(2)与竖直方向之间呈45°夹角，激光发射单元采用激光器(3)，激光器(3)呈竖直方向设置，激光器(3)垂直发射激光，所述激光器采用波段为405-532nm的蓝绿色激光器，工业相机(2)与激光器(3)之间的距离为0.5-1m；
所述声学多波束成像声呐装置包括多波束测深仪(6)，多波束测深仪(6)位于激光器(3)的下方，多波束测深仪(6)与激光器(3)下端之间的距离为0.5—1m，多波束测深仪(6)通过数个连接架(4)与固定架(1)固定连接。
2.根据权利要求1所述的适用于水下移动平台的海底高精度成像系统，其特征在于：所述激光线扫描装置和声学多波束成像声呐装置的外部设有圆筒状钛合金防水耐压舱，防水耐压舱上设有透明石英视窗。
3.根据权利要求1所述的适用于水下移动平台的海底高精度成像系统，其特征在于：所述工业相机(2)与激光器(3)之间的距离为0.8m。
4.根据权利要求1所述的适用于水下移动平台的海底高精度成像系统，其特征在于：所述多波束测深仪(6)与激光器(3)下端之间的距离为1.0m。
5.根据权利要求1所述的适用于水下移动平台的海底高精度成像系统，其特征在于：还包括控制模块(5)，控制模块(5)固定在多波束测深仪(6)上。
6.根据权利要求5所述的适用于水下移动平台的海底高精度成像系统，其特征在于：所述控制模块(5)包括控制单元、图像处理器和存储单元，控制单元采用型号为研华PCM9310嵌入式工控机，图像处理器采用Nvidia jetson AGX Orin执行数据处理。
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| CN115128617A (zh) * | 2022-05-31 | 2022-09-30 | 青岛海洋地质研究所 | 适用于深海矿产资源勘查区的高精度海底成像方法 |
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