CN2779422Y - 高分辨率多波束成像声纳 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高分辨率多波束成像声纳。其构成是通过光电复合缆将放在堤岸上的水上分机和安装在水下机器人上的水下分机连接起来，实现传输下行命令、上行数据和供电任务。水上分机以一台工控机为主结合数据接收系统，将从水下分机送上来的水下目标的图像通过显示器显示；水下分机由微处理器、逻辑控制器、发射控制器、DSP、FLASH、高速存储器和数据转换器等组成中央控制系统结合接收和发射系统及接收、发射换能器阵接收水上分机命令和控制参数、控制系统运行并获取水下目标的声图像。其优点是体积小和质量轻及系统分辨率高。可用于水库、江河堤坝坝体表面安全状况的探测，也可用于海洋开发、海底石油管线和光缆的寻线和其他目标的探测任务。

Description

高分辨率多波束成像声纳

技术领域

本实用新型涉及一种高分辨率多波束成像声纳。

背景技术

目前，在国内外能够查阅到的资料来看，对水下目标进行成像主要技术路线分为两种：一种是通过单波束，使用电子扫描或机械扫描获得目标图像，由于是单波束扫描所以成像速度慢，不能对运动目标进行实时成像和识别；第二种是通过多波束，利用数字信号处理技术获得目标图像，由于现代电子技术及半导体工艺的发展，使得多波束实时系统的设计和研发得以实现，但是为了获得高分辨率及在要求系统体积和基阵尺寸小型化的场合，必然要求提高成像声纳的系统工作频率，这同时也就增加了对系统的数字信号处理复杂度的要求。现在，国外的小型成像声纳已能达到0.25~0.5度的分辨率，而国内成像声纳的技术指标则有较大差距。

目前，国内的成像声纳装置和技术中存在三个明显的缺点：首先现有的成像声纳系统分辨率不高，对于堤坝上的坝体裂缝无法进行高分辨率的检测；其次，由于采用了模拟体制，并不是全数字化，因而不具有可编程性，数据的后置处理很难进行改进；三是，现有系统的硬件规模过大，不适合在水下机器人的小平台载体上搭载使用。

发明内容

为了弥补现有成像声纳在实时性和分辨率上的不足，本实用新型提供一种新型的高分辨率多波束成像声纳，该高分辨率多波束成像声纳可以方便的由ROV/AUV等水下载体携带，为水下目标的检测与识别提供了完备的探测和检测手段，由于具有较高的分辨率，可以检测水下目标的细节部分；从而不仅可以探测江、河、湖、泊及水库的堤坝表面的裂缝，而且还可以探测水雷、沉船等水下可疑物体，同时成像速度快，可以达到15帧/秒，因而达到了对水下目标进行实时成像的目的。

本实用新型的构成包括放置在岸上或船上的用于完成水下目标或堤坝坝体裂缝的图像合成、显示和实施控制的水上分机〔1〕、安装在水下机器人上的负责检测信号的发射、接收和处理的水下分机〔2〕、具有零浮力的光电复合缆〔3〕分别通过光端机〔8〕和〔9〕将水上分机〔1〕和水下分机〔2〕连接起来实现传输下行命令、上行数据和设备供电任务。

水上分机〔1〕以一台工控机〔4〕为主，结合数据接收系统〔5〕，将从水下分机〔2〕通过光电复合缆〔3〕传送上来的水下目标或堤坝坝体裂缝的图像通过显示器〔6〕显示出来，同时在存储器〔7〕内存储。

水下分机〔2〕由中央控制系统〔10〕、发射系统〔11〕、接收系统〔12〕、发射换能器阵〔13〕和接收换能器阵〔14〕组成。系统原理图见附图1。

中央控制系统〔10〕的任务是接收水上分机〔1〕传送的命令控制码和系统工作参数并实时装载给系统，控制系统的正常运行；负责启动发射系统〔11〕和接收系统〔12〕，获得水下目标或堤坝坝体裂缝的图像。它的构成包括：负责命令控制码和系统工作参数接收的微处理器〔15〕、进行系统时序和逻辑功能控制的中央时序逻辑控制器〔16〕、对获得的水下目标或堤坝坝体裂缝的图像进行合成和预处理的DSP(数字信号处理器)〔18〕、能够存储获得的水下目标或堤坝坝体裂缝图像的高速存储器〔21〕、存储进行图像合成和预处理的算法程序的FLAH(闪存)〔20〕、用于对接收系统〔12〕进行控制和数据交换的总线接口〔19〕、对上传的图像数据进行高速并/串转换的数据转换器〔37〕、负责启动和配置发射系统〔11〕的发射控制器〔17〕，各部分的连接关系见附图2。

发射系统〔11〕的主要任务是完成发射脉冲波形的产生、功率调节放大和发射控制。它的构成包括：负责发射命令和发射功率级参数接收的单片机〔22〕、产生发射信号的波形发生器〔23〕、波形整形器〔24〕、控制发射脉冲波形发射的光电隔离器〔25〕、调节发射脉冲的功率调节器〔26〕、功率放大器〔27〕、与发射换能器进行匹配的阻抗匹配器〔28〕，各部分之间的连接关系见附图3。

接收系统〔12〕的任务是完成对由接收换能器阵〔14〕所获得的128路目标回波信号进行采集和声成像。它的构成包括：接收第一分系统〔29〕、接收第二分系统〔30〕、接收第三分系统〔31〕、接收第四分系统〔32〕、接收第五分系统〔33〕、接收第六分系统〔34〕、接收第七分系统〔35〕、接收第八分系统〔36〕，为了便于系统的可扩展性，八个接收分系统采用了相同的设计，从而实现了接收系统〔12〕的模块化设计，各部分之间的连接关系见附图4。

接收第一分系统〔29〕的任务是完成对由接收换能器阵〔14〕所获得的16路目标回波信号进行采集和声成像。它的构成包括：与接收换能器阵〔14〕进行阻抗匹配的模拟预处理放大器〔38〕、带通滤波器〔39〕、后置放大器〔40〕、对采集到的模拟信号进行模/数转换的模数转换器〔41〕、分系统时序逻辑控制器〔42〕、对获得的目标信号进行声成像处理的DSP〔44〕、存储采集到的目标信号的原始数据的高速存理器〔45〕、存储声成像算法程序的FLASH〔46〕、系统仲裁器〔43〕，各部分之间的连接关系见附图5。

由于采用了模块化的设计，接收第二分系统、接收第三分系统、接收第四分系统、接收第五分系统、接收第六分系统、接收第七分系统和接收第八分系统的设计图与接收第一分系统相同，其连接关系见附图5。

各部分的作用分别说明如下：

在工控机〔4〕上的显示控制软件不仅可以通过键盘或鼠标输入水下发射系统〔11〕的控制命令和接收系统〔12〕的工作参数并通过串口给出，控制命令包括：功率级、启动命令、停止命令、脉冲重复频率，工作参数包括：作用距离，距离分辨率和声图像刷新率；而且还可以通过数据接收系统〔5〕实时地接收和显示出所获得的水下目标或堤坝坝体裂缝的图像。

水上分机〔1〕与水下分机〔2〕之间用光电复合缆〔3〕连接，串口发出的RS232电平信号由光端机〔8〕转化为光信号，在接收端再由光端机〔9〕将光信号转化为RS232电平并进一步转化为TTL电平送给微处理器〔15〕。

微处理器〔15〕负责水上分机〔1〕传送的命令和系统工作参数的接收并进行参数装载、启动发射系统〔11〕发射脉冲信号，打开接收系统〔12〕进行数据采集和声成像。

中央时序逻辑控制器〔16〕负责把系统工作参数装载到接收系统〔12〕、产生接收系统〔12〕进行数据采集所需要的时序逻辑控制信号、接收由接收系统〔12〕所获得的声图像数据并进行解包然后送入DSP〔18〕，把通过DSP〔18〕进行图像合成和预处理所获得的声图像数据打包然后由数据转换器〔37〕把并行数据转换成高速串行数据通过光端机〔9〕传送给水上分机〔1〕。

DSP〔18〕负责接收由接收系统〔12〕所获得的声图像数据并存储到高速存储器〔21〕中、对接收到的声图像数据进行图像合成和预处理从而达到显示的要求，图像合成和预处理算法程序存储在FLAH(闪存)〔20〕中。

总线接口〔19〕不仅完成了总线信号的输入和输出之间的切换，而且还完成了总线信号的驱动，这样在解决了总线冲突的同时，大大提高了总线的带负载的能力。

发射控制器〔17〕接收由微处理器〔15〕传送给发射系统〔11〕的命令控制码并进行解码，从而得到相应的命令控制指令。

单片机〔22〕根据接收到的命令控制指令，通过光电隔离器〔25〕控制脉冲信号的发射和关闭，同时通过控制功率调节器〔26〕的输入比较电压控制发射功率级。

波形发生器〔23〕产生所需要的频率为1兆赫兹的信号，然后传输给波形整形器〔24〕，经过波形整形，使要发射的信号波形满足所需要的脉宽需求，从而使发射的波形不产生畸变。

阻抗匹配器〔28〕采用了军用的镍锌磁罐。由于在发射信号超过300千赫兹之后，通过锰锌磁罐，其信号存在着很大的衰减和不匹配，必须采用能满足高频应用的镍新材料，同时结合匹配电感能够与发射换能器阵〔13〕很好的匹配。

接收系统〔12〕采用了模块化的设计，便于系统的扩展。通过总线接口〔19〕连接了八个接收分系统，接收第一分系统〔29〕完成接收换能器阵〔14〕中1-16接收换能器子阵的信号采集和声成像，接收第二分系统〔30〕完成接收换能器阵〔14〕中17-32接收换能器子阵的信号采集和声成像，接收第三分系统〔31〕完成接收换能器阵〔14〕中33-48接收换能器子阵的信号采集和声成像，接收第四分系统〔32〕完成接收换能器阵〔14〕中49-64接收换能器子阵的信号采集和声成像，接收第五分系统〔33〕完成接收换能器阵〔14〕中65-80接收换能器子阵的信号采集和声成像，接收第六分系统〔34〕完成接收换能器阵〔14〕中81-96接收换能器子阵的信号采集和声成像，接收第七分系统〔35〕完成接收换能器阵〔14〕中97-112接收换能器子阵的信号采集和声成像，接收第八分系统〔36〕完成接收换能器阵〔14〕中113-128接收换能器子阵的信号采集和声成像，从而完成了对接收换能器阵〔14〕的128路信号的采集和声成像。这八个接收分系统共同构成了一个高速并行处理系统，满足了实时性的要求。

模拟预处理放大器〔38〕它具有高输入阻抗、低输出阻抗和很高的增益带宽积，同时还具有极低的噪声。通过前端匹配电阻与接收换能器阵〔14〕进行阻抗匹配，从而达到了无失真的接收目标回波信号的目的。

带通滤波器〔39〕采用TI公司的TLE2141ID。使用TLE2141ID构建了一个有源二阶带通滤波器，在900kHz~1100kHz的频率范围内起伏较小，通带内外的抑制比大于40dB。

后置放大器〔40〕一方面对信号放大10倍，满足系统总的放大量的要求；另一方面进行抗混迭滤波和阻抗匹配，满足模数转换器〔41〕的信号需求。

模数转换器〔41〕它具有8比特的分辨率、两通道模拟信号同时采集、最高采样率达到每通道20兆赫兹。系统确定的采样率为15兆赫兹，它可以无失真采样接收到的目标回波信号。

分系统时序逻辑控制器〔42〕接收由模数转换器〔41〕采集到的目标回波信号，然后把得到的16路信号解包，按顺序依次存入高速存储器〔45〕，利用中断方式通知DSP〔44〕进行声成像算法处理，实现了数据处理的高速和流水线操作。

系统仲裁器〔43〕接收由中央控制系统〔10〕发出的总线控制信号，进行逻辑仲裁，判断是否是要对本分系统进行操作，是则控制总线进行总线数据操作，不是则让出总线等待下一步的命令，从而使系统稳定、可靠的运行。

DSP〔44〕负责接收由接收换能器阵〔14〕接收并且经过模拟预处理放大器〔38〕、带通滤波器〔39〕、后置放大器〔40〕、模数转换器〔41〕所获得的水声数字信号，然后存储到高速存储器〔45〕中、对接收到的水声数字信号进行声成像算法，获得目标的声图像信息。声成像算法程序存储在FLAH(闪存)〔46〕中。

发射换能器阵〔13〕采用陶瓷线阵组成，形成0.4°×50°指向性。

接收换能器阵〔14〕采用128个陶瓷窄条晶片组成，形成10°×58°的指向性。

本实用新型的工作原理是：

高分辨率多波束成像声纳安装在水下机器人的载体上并与测深仪、罗经、多普勒声纳等设备协同工作。当水下载体在与堤坝平行的平面内上下移动时，高分辨率多波束成像声纳以主动的方式工作。当对水下目标或堤坝坝体裂缝进行成像时，接通系统的电源，设定高分辨率多波束成像声纳系统的工作参数：作用距离、发射机的功率级及重复发射频率，并装载给系统，然后开启系统进行工作，高分辨率多波束成像声纳系统发射频率为1兆赫兹的CW脉冲，并经由发射换能器阵〔13〕把电信号转换成声信号发射到水中传送出去，发射出去的声波经由目标反射回来，经过接收换能器阵〔14〕把声信号转换成电信号，传送给接收系统〔12〕，从而得到声图像，并且经由光电复合缆〔3〕传给工控机〔4〕，水上分机〔1〕的显示器〔6〕显示出堤坝的坝体裂缝或水下目标图像。水上分机〔1〕除了完成显示和存储外还有良好的人机交互界面，操作者可以方便的对水下部分的发射功率和工作参数等进行控制。

本实用新型完全可以实现对堤坝的坝体裂缝的检测，可广泛用于水库、江河堤坝安全隐患的探测，也可用于海底石油管线和海底光缆的寻线检测。

附图说明

图1高分辨率多波束成像声纳的结构原理框图

图2高分辨率多波束成像声纳的中央控制系统的结构框图

图3高分辨率多波束成像声纳的发射系统的结构框图

图4高分辨率多波束成像声纳的接收系统的结构框图

图5高分辨率多波束成像声纳的接收第一分系统的结构框图

图6高分辨率多波束成像声纳的接收第一分系统的电路原理图

图7高分辨率多波束成像声纳的中央控制系统系统的电路原理图

具体实施方式

该实用新型的水下分机〔2〕安装在水下机器人上，发射系统〔11〕和接收系统〔12〕要安装在可承受300米水深压力的铝合金舱体内。在需要对堤坝探测时，将水下分机〔2〕固定在水下机器人的前端并与堤坝相对。为了生成堤坝表面的空间三维立体图，如果堤坝的表面是垂直的，探测时要求机器人与堤坝保持一定的距离垂直运动。如果堤坝的表面是倾斜的，探测时要求机器人载体本身保持垂直，与堤坝保持一定的距离作斜向上的爬坡运动。同时为了使探测信号覆盖坝体，发射和接收换能器阵〔13〕〔14〕在安装时要有一定的角度。微处理器〔15〕采用AD公司的ADuC812，中央时序逻辑控制器〔16〕采用的是ALTERA公司的EP1C12，DSP〔18〕采用TI公司的TMS320C6416-600MHz，总线接口〔19〕采用的是TI公司的SN74LVTH16245，发射控制器〔17〕采用的是LATTICE公司的GAL16LV8D，单片机〔22〕采用的是ATMEL公司的AT89C2051，模拟预处理放大器〔38〕采用的是TI公司的OP37GS，模数转换器〔41〕采用的是MAXIM公司的MAX1196，系统仲裁器〔43〕采用的是ALTERA公司的EPM7256。

机器人载体携带本实用新型进入工作状态后，由机器人载体给水下分机[2]加电，发射系统〔11〕和接收系统〔12〕分别引导程序，进而待机状态，同时启动水上分机〔1〕进入显控方式。

发射声功率(功率级0～7)八档可调，声纳信号作用距离四级可调(5米、10米、20米和50米)，声图像刷新频率最高可达15帧/秒，声图像显示模式有扇形显示和瀑布图显示。

完成参数设置后，按启动命令使高分辨率多波束成像声纳开始工作获得堤坝坝体的声图像信息。

水下分机〔2〕的工作流程为：发射系统〔11〕和接收系统〔12〕根据接收到配置参数实时的装载给系统后，进入等待命令模式，当接收到启动命令后，发射系统〔11〕按照设定的参数，以一定频率和功率级发射探测声脉冲。接收系统〔12〕在发射系统〔11〕的探测声脉冲发射完毕后开始采集。将采集到的声基阵原始数据送入DSP〔44〕进行声成像处理，然后中央时序逻辑控制器〔16〕接收八个接收分系统的声图像数据进行声图像合成和预处理，从而得到最终的声图像数据，最后通过光电复合缆〔3〕送到水上分机〔1〕进行显示。

本实用新型优点是不仅减少了发射阵和接收阵的体积和质量，同时也缩小了系统的总体规模、提高了系统的分辨率。可广泛用于水库、江河堤坝的坝体表面的安全状况的探测，也可以用于海洋开发、海底石油管线和光缆寻线及其他目标的探测任务。

Claims (6)

1.一种高分辨率多波束成像声纳，其结构包括水上分机〔1〕和装配在水下机器人上的水下分机〔2〕，其两者通过光电复合缆〔3〕相连接；水上分机〔1〕以工控机〔4〕为主分别与数据接收系统〔5〕、显示器〔4〕和存储器〔7〕相连接；水下分机〔2〕由中央控制系统〔10〕、发射系统〔11〕、接收系统〔12〕、发射换能器阵〔13〕、接收换能器阵〔14〕组成，其特征在于其中央控制系统〔10〕由微处理器〔15〕、中央时序逻辑控制器〔16〕、发射控制器〔17〕、DSP(数字信号处理器)〔18〕、总线接口〔19〕、数据转换器〔37〕、高速存储器〔21〕和FLASH(闪存)〔20〕组成，微处理器〔15〕、中央时序逻辑控制器〔16〕、DSP〔18〕和FLASH〔20〕依次通过数据总线电信号连接；微处理器〔15〕又与发射控制器〔17〕电信号连接；中央时序逻辑控制器〔16〕又分别与数据转换器〔37〕和总线接口〔19〕电信号连接；DSP〔18〕又与高速存储器〔21〕电信号连接。

2.如权利要求1所述的高分辨率多波束成像声纳，其特征在于发射系统〔11〕由单片机〔22〕、波形发生器〔23〕、波形整形器〔24〕、光电隔离器〔25〕、功率调节器〔26〕、功率放大器〔27〕、阻抗匹配器〔28〕组成；单片机〔22〕、光电隔离器〔25〕、功率放大器〔27〕和阻抗匹配器〔28〕依次电连接；波形发生器〔23〕、波形整形器〔24〕和光电隔离器〔25〕依次电连接；单片机〔22〕又与功率调节器〔26〕和功率放大器〔27〕依次电连接。

3.如权利要求1所述的高分辨率多波束成像声纳，其特征在于接收系统〔12〕由接收第一分系统〔29〕、接收第二分系统〔30〕、接收第三分系统〔31〕、接收第四分系统〔32〕、接收第五分系统〔33〕、接收第六分系统〔34〕、接收第七分系统〔35〕、接收第八分系统〔36〕组成并通过总线接口〔19〕连接起来，构成一个高速、并行处理网络。

4.如权利要求1所述的高分辨率多波束成像声纳，其特征在于其发射换能器阵〔13〕采用陶瓷线阵组成，形成0.4°×50°指向性；接收换能器阵〔14〕采用128个陶瓷窄条晶片组成，形成10°×58°的指向性。

5.如权利要求3所述的高分辨率多波束成像声纳，其特征在于接收第一分系统〔29〕由模拟预处理放大器〔38〕、带通滤波器〔39〕、后置放大器〔40〕、模数转换器〔41〕、分系统时序逻辑控制器〔42〕、DSP〔44〕、高速存储器〔45〕、FLASH〔46〕、系统仲裁器〔43〕组成；其中DSP〔44〕通过数据总线与分系统时序逻辑控制器〔42〕相连接，DSP〔44〕通过主机接口总线与总线接口〔19〕连接；模拟与处理放大器〔38〕、带通滤波器〔39〕、后置放大器〔40〕和模数转换器〔41〕依次电连接；模数转换器〔41〕又分别通过数据总线与分系统时序逻辑控制器〔42〕和系统仲裁器〔43〕相连接。

6.如权利要求3所述的高分辨率多波束成像声纳，其特征在于接收第二分系统〔30〕、接收第三分系统〔31〕、接收第四分系统〔32〕、接收第五分系统〔33〕、接收第六分系统〔34〕、接收第七分系统〔35〕、接收第八分系统〔36〕其结构与接收第一分系统〔29〕结构相同。

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