一種海底可視化監(jiān)控裝置自動(dòng)保存的

-.z海底可視化監(jiān)控裝置摘要海底可視化監(jiān)控裝置對海洋科學(xué)的開展有著極其重要的作用，它把采集到的物理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形、圖像，并給數(shù)據(jù)賦予顏色，以及改變觀察角度等多種方式呈現(xiàn)海洋信息的各種特征。然而，實(shí)際生產(chǎn)過程中，海洋環(huán)境的信息量非常巨大，僅僅依靠一個(gè)簡單的攝像設(shè)備很難實(shí)現(xiàn)對海底多種信息的有效采集。因此，研究一套高效可行的海底可視化監(jiān)控技術(shù)顯得尤為重要。為了滿足深海可視化的技術(shù)要求，對遠(yuǎn)洋深海實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、可視化監(jiān)控，開發(fā)研究的一套海底可視化監(jiān)控裝置，從深海攝像水下單元構(gòu)造、深海攝像甲板單元框架設(shè)計(jì)、電源轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)、通訊控制艙設(shè)計(jì)、海底照明設(shè)備選型、海底監(jiān)控設(shè)備選型、下潛深度信息采集、顯示界面與數(shù)據(jù)處理等8個(gè)方面分析和描述海底可視化監(jiān)控方案;該系統(tǒng)通過高精度的數(shù)據(jù)采集裝置，獲取安裝在深海監(jiān)控裝置上的水壓，水流，溫度，流量等傳感器的信息，實(shí)時(shí)顯示水下單元圖像信息、離底高度信息和相對于船體的位置信息，并可通過人機(jī)交互的方式發(fā)送信息，用多種通訊模塊將消息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集中心，再通過同軸電纜或光電復(fù)合纜傳遞至Intranet,實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)洋深海實(shí)時(shí)監(jiān)控。關(guān)鍵詞：通訊控制；信息采集；監(jiān)控；接口設(shè)計(jì)；深海；電源轉(zhuǎn)換第1章緒論1.1論文的研究背景海洋是生命的搖籃，是交通的命脈，同時(shí)它蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源，生物資源。隨著全球經(jīng)濟(jì)飛速開展，需求量不斷增加，陸地資源的日益短缺，海洋自愿的開發(fā)引起各國越來越多的重視。全球資源開發(fā)的重點(diǎn)已經(jīng)逐漸轉(zhuǎn)向海洋。但是，海洋的環(huán)境復(fù)雜、惡劣，這對海底的勘探照成諸多困難，人們無法直接認(rèn)識分析海底的地質(zhì)特征和海底現(xiàn)象，往往需要進(jìn)展大量的多學(xué)科海洋地質(zhì)調(diào)查活動(dòng)才能獲取海底信息，使得深海作為一個(gè)與人們未來開展密不可分的載體，卻從來都沒有被人們充分認(rèn)識過。為了更好的認(rèn)識海洋，更直觀的獲取海洋中的信息，各國專家也在傾盡全力探索。如今計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、多媒體技術(shù)和通用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速開展，“可視化〞這一概念就被提了出來，可視化系統(tǒng)可以讓調(diào)查人員如同親臨海底般，直接對海底的地形地貌進(jìn)展目測觀察。同時(shí)，配合其他海洋技術(shù)的深海攝像系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對海底目標(biāo)的定點(diǎn)取材和可視化采樣，更直觀的，更高效的獲取海洋中的信息，大大拓展海洋調(diào)查的功能，提高工作效率，更為直觀高效的特點(diǎn)讓海底可視化監(jiān)控系統(tǒng)在地質(zhì)調(diào)查，海洋科考中占有很大地位。可視化原本定義為本來不可見的東西變成可見的圖形、圖像等視覺效果的過程，這個(gè)過程提供了靜態(tài)圖形顯示和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析和判斷，促進(jìn)對事物的觀察和建立相關(guān)的概念。數(shù)據(jù)用圖像、圖形、二維、三維圖形與動(dòng)畫等多種形式來表示，對其模式和相關(guān)關(guān)系進(jìn)展可視化分析。由于科學(xué)的計(jì)算可以將計(jì)算結(jié)果用圖形的形式表現(xiàn)出來，因而許多難以理解的原理變得容易理解，許多繁雜的數(shù)據(jù)變得生動(dòng)有趣。可視化可以表達(dá)的數(shù)據(jù)規(guī)律，變化和相關(guān)關(guān)系，目前已在各個(gè)學(xué)科中得到廣泛運(yùn)用。1.2海底可視技術(shù)國內(nèi)外開展現(xiàn)狀科學(xué)計(jì)算可視化自提出以來，在各工程和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和開展?？梢暬?Visualization)是指利用計(jì)算機(jī)圖形和圖像處理技術(shù)，將測量獲得的數(shù)值，圖像或者技術(shù)中涉及、產(chǎn)生的數(shù)字信息變得更為直觀、以圖形信息表現(xiàn)出來、隨著時(shí)間、空間變化的物理現(xiàn)象或物理量形象的呈現(xiàn)在研究者的面前，使他們能夠觀察、模擬和計(jì)算。近幾年計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的飛速開展使得三維表現(xiàn)技術(shù)得以形成，這些三維表現(xiàn)技術(shù)使得人們能夠再現(xiàn)三維世界的物體，能夠用三維形體表現(xiàn)復(fù)雜信息，這種技術(shù)就是可視化技術(shù)。如今，主要臨近海洋的各個(gè)國家都在積極推進(jìn)“海洋可視化〞的建立，如美國、俄羅斯、英、法、德等。自“海洋可視化〞設(shè)想被提出之后，以美國為代表的興旺國家已經(jīng)對海洋的研究開展了大量的工作。很多海洋機(jī)構(gòu)都作為重要成員參加了聯(lián)邦政府機(jī)構(gòu)數(shù)字地球工作組等組織。目前支持海洋數(shù)據(jù)仿真和可視化的平臺系統(tǒng)主要有美國的GoogleOcean、WorldWind、EV-Globle等。2009年初，Google公司推出GoogleOcean，與GoogleEarth相比，主要增加了海洋信息的支持，是一款面向公眾用戶的海洋應(yīng)用軟件系統(tǒng)。Google公司與NODC、美國國家地理、世界自然保護(hù)聯(lián)盟等機(jī)構(gòu)合作，獲取了全球*圍的與海洋相關(guān)的地理、環(huán)境、歷史、人文等各類豐富的海洋信息，借助衛(wèi)星和海洋探測技術(shù)。能夠讓用戶看到虛擬的世界各地海洋和海底全貌。系統(tǒng)提供良好的信息交互接口，普通用戶可以上傳信息，提高了交互能力和用戶參與度。WorldWind是由NASA阿莫斯研究中心的科研人員開發(fā)的開放源代碼平臺。通過一系列演示動(dòng)畫來模擬全球季節(jié)變遷、大洋溫度變化、颶風(fēng)動(dòng)態(tài)等全球活動(dòng)。WorldWind還包含shape數(shù)據(jù)，如全部的國界、經(jīng)緯線等以及其他參考測層，還具有將接收來自GPS的數(shù)據(jù)并在三維地球上顯示的能力。EV-Globle是具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代海量空間信息效勞平臺，由國遙新天地開發(fā)的，主要實(shí)現(xiàn)了對海洋相關(guān)的應(yīng)用，涉及動(dòng)態(tài)海水仿真、海洋要素可視化等，包括模擬真實(shí)的海水效果和海洋不同深度的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)展可視化表達(dá)，在海洋軍事、海洋環(huán)境監(jiān)測、海上鉆井平臺管理等領(lǐng)域也取得了一定的應(yīng)用效果。“深?？梢暬曄到y(tǒng)是依據(jù)數(shù)字海洋的概念并結(jié)合我國對數(shù)字海洋建立戰(zhàn)略的部署而設(shè)計(jì)的，主要是為了實(shí)現(xiàn)了多種海洋要素的可視化，包括海底、水體、水面等，提供海洋現(xiàn)象的可視化表達(dá)。該系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)傳輸和存儲技術(shù)、數(shù)據(jù)融合同化技術(shù)、各類海洋應(yīng)用模型等技術(shù)，把多源海洋數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可理解的信息。1.2.1國外海洋可視化的研究進(jìn)度20世紀(jì)60年代后，海洋數(shù)據(jù)和信息極為豐富，造成“數(shù)據(jù)與信息爆炸〞。美國海洋學(xué)家Manley與動(dòng)態(tài)圖形軟件學(xué)家Tallet合作，并且討論物理海洋數(shù)據(jù)和化學(xué)海洋數(shù)據(jù)的真三維建模和可視化。1996年FAO出版的漁業(yè)技術(shù)討論集，指出海洋漁業(yè)數(shù)據(jù)庫的時(shí)空變化、模糊環(huán)境、統(tǒng)計(jì)變量制圖等方法。1999年Taylor安定Francis出版的MarineandCoastalgeographicalInformationSystem一書，內(nèi)容包含海洋數(shù)據(jù)的表達(dá)，分析和可視化。海底可視技術(shù)可以直接觀測海底地形地貌、生物群落、外表沉積物的調(diào)查手段。目前國內(nèi)外用于海底攝像1.2.2國內(nèi)海洋可視化的研究進(jìn)度二十世紀(jì)90年代初，陳述彭院士就竭力倡導(dǎo)海洋GIS的研究與開發(fā)，并提出“以海岸線為基鏈的全球數(shù)據(jù)庫〞的設(shè)想。90年代中，我國開展的海岸帶空間應(yīng)用系統(tǒng)預(yù)研究，國家海洋信息系統(tǒng)以累積的海洋數(shù)據(jù)資料，對大量海洋數(shù)據(jù)進(jìn)展管理和開發(fā)。力**現(xiàn)深?？梢暬?。1.3課題研究目的和意義海底可視化作為一種有效認(rèn)識海洋和研究海洋的方法，在數(shù)字海洋中得到廣泛的應(yīng)用，為高效解釋和處理分析海洋數(shù)據(jù)提供了一種不一樣的途徑；豐富海洋信息交流的手段，信息交流不再局限于文字和語言，可以采取直接的圖形、圖像、動(dòng)畫等可視化信息提醒數(shù)據(jù)的本質(zhì)和性質(zhì)特征；提供視覺計(jì)算與及時(shí)信息反響技術(shù)使人們能對中間計(jì)算結(jié)果進(jìn)展解釋，及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。海底可視化監(jiān)控可以顯示海洋內(nèi)部屬性,幫助提醒海洋生物魚類的生活環(huán)境和行為,可以發(fā)現(xiàn)海洋生物棲息地和調(diào)查勘探海洋資源。如，通過對海洋溫度和海洋鹽度的可視化分析，能夠發(fā)現(xiàn)海洋中強(qiáng)冷池或者高鹽度的區(qū)域，通常此區(qū)域會(huì)聚集大量海洋捕食者〔包括無脊椎動(dòng)物和浮游魚〕?；谕话l(fā)事件發(fā)生地風(fēng)場流場，漁場，溫度場等背景，實(shí)時(shí)檢測信息，建立各類海洋突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案，可實(shí)現(xiàn)可視化動(dòng)態(tài)表達(dá)。利用海洋數(shù)據(jù)資源，集成海洋數(shù)值模擬，GIS空間分析模型，海洋現(xiàn)象可視化表達(dá)等各類海洋科研應(yīng)用模型，研發(fā)虛擬海洋科研體驗(yàn)場，為科學(xué)研究一共虛擬化平臺。1.4本文研究方法與目標(biāo)第一章對國內(nèi)外海底可視技術(shù)開展背景、現(xiàn)狀進(jìn)展回憶和展望，分析了國內(nèi)外海洋可視化研究進(jìn)度,課題的研究目的與意義，包括對海洋虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境構(gòu)建的支持，真實(shí)環(huán)境下海洋數(shù)據(jù)可視化的實(shí)現(xiàn)等等，以及主流科學(xué)可視化方向的體繪制和流線繪制技術(shù)。簡要介紹了本文涉及和實(shí)現(xiàn)的針對海洋三維圖形可視化引擎i4Ocean的主要研究內(nèi)容和目標(biāo)。第二章詳細(xì)介紹i4Ocean引擎的設(shè)計(jì)目標(biāo)和系統(tǒng)架構(gòu)。引擎采用適合海洋應(yīng)用需求的模型—視圖—適配器—特效〔Model-View-Adapter-Effect〕框架模式搭建底層架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了界面、交互、功能和特效的封裝。i4Ocean核心模塊主要包括內(nèi)資源管理、場景管理、渲染流程管理和交互管理四大功能模塊，為用戶和開發(fā)者提供實(shí)時(shí)交互的三維海陸一體真實(shí)環(huán)境搭建，多維多源海洋數(shù)據(jù)可視化的根本功能。最后，講解了使用引擎快速搭建海洋可視化仿真的平臺和擴(kuò)展用戶功能的步驟。第三章介紹了引擎的海洋數(shù)據(jù)時(shí)空模型和海洋可編程特效的實(shí)現(xiàn)。引擎針對海洋數(shù)據(jù)的多源多時(shí)態(tài)特點(diǎn)，將其劃分為海洋時(shí)空對象和海洋特征對象，并在引擎中進(jìn)展抽象表達(dá)。另外，為了支持復(fù)雜海洋場景特效和海洋數(shù)據(jù)可視化繪制效果，引擎提供了一種基于文件的特效管理方式。用戶可以創(chuàng)立和修改自己的特效文件，使用時(shí)引擎自動(dòng)加載這些文件并在繪制對象渲染過程中使用。第四章介紹在引擎支持下，海洋數(shù)據(jù)三維動(dòng)態(tài)可視化的關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)。第二章第一節(jié)海底可視化監(jiān)控系統(tǒng)的水下框架設(shè)計(jì)針對海底攝像系統(tǒng)的安裝環(huán)境與具體的技術(shù)需求，本次海底攝像系統(tǒng)將充分利用不銹鋼和光電復(fù)合纜的特性實(shí)現(xiàn)海底攝像系統(tǒng)的水下攝像需求和光纖通訊，具體方案如圖主要包括：2.1下潛深度和防水耐壓處理由于水下各部件的水深指標(biāo)和價(jià)格有一定的對應(yīng)關(guān)系，深度越深，對各部件的防水耐壓性能要求越高，各部件防水耐壓投入本錢越高，因此，從性能，價(jià)格和需求三方面綜合考慮下本套系統(tǒng)下潛深度定為6000m級。這樣既能滿足大洋科考的要求，又能獲得較高的性價(jià)比。6000m的海水壓力將到達(dá)60MPa,為了保證水下框架系統(tǒng)中各元部件，電子電路正常運(yùn)行，按照實(shí)際功能設(shè)計(jì)制作了3個(gè)封閉的耐壓電子倉〔電源倉、數(shù)據(jù)采集與控制倉、通訊控制倉〕并提供必要的光電接口與光電復(fù)合纜、水下攝像頭、照明燈、高度計(jì)等水下部件的對接，同時(shí)倉內(nèi)元器件和電路板的安裝也重點(diǎn)考慮了在沖擊震動(dòng)環(huán)境下的適應(yīng)能力。2.2光電復(fù)合纜接口設(shè)計(jì)如圖一所示,深海攝像系統(tǒng)船上單元的纜端接口需要將電源轉(zhuǎn)換模塊以及光纖通訊模塊對接，而水下單元的纜端接口因?yàn)樯婕俺兄?、水密、耐壓以及供電和通訊的要求，需要用到?jiān)實(shí)的材料。圖一光纖通訊是本套海底攝像系統(tǒng)的核心和最重要的環(huán)節(jié)，由于光纖在信號傳輸中的優(yōu)勢，可將水下攝像頭所采集的海底圖像不經(jīng)過壓縮處理直接傳到海上甲板單元，同時(shí)在光纖傳輸中甲板單元和水下單元的各類測控信號不會(huì)受到影響。由于甲板單元和水下單元的測控信號均采用電信號進(jìn)展數(shù)據(jù)采集，控制和通訊，因此光纖通訊設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是選擇適宜的光端機(jī)進(jìn)展光電轉(zhuǎn)換，尤其是水下單元所用的光端機(jī)因?yàn)殚L時(shí)間工作在較低的低溫環(huán)境并且伴隨震動(dòng)沖擊，為了防止托體和海底撞擊造成的光纖連接端故障采用多纖備份設(shè)計(jì)方案。及時(shí)在一條光纖通路完全故障的情況下也能實(shí)現(xiàn)光纖通路的快速切換，保證了視頻信號和測控信號遠(yuǎn)距離傳輸?shù)目煽啃浴?.3攝像設(shè)備的選型由于本次攝像設(shè)備要求在下潛深度定為6000m級海水壓力將到達(dá)60MPa,而且要求海底高精度的圖片質(zhì)量,因此選擇了5m*圍內(nèi)可快速自動(dòng)聚焦的彩色攝像頭3只，清晰度為560Line/0.1lu*,與單個(gè)攝像頭相比，多個(gè)攝像頭可以實(shí)現(xiàn)不同角度的海底攝像，便于形成立體圖像，為后期計(jì)算機(jī)圖像成像創(chuàng)造可能；560line的清晰度在不經(jīng)過壓縮處理存儲文件大小約為2GB，完全滿足計(jì)算機(jī)后期圖像處理的要求。攝像設(shè)備供電電源：交流AC100~240V，50/60Hz，<300W〔24-36VDC直流電源輸入型可選〕，視頻輸出制式：PAL或NTSC，攝像設(shè)備電源由攝像設(shè)備背后控制箱控制，控制箱提供電源信號處理，視頻輸出，各種推進(jìn)器測試和傳感器控制，信息日期時(shí)間等顯示字符視頻疊加。2.4水下照明燈選型水下照明燈水下照明燈的光源形式主要有兩種，分為鹵素型和LED型，鹵素光源雖然在一樣功率下很難到達(dá)LED光源的亮度，但由于鹵素光譜較LED光源寬，能獲得更加逼真的彩色圖像，因此深海攝像中選擇了3盞鹵素照明燈。拖體距海底6000m左右拖曳式前進(jìn)時(shí)，鹵素照明燈即可獲得較好的照度效果，而使用3盞照明燈從不同的角度入射，也可在一定程度上消除陰影。2.5水下高度計(jì)選型深海高度計(jì)是用來探測設(shè)備距離海底的高度，以保證設(shè)備正常平安的著地，信息采集更為全面,如本系統(tǒng)的深海陸地信息采集需要工作在預(yù)定的海底高度進(jìn)展正常的探測作業(yè)，所以深海高度計(jì)是深海探測作業(yè)必不可少的一個(gè)傳感器設(shè)備。本系統(tǒng)用到的高度計(jì)是基于單波束水下測距聲納的工作原理而設(shè)計(jì)的。高度計(jì)選用TRITECH的PA500.PA500是一款高性能的電子設(shè)備聲納分析儀器,可以提供準(zhǔn)確的高度距離測量.PA500采用發(fā)送和接收數(shù)字合成技術(shù),極大的提高了測量的動(dòng)態(tài)*圍,并且可以同時(shí)提供數(shù)字和模擬兩種不同的輸出方式.PA500最小量程為0.01米,最大量程200米,滿足工程的要求,主要技術(shù)參數(shù)如下:表3PA500主要技術(shù)參數(shù)通訊協(xié)議RS232/RS485數(shù)字分辨率1mm模擬分辨率0.025%測量*圍6000m長度160mm空氣中重量1kg水中重量0.8kgPA500開啟后通過RS232接口不斷發(fā)送數(shù)據(jù)，格式為***.**m/r/n(*=0~9)。ARM嵌入系統(tǒng)單獨(dú)開啟一個(gè)線程專門接收該高度計(jì)信號。2.5.1水下高度計(jì)安裝位置本次定位系統(tǒng)包含兩個(gè)局部一局部安裝在海面船只甲板單元，安裝在甲板單元的收發(fā)器〔transducer〕,另一局部為應(yīng)答器，安裝在水下框架內(nèi)部海底分布如下列圖：t:換能器；R1，R2，R3：測量距離；圖海底定位示意圖由上圖所示，本套海底定位系統(tǒng)甲板單元由3個(gè)以上換能器組成，換能器的陣型為三角形或四邊形,組成聲基陣。換能器之間的距離一般為10m左右,換能器之間的相互關(guān)系可以準(zhǔn)確測定,組成聲基陣的坐標(biāo)系,基陣坐標(biāo)系與船坐標(biāo)系的相互關(guān)系可由常規(guī)測量方法確定。短基線系統(tǒng)的測量方式是由一個(gè)換能器發(fā)射,所有換能器接收,得到一個(gè)斜距觀測值與不同于這個(gè)觀測值的多個(gè)斜距值,系統(tǒng)根據(jù)基陣相對船坐標(biāo)系的固定關(guān)系,配外部傳感器觀測值,如GPS、MRU、Gyro提供的船的位置、姿態(tài)、船艏向值,計(jì)算得到目標(biāo)的大地坐標(biāo)。2.5.2水下高度計(jì)使用頻率通常定位系統(tǒng)的頻率選擇是根據(jù)使用的*圍和要求的精度來確定,一般情況下頻率越高精度越高。如表2所示定位系統(tǒng)的頻率和作用距離的關(guān)系。表2頻率波段與作用距離頻率分類頻率*圍最大作用距離低頻-LF〔lowfrequncy〕8～16kHz>10km中頻—MF(mediumfrequency)18～36kHz2～3km高頻—HF(highfrequency)30～60kHz1.5km超高頻-EHF(e*trahighfrequency)50~110KHz<1km2.5.3定位精度與誤差分析描述高度定位系統(tǒng)的定位精度有很多種,比方絕對測量精度、復(fù)測量精度、相對測量精度、分辨率等。影響定位精度的誤差因素有多種,如水面定位系統(tǒng)、船體測量設(shè)備、船艏向測量設(shè)備的測量誤差、環(huán)境噪聲的影響、系統(tǒng)測角和測距等。本次高度定位系統(tǒng)采用聲學(xué)的定位，定位精度可由以下公式評估:σ2USBL=Rσ2θ+Rσ2GYRO+Rσ2＆+Rσ2MRU+σ2R+σ2GPS式中,σUSBL為超短基線的總誤差;σθ為水平角測量誤差;σGYRO為電羅經(jīng)測量誤差;σ＆為超短基線仰角測量誤差;σMRU為姿態(tài)傳感器測角誤差;σR為超短基線測距誤差;σGPS為水面船只GPS測量誤差;R為測量斜距。水深〔m〕圖不同測量精度的姿態(tài)傳感器產(chǎn)生的定位誤差