三維成像聲納畢業(yè)24357452

1、三維成像聲納畢業(yè)24357452三維成像聲納專業(yè)：光電子技術(shù)與科學(xué)院校：長春理工大學(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)三維成像聲吶的發(fā)展現(xiàn)狀第二章三維成像聲吶的工作原理第三章三維成像聲吶的應(yīng)用第四章三維成像聲納的選擇第五章結(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，海洋開發(fā)日益受到人們的重視。首先，全球能源日益緊張，所以開發(fā)新的能源和空間十分必要，海洋是個(gè)巨大的能源寶庫，具有很大的開發(fā)潛力。其次，我國海岸線綿長，海域遼闊，了解海域特點(diǎn)、海底地形地貌狀況對維護(hù)國家安全很有必要。從上面可以看到成像聲納有著十分廣泛的用途，不僅關(guān)系

2、到軍事方面，而且還關(guān)系到國民經(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，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liiJ聲吶是英文縮寫SONAR”的音譯，其中文全稱為：聲音導(dǎo)航與測距,SoundNavigationAndRanging”是一種利用聲波在水下的傳播特性，通過電聲轉(zhuǎn)換和信息處理，完成水下探測和通訊任務(wù)的電子設(shè)備

3、。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水下目標(biāo)進(jìn)行探測、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。聲吶是各國海軍進(jìn)行水下監(jiān)視使用的主要技術(shù)，用于對水下目標(biāo)進(jìn)行探測、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、海洋石油勘探、船舶導(dǎo)航、水下作業(yè)、水文測量和海底地質(zhì)地貌的勘測等。1.2三維成像技術(shù)通常我們說一個(gè)客觀的世界是三維的，客觀世界的三維圖像通過某種技術(shù)把它記錄下來然后處理、壓縮再傳輸出去，顯示出來，最終在人的大腦中再現(xiàn)客觀世界的圖像

4、，這個(gè)過程就是三維成像技術(shù)的全過程。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)。聲視覺導(dǎo)航：給出目標(biāo)物尺寸和方位信息海底地貌檢測：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：提供堤壩的裂縫信息管道檢測：對海底油氣輸送管道進(jìn)行安

5、全檢查橋墩探傷：檢測受損橋墩的險(xiǎn)情海港檢測：給出水下目標(biāo)的回聲及運(yùn)動(dòng)軌跡和速度海床檢測：礦產(chǎn)資源和能源勘探圖1-1海圖圖1-2失事船只殘第二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SeanetPro）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，可以通過操作軟件或控制單元面板控制聲納。標(biāo)準(zhǔn)

6、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1ARCNET-A(RS-232Tx)ARCNET-B(RS-232Fix)+24vDC(i-24vDC)OvDC(OvDG)(RS-232Grid)HEADCHASSISYellowBlueRedBlackGreenScreen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3.1.1Gemini720iGemini720i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Gemini720isonar提

7、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距;聲納數(shù)據(jù)能呈現(xiàn)在Tritech公司的SenetPro或Gemini的獨(dú)立操作軟件上。如圖3-1：圖3-1Gemini720i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探測距離0.2m-120m掃描速率10-30Hz距離分辨率8mm接口規(guī)格：Powerconsumption35WSupplyvoltage18-75VDCCommsEthernet(10/100BaseT)orVSDL(withEthernet1000Baseavailable)機(jī)械參數(shù)：

8、DepthRating300m(984ft)Weightinair39Kg(8.82Lb)Weightinwater12Kg(265Lb)Width135mm(531)Height110mm(433)Depth228mm(898)3.1.2EclipseEclipse不僅是一個(gè)多波束測深系統(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15。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模式可以吧測量數(shù)據(jù)進(jìn)行

9、數(shù)字化處理嵌入到3D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可以通過測距和輔助導(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3-2eclipse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342mm(13.5)寬361mm(14.2)高115mm(4.5

10、3)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。Gemini720idGemini720id是繼Gemini720i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觀察ROV自身的推進(jìn)器而且適用于遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測。如圖3-3：圖3-3Gemini720id系統(tǒng)的

11、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探測距離0.5m-120m掃描速率7-30Hz距離分辨率8mm接口參數(shù)：Powerconsumption35WSupplyvoltage18-75VDCCommsEthernet(10/100BaseT)orVSDL(withEthernet1000Baseavailable)ConnectorImpulseasstandard,Schillingoptionavailable(SchiUingseanet)機(jī)械參數(shù)：DepthRating4000m(13125ft)Weigh

12、tinAir7.96Kg(17.5lb)WeightinWater346Kg(76lb)Length318mm(125)Diameter145mm(57)BLUEVIEWBV5000BLUEVIEWBV5000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：BLUEVIEWBV5000-1350和BLUEVIEWBV5000-2250。如圖3-4：其參數(shù)如下表所示：參數(shù)BLUEVIEWBV5000-1350BLUEVIEWBV5000-2250Frequency1.35MHz2.25MHzMax.Range30m(98ft)10m(33ft)BeamWidth11TimeRes

13、olution0.031m(1.23in)0.019m(0.74in)WeightinAir21.7lb19.1lbDepthRating300m(1000ft)300m(1000ft)Width10.5in8.9inHeight9.2in&6inDepth15.4in15.4inSoftwareLeicaCycloneRegisterLeicaCycloneModelLeicaCycloneRegisterCustomerCarePackage(CCP)LeicaCycloneModelCustomerCarePackage(CCP)3,SOhLASFORCONNECTOR3.PAN&TIL

14、TCOHNgCTOftCLAMPREFERTOTHEPAH&TUTINSTALLATIONSECTIONFO!R閩QLi村TINEiN5TftUCTQ5NOTEOR1ENTAHOI4OFSOI4AR圖3-4BLUEVIEWBV5000圖3-7gemini720i沉船掃描圖3-8BV5000-1350船塢掃描Bottom|曲adp;anVCFC臉i疊:號(hào)M苗BFaiMULetsoffishatvisibilityFayerROVScanPointmMrftab嘰WL沁T*=21圖YT11dtadj0用腸衛(wèi)呱|HrtUb21-ilL翠“I曲MariiJti也陽-鮎|心側(cè)1肋旳,&1.-LMh,|i

15、鼻電juh圖3-9BV5000-2250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、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)物相對靜止的條件下拍攝到掃描范圍內(nèi)的情況。簡單地說，這種聲納在零能見度條件下發(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

16、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)物與聲納相對運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的情況下實(shí)時(shí)地將聲納掃描得到的數(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。簡單地說，這種聲納在零能見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)

17、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)的傳輸是通過單模光纖傳播的，單模光纖相比于多模光纖可支持更長傳輸距離，在100Mbps的以太網(wǎng)，單模光纖都可支持超過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

18、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大，單根光纖無法傳輸時(shí)有兩種方法可以解決：如果光端機(jī)可以同時(shí)對兩根光纖編碼，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，Gemini720i、Gemini720id、Eclipse、SeakingDFS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