維成像聲納畢業(yè)(1)

1、. 三維成像聲納專 業(yè)： 光電子技術(shù)與科學(xué) 院 校：長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院 目錄摘要第一章 聲吶1.1 聲吶的概述1.2 三維成像技術(shù)1.3 三維成像聲吶的發(fā)展現(xiàn)狀第2章 三維成像聲吶的工作原理 第3章 三維成像聲吶的應(yīng)用第4章 三維成像聲納的選擇第5章 結(jié)論和展望摘要 聲納的發(fā)展背景：海洋蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)和能源，同時(shí)又具有重要的軍事地位，海洋開(kāi)發(fā)日益受到人們的重視。首先，全球能源日益緊張，所以開(kāi)發(fā)新的能源和空間十分必要，海洋是個(gè)巨大的能源寶庫(kù)，具有很大的開(kāi)發(fā)潛力。其次，我國(guó)海岸線綿長(zhǎng)，海域遼闊，了解海域特點(diǎn)、海底地形地貌狀況對(duì)維護(hù)國(guó)家安全很有必要。從上面可以看到成像聲納有著十分廣泛的用途，

2、不僅關(guān)系到軍事方面，而且還關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)生活發(fā)展的很多方面，所以研究和發(fā)展成像聲納十分必要和迫切。三維成像聲納所使用的可視化技術(shù)，將大量枯燥的數(shù)據(jù)以生動(dòng)的立體圖形圖像的方式表現(xiàn)出來(lái)，使人們能夠?qū)β暭{數(shù)據(jù)進(jìn)行更直觀的解釋和分析，提高水下探測(cè)的工作效率。借助成熟的三維顯示技術(shù)，三維圖形可被縮放、移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)、測(cè)距，以便工作人員可以從各種視角更好地進(jìn)行觀察和理解，提供準(zhǔn)確、科學(xué)的依據(jù)。1.1聲吶的概述 聲吶是英文縮寫“SONAR”的音譯，其中文全稱為：聲音導(dǎo)航與測(cè)距，Sound Navigation And Ranging”是一種利用聲波在水下的傳播特性，通過(guò)電聲轉(zhuǎn)換和信息處理，完成水下探測(cè)和通訊任務(wù)

3、的電子設(shè)備。它有主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種類型，屬于聲學(xué)定位的范疇。聲吶是利用水中聲波對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、定位和通信的電子設(shè)備，是水聲學(xué)中應(yīng)用最廣泛、最重要的一種裝置。 聲吶是各國(guó)海軍進(jìn)行水下監(jiān)視使用的主要技術(shù)，用于對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、分類、定位和跟蹤；進(jìn)行水下通信和導(dǎo)航，保障艦艇、反潛飛機(jī)和反潛直升機(jī)的戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)和水中武器的使用。此外，聲吶技術(shù)還廣泛用于魚雷制導(dǎo)、水雷引信，以及魚群探測(cè)、海洋石油勘探、船舶導(dǎo)航、水下作業(yè)、水文測(cè)量和海底地質(zhì)地貌的勘測(cè)等。 1.2三維成像技術(shù)通常我們說(shuō)一個(gè)客觀的世界是三維的，客觀世界的三維圖像通過(guò)某種技術(shù)把它記錄下來(lái)然后處理、壓縮再傳輸出去，顯示出來(lái)，最終在人的大腦中再現(xiàn)

4、客觀世界的圖像，這個(gè)過(guò)程就是三維成像技術(shù)的全過(guò)程。 1.3 三位成像聲納的發(fā)展現(xiàn)狀三維成像聲納與普通的多波數(shù)聲納的區(qū)別，在于它具有更高的分辨率，從而可以提供水下目標(biāo)外形輪廓的更多細(xì)節(jié)描述。高分辨率成像聲納在對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行成像時(shí)，能夠提供非常優(yōu)秀的圖像質(zhì)量，從而可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)一步地跟蹤和識(shí)別。目前最前沿的三維成像聲納是以聲透鏡技術(shù)為基礎(chǔ)，它能提供目標(biāo)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)視頻圖像，質(zhì)量小、尺寸小，可以裝載到各種AUV、ROV上進(jìn)行水下作業(yè)。 聲視覺(jué)導(dǎo)航：給出目標(biāo)物尺寸和方位信息 海底地貌檢測(cè)：提供海底的等高線圖和地理參考數(shù)據(jù)，海圖的繪制。 殘骸搜索：提供失事船只殘骸的詳細(xì)信息堤壩的檢測(cè)：提供堤壩的裂縫信息管道

5、檢測(cè)：對(duì)海底油氣輸送管道進(jìn)行安全檢查橋墩探傷：檢測(cè)受損橋墩的險(xiǎn)情海港檢測(cè)：給出水下目標(biāo)的回聲及運(yùn)動(dòng)軌跡和速度海床檢測(cè)：礦產(chǎn)資源和能源勘探圖1-1 海圖 圖1-2 失事船只殘骸第2章 聲納工作的基本原理 聲納頭發(fā)射聲音波束的頻率是特定的，聲納頭發(fā)射波束，波束經(jīng)過(guò)障礙物反射，聲納頭接收聲音信號(hào)，將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；再通過(guò)RS232協(xié)議將電信號(hào)傳輸至水下光端機(jī)，光端機(jī)把電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，光信號(hào)通過(guò)光纜傳輸至水上光端機(jī)，水上光端機(jī)把光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再通過(guò)RS232協(xié)議傳輸至聲納控制單元，聲納控制單元利用聲納的操作軟件（如Seanet Pro）把聲納頭掃描到的信息以圖像的形式顯示在顯示屏上。在水上，

6、可以通過(guò)操作軟件或控制單元面板控制聲納。標(biāo)準(zhǔn)的聲納水下接頭的是由Tritech提供的6針的接頭，如圖2-4所示。圖2-1 聲納發(fā)射與接收信號(hào) 圖2-2 聲納控制軟件界面圖2-3 聲納工作線路圖2-4 聲納的六針接頭第三章 產(chǎn)品介紹及其應(yīng)用示例3.1 產(chǎn)品介紹3.1.1Gemini 720iGemini 720i是一種緊湊型實(shí)時(shí)高頻sonar，它創(chuàng)設(shè)了多波束成像聲納的新標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化的信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)使Gemini 720i sonar提供清晰的實(shí)時(shí)圖像；一個(gè)集成的聲速計(jì)能進(jìn)行圖像的銳化和精確測(cè)距；聲納數(shù)據(jù)能呈現(xiàn)在Tritech公司的Senet Pro 或Gemini的獨(dú)立操作軟件上。如圖3-1：圖

7、3-1 Gemini 720i系統(tǒng)的主要技術(shù)規(guī)格：工作頻率720KHz聲學(xué)角度分辨率1.0°掃描扇區(qū)120°波束個(gè)數(shù)256有效角度分辨率0.5°垂直波束寬度20°探測(cè)距離 0.2m-120m掃描速率10-30Hz距離分辨率8mm接口規(guī)格：Power consumption35WSupply voltage18-75VDCCommsEthernet(10/100 Base T)or VSDL(with Ethernet 1000Base available)機(jī)械參數(shù)：Depth Rating300m(984ft)Weight in air3.9Kg(8.8

8、2Lb)Weight in water1.2Kg(2.65Lb)Width135mm(5.31)Height110mm(4.33)Depth228mm(8.98)3.1.2 Eclipse Eclipse不僅是一個(gè)多波束測(cè)深系統(tǒng)，還可以安裝在ROV上在2500m水深作為前視導(dǎo)航和三維立體化可視模式系統(tǒng)。它采用延時(shí)式波束形成模式和電子式波束控制系統(tǒng)。它電子掃頻可以獲得1.5°剖面式波束，聲納頭前方120°x45°空間的圖像數(shù)據(jù)可以獲得。并且以10米量程和1°掃頻步進(jìn)速度，Eclipse掃描整個(gè)工作空間不需要1秒。3D模式可以吧測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理嵌入到3

9、D圖像中，圖像包含距離、方位數(shù)據(jù)、水平和垂直距離，以及感興趣的兩個(gè)方位點(diǎn)之間的傾斜角度數(shù)據(jù)。它有兩種模式：剖面模式（120°x1.5°）或前視模式（120°x45°）。Eclipse可以通過(guò)測(cè)距和輔助導(dǎo)航接近目標(biāo)獲得目標(biāo)更詳細(xì)的數(shù)據(jù)資料。如圖3-2： 圖3-2 eclipse系統(tǒng)的主要技術(shù)規(guī)格：工作頻率240kHz波束寬度120°波數(shù)256聲學(xué)角分辨率1.5°有效角分辨率0.5°深度/距離分辨率2.5cm（0,98）最大量程120m（393ft）最小焦距0.4m（1.31ft）掃描速率140Hz5m，7Hz100m物理特性長(zhǎng)

10、342mm（13.5）寬361mm（14.2）高115mm（4.53）重（水中/空氣中）9kg（19.8lb）/19kg（41.9lb）工作深度2500m（8202ft）功率60W電壓20-28VDC通訊Ethernet（100baseT）甲板控制單元：Eclipse使用具有高性能圖像處理功能的專用PC機(jī)作為甲板單元。PC機(jī)安裝有專用于和Eclipse聲納頭通訊的硬件單元和處理軟件。3.1.3 Gemini 720idGemini 720id是繼Gemini 720i之后的又一款前視三維實(shí)時(shí)成像聲納，它的耐壓深度是4000m，波束寬度120°。由于其優(yōu)秀的調(diào)焦能力，它不僅適用于近距離

11、觀察ROV自身的推進(jìn)器而且適用于遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測(cè)。如圖3-3： 圖3-3 Gemini 720id系統(tǒng)的主要技術(shù)規(guī)格：工作頻率720KHz聲學(xué)角度分辨率1.0°掃描扇區(qū)120°波束個(gè)數(shù)256有效角度分辨率0.5°垂直波束寬度20°探測(cè)距離 0.5m-120m掃描速率7-30Hz距離分辨率8mm接口參數(shù)：Power consumption35WSupply voltage18-75VDCCommsEthernet(10/100 Base T)or VSDL(with Ethernet 1000Base available)ConnectorImpulse a

12、s standard,Schilling option available(Schilling seanet)機(jī)械參數(shù)：Depth Rating4000m(13125ft)Weight in Air7.96Kg(17.5lb)Weight in Water3.46Kg(7.6lb)Length318mm(12.5)Diameter145mm(5.7)3.1.4 BLUEVIEW BV5000BLUEVIEW BV5000系列是高分辨率三維實(shí)時(shí)成像聲納目前該系列只要有兩款三維成像聲納：BLUEVIEW BV5000-1350和BLUEVIEW BV5000-2250。如圖3-4：其參數(shù)如下表所示

13、：參數(shù)BLUEVIEW BV5000-1350BLUEVIEW BV5000-2250Frequency1.35MHz2.25MHzMax.Range30m(98ft)10m(33ft)Beam Width1°1°Time Resolution0.031m(1.23in)0.019m(0.74in)Weight in Air21.7lb19.1lbDepth Rating300m(1000ft)300m(1000ft)Width10.5in8.9inHeight9.2in8.6inDepth15.4in15.4inSoftware Leica Cyclone Registe

14、r Leica Cyclone Model Leica Cyclone Register Customer Care Package (CCP) Leica Cyclone Model Customer Care Package (CCP)圖3-4 BLUEVIEW BV5000 圖3-7 gemini720i沉船掃描 圖3-8 BV5000-1350船塢掃描圖3-9 BV5000-2250導(dǎo)管架掃描圖3-10 二維聲吶掃描示例第四章 三維成像聲納的選擇聲納的選擇主要參考聲納的類型、價(jià)格以及以下五個(gè)參數(shù)：深度級(jí)別、頻率、重量、掃描扇區(qū)、通訊接口以及性能。類型二維避障聲納：這種聲納能夠?qū)崿F(xiàn)避障、

15、搜索目標(biāo)以及目標(biāo)確認(rèn)的功能。三維成像聲納：這種聲納在目標(biāo)物與聲納相對(duì)靜止的條件下掃描到清晰的圖像，這種聲納一般運(yùn)用在碼頭、船塢、橋墩等的檢測(cè)中，將這種聲納裝在支架上放到河床上或者淺海海床上，在與目標(biāo)物相對(duì)靜止的條件下拍攝到掃描范圍內(nèi)的情況。簡(jiǎn)單地說(shuō)，這種聲納在零能見(jiàn)度條件下發(fā)揮了相機(jī)的作用，但與相機(jī)有兩點(diǎn)不同：相機(jī)拍攝不到障礙物后面的情況，但是三維成像聲納能夠現(xiàn)實(shí)障礙物后面的情況。相機(jī)拍攝的結(jié)果是既定的，即照片中的內(nèi)容已經(jīng)定格了，但是三維成像聲納掃描得到得圖形能夠隨意翻轉(zhuǎn)，能夠從另外的角度講目標(biāo)物顯示在終端顯示屏上。三維實(shí)時(shí)成像聲納：這種聲納能夠在目標(biāo)物與聲納相對(duì)運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的情況下實(shí)時(shí)地將聲納掃

16、描得到的數(shù)據(jù)以圖像的形式展現(xiàn)在終端顯示器上。如ROV在檢查海管時(shí)，ROV可以沿著管線前進(jìn)，ROV可以掃描到聲納 ；這種聲納能夠掃描到水中游動(dòng)的魚。簡(jiǎn)單地說(shuō)，這種聲納在零能見(jiàn)度條件下能夠想攝像機(jī)一樣拍攝到掃描范圍內(nèi)的情況，但與攝像機(jī)也有兩點(diǎn)不同： 攝相機(jī)拍攝不到障礙物后面的情況，但是三維成像聲納能現(xiàn)實(shí)障礙物后面的情況。 攝相機(jī)拍攝的結(jié)果是既定的，即照片中的內(nèi)容已經(jīng)定格了，但是三維成像聲納掃描得到得圖形能夠隨意翻轉(zhuǎn)，能夠從另外的角度講目標(biāo)物顯示在終端顯示屏上。頻率聲納的頻率越高、波束越窄成像的清晰度就越高，但是對(duì)光纖和光端機(jī)的要求也就越高，ROV命令、反饋信號(hào)、圖像等信號(hào)的傳輸是通過(guò)單模光纖傳播的

17、，單模光纖相比于多模光纖可支持更長(zhǎng)傳輸距離，在100Mbps的以太網(wǎng)，單模光纖都可支持超過(guò)5000m的傳輸距離，載波頻率越大，同一根光纖能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越大，所以三維成像聲納的應(yīng)用一般不會(huì)影響到其它信號(hào)的傳輸。Quantum13、Quantum14、Quantum18、Quantum19鎧甲纜中有六根光纖，Quantum13、Quantum14滑環(huán)中光滑環(huán)只允許兩根光纖，Quantum18、Quantum19滑環(huán)中光滑環(huán)只允許三根光纖，并且一根是TMS的光纜，所以四套設(shè)備用于ROV通訊的光纖各只有兩根，其中一根是備用光纖。聲納圖像信息的容量過(guò)大，單根光纖無(wú)法傳輸時(shí)有兩種方法可以解決：如果光端機(jī)

18、可以同時(shí)對(duì)兩根光纖編碼，可以啟用另一根光纖，一根光纖只傳輸聲納的信號(hào)，另一根傳輸其他信號(hào)。如果光端機(jī)在同一時(shí)刻只能編碼一根光纖上的數(shù)據(jù)，可以應(yīng)用光纖收發(fā)器對(duì)另一根光纖收發(fā)信號(hào)。重量下表中提供的重量參數(shù)中，Gemini 720i、Gemini 720id、Eclipse、Seaking DFS都是聲納自身的重量 ，BV5000系列的兩款聲納的重量包括云臺(tái)的重量。Quantum13、Quantum14、Quantum18、Quantum19都是功率為150馬力的工作級(jí)ROV，所以下表中重量等級(jí)的幾款聲納是可以應(yīng)用的。掃描扇區(qū)根據(jù)ROV工作的需求來(lái)選用相應(yīng)掃描扇區(qū)的聲納。第三章介紹的六款聲納的參數(shù)對(duì)比：Gemini 720iGemini 720idEclipseBV5000-1350BV5000-2250Seakin