三维成像声纳毕业论文1.doc

三维成像声纳专 业： 光电子技术与科学 院 校：长春理工大学光电信息学院 目录摘要第一章 声呐1.1 声呐的概述1.2 三维成像技术1.3 三维成像声呐的发展现状第2章 三维成像声呐的工作原理 第3章 三维成像声呐的应用第4章 三维成像声纳的选择第5章 结论和展望摘要 声纳的发展背景：海洋蕴藏着丰富的矿产和能源，同时又具有重要的军事地位，海洋开发日益受到人们的重视。首先，全球能源日益紧张，所以开发新的能源和空间十分必要，海洋是个巨大的能源宝库，具有很大的开发潜力。其次，我国海岸线绵长，海域辽阔，了解海域特点、海底地形地貌状况对维护国家安全很有必要。从上面可以看到成像声纳有着十分广泛的用途，不仅关系到军事方面，而且还关系到国民经济生活发展的很多方面，所以研究和发展成像声纳十分必要和迫切。三维成像声纳所使用的可视化技术，将大量枯燥的数据以生动的立体图形图像的方式表现出来，使人们能够对声纳数据进行更直观的解释和分析，提高水下探测的工作效率。借助成熟的三维显示技术，三维图形可被缩放、移动和转动、测距，以便工作人员可以从各种视角更好地进行观察和理解，提供准确、科学的依据。1.1声呐的概述 声呐是英文缩写“sonar”的音译，其中文全称为：声音导航与测距，sound navigation and ranging”是一种利用声波在水下的传播特性，通过电声转换和信息处理，完成水下探测和通讯任务的电子设备。它有主动式和被动式两种类型，属于声学定位的范畴。声呐是利用水中声波对水下目标进行探测、定位和通信的电子设备，是水声学中应用最广泛、最重要的一种装置。 声呐是各国海军进行水下监视使用的主要技术，用于对水下目标进行探测、分类、定位和跟踪；进行水下通信和导航，保障舰艇、反潜飞机和反潜直升机的战术机动和水中武器的使用。此外，声呐技术还广泛用于鱼雷制导、水雷引信，以及鱼群探测、海洋石油勘探、船舶导航、水下作业、水文测量和海底地质地貌的勘测等。 1.2三维成像技术通常我们说一个客观的世界是三维的，客观世界的三维图像通过某种技术把它记录下来然后处理、压缩再传输出去，显示出来，最终在人的大脑中再现客观世界的图像，这个过程就是三维成像技术的全过程。 1.3 三位成像声纳的发展现状三维成像声纳与普通的多波数声纳的区别，在于它具有更高的分辨率，从而可以提供水下目标外形轮廓的更多细节描述。高分辨率成像声纳在对水下目标进行成像时，能够提供非常优秀的图像质量，从而可以对目标进一步地跟踪和识别。目前最前沿的三维成像声纳是以声透镜技术为基础，它能提供目标的实时动态视频图像，质量小、尺寸小，可以装载到各种auv、rov上进行水下作业。 声视觉导航：给出目标物尺寸和方位信息 海底地貌检测：提供海底的等高线图和地理参考数据，海图的绘制。 残骸搜索：提供失事船只残骸的详细信息堤坝的检测：提供堤坝的裂缝信息管道检测：对海底油气输送管道进行安全检查桥墩探伤：检测受损桥墩的险情海港检测：给出水下目标的回声及运动轨迹和速度海床检测：矿产资源和能源勘探图1-1 海图 图1-2 失事船只残骸第2章 声纳工作的基本原理 声纳头发射声音波束的频率是特定的，声纳头发射波束，波束经过障碍物反射，声纳头接收声音信号，将其转化为电信号；再通过rs232协议将电信号传输至水下光端机，光端机把电信号转化为光信号，光信号通过光缆传输至水上光端机，水上光端机把光信号转化为电信号，再通过rs232协议传输至声纳控制单元，声纳控制单元利用声纳的操作软件（如seanet pro）把声纳头扫描到的信息以图像的形式显示在显示屏上。在水上，可以通过操作软件或控制单元面板控制声纳。标准的声纳水下接头的是由tritech提供的6针的接头，如图2-4所示。图2-1 声纳发射与接收信号 图2-2 声纳控制软件界面图2-3 声纳工作线路图2-4 声纳的六针接头第三章 产品介绍及其应用示例3.1 产品介绍3.1.1gemini 720igemini 720i是一种紧凑型实时高频sonar，它创设了多波束成像声纳的新标准，优化的信号处理电路设计使gemini 720i sonar提供清晰的实时图像；一个集成的声速计能进行图像的锐化和精确测距；声纳数据能呈现在tritech公司的senet pro 或gemini的独立操作软件上。如图3-1：图3-1 gemini 720i系统的主要技术规格：工作频率720khz声学角度分辨率1.0扫描扇区120波束个数256有效角度分辨率0.5垂直波束宽度20探测距离 0.2m-120m扫描速率10-30hz距离分辨率8mm接口规格：power consumption35wsupply voltage18-75vdccommsethernet(10/100 base t)or vsdl(with ethernet 1000base available)机械参数：depth rating300m(984ft)weight in air3.9kg(8.82lb)weight in water1.2kg(2.65lb)width135mm(5.31)height110mm(4.33)depth228mm(8.98)3.1.2 eclipse eclipse不仅是一个多波束测深系统，还可以安装在rov上在2500m水深作为前视导航和三维立体化可视模式系统。它采用延时式波束形成模式和电子式波束控制系统。它电子扫频可以获得1.5剖面式波束，声纳头前方120x45空间的图像数据可以获得。并且以10米量程和1扫频步进速度，eclipse扫描整个工作空间不需要1秒。3d模式可以吧测量数据进行数字化处理嵌入到3d图像中，图像包含距离、方位数据、水平和垂直距离，以及感兴趣的两个方位点之间的倾斜角度数据。它有两种模式：剖面模式（120x1.5）或前视模式（120x45）。eclipse可以通过测距和辅助导航接近目标获得目标更详细的数据资料。如图3-2： 图3-2 eclipse系统的主要技术规格：工作频率240khz波束宽度120波数256声学角分辨率1.5有效角分辨率0.5深度/距离分辨率2.5cm（0,98）最大量程120m（393ft）最小焦距0.4m（1.31ft）扫描速率140hz5m，7hz100m物理特性长342mm（13.5）宽361mm（14.2）高115mm（4.53）重（水中/空气中）9kg（19.8lb）/19kg（41.9lb）工作深度2500m（8202ft）功率60w电压20-28vdc通讯ethernet（100baset）甲板控制单元：eclipse使用具有高性能图像处理功能的专用pc机作为甲板单元。pc机安装有专用于和eclipse声纳头通讯的硬件单元和处理软件。3.1.3 gemini 720idgemini 720id是继gemini 720i之后的又一款前视三维实时成像声纳，它的耐压深度是4000m，波束宽度120。由于其优秀的调焦能力，它不仅适用于近距离观察rov自身的推进器而且适用于远距离目标探测。如图3-3： 图3-3 gemini 720id系统的主要技术规格：工作频率720khz声学角度分辨率1.0扫描扇区120波束个数256有效角度分辨率0.5垂直波束宽度20探测距离 0.5m-120m扫描速率7-30hz距离分辨率8mm接口参数：power consumption35wsupply voltage18-75vdccommsethernet(10/100 base t)or vsdl(with ethernet 1000base available)connectorimpulse as standard,schilling option available(schilling seanet)机械参数：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系列是高分辨率三维实时成像声纳目前该系列只要有两款三维成像声纳：blueview bv5000-1350和blueview bv5000-2250。如图3-4：其参数如下表所示：参数blueview bv5000-1350blueview bv5000-2250frequency1.35mhz2.25mhzmax.range30m(98ft)10m(33ft)beam width11time 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 register leica cyclone model leica cyclone register customer care package (ccp) leica cyclone model customer care package (ccp)图3-4 blueview bv5000 图3-7 gemini720i沉船扫描 图3-8 bv5000-1350船坞扫描图3-9 bv5000-2250导管架扫描图3-10 二维声呐扫描示例第四章 三维成像声纳的选择声纳的选择主要参考声纳的类型、价格以及以下五个参数：深度级别、频率、重量、扫描扇区、通讯接口以及性能。类型二维避障声纳：这种声纳能够实现避障、搜索目标以及目标确认的功能。三维成像声纳：这种声纳在目标物与声纳相对静止的条件下扫描到清晰的图像，这种声纳一般运用在码头、船坞、桥墩等的检测中，将这种声纳装在支架上放到河床上或者浅海海床上，在与目标物相对静止的条件下拍摄到扫描范围内的情况。简单地说，这种声纳在零能见度条件下发挥了相机的作用，但与相机有两点不同：相机拍摄不到障碍物后面的情况，但是三维成像声纳能够现实障碍物后面的情况。相机拍摄的结果是既定的，即照片中的内容已经定格了，但是三维成像声纳扫描得到得图形能够随意翻转，能够从另外的角度讲目标物显示在终端显示屏上。三维实时成像声纳：这种声纳能够在目标物与声纳相对运动运动的情况下实时地将声纳扫描得到的数据以图像的形式展现在终端显示器上。如rov在检查海管时，rov可以沿着管线前进，rov可以扫描到声纳 ；这种声纳能够扫描到水中游动的鱼。简单地说，这种声纳在零能见度条件下能够想摄像机一样拍摄到扫描范围内的情况，但与摄像机也有两点不同： 摄相机拍摄不到障碍物后面的情况，但是三维成像声纳能现实障碍物后面的情况。 摄相机拍摄的结果是既定的，即照片中的内容已经定格了，但是三维成像声纳扫描得到得图形能够随意翻转，能够从另外的角度讲目标物显示在终端显示屏上。频率声纳的频率越高、波束越窄成像的清晰度就越高，但是对光纤和光端机的要求也就越高，rov命令、反馈信号、图像等信号的传输是通过单模光纤传播的，单模光纤相比于多模光纤可支持更长传输距离，在100mbps的以太网，单模光纤都可支持超过5000m的传输距离，载波频率越大，同一根光纤能够传输的数据量越大，所以三维成像声纳的应用一般不会影响到其它信号的传输。quantum13、quantum14、quantum18、quantum19铠甲缆中有六根光纤，quantum13、quantum14滑环中光滑环只允许两根光纤，quantum18、quantum19滑环中光滑环只允许三根光纤，并且一根是tms的光缆，所以四套设备用于rov通讯的光纤各只有两根，其中一根是备用光纤。声纳图像信息的容量过大，单根光纤无法传输时有两种方法可以解决：如果光端机可以同时对两根光纤编码，可以启用另一根光纤，一根光纤只传输声纳的信号，另一根传输其他信号。如果光端机在同一时刻只能编码一根光纤上的数据，可以应用光纤收发器对另一根光纤收发信号。重量下表中提供的重量参数中，gemini 720i、gemini 720id、eclipse、seaking dfs都是声纳自身的重量 ，bv5000系列的两款声纳的重量包括云台的重量。quantum13、quantum14、quantum18、quantum19都是功率为150马力的工作级rov，所以下表中重量等级的几款声纳是可以应用的。扫描扇区根据rov工作的需求来选用相应扫描扇区的声纳。第三章介绍的六款声纳的参数对比：gemini 720igemini 720ideclipsebv5000-1350bv5000-2250seaking dfs类型三维实时成像声纳三维实时成像声纳三维成像声纳三维实时成像声纳三维实时成像声纳二维避障声纳深度级别300m4000m2500m300m300m4000m频率720khz720khz240khz1.35mhz2.25mhz10k/800khz重量(空气中)3.9kg7.96kg19kg21.7kg19.1kg2kg扫描扇区120201202012045; 1201