一種水下聲學(xué)視頻成像裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種水下聲學(xué)視頻成像裝置，屬于水下工程、水下勘察領(lǐng)域。具體來(lái)說(shuō)該裝置包含水下組合式聲學(xué)換能器、水下電子倉(cāng)單元、高速數(shù)據(jù)鏈路、甲板處理單元和顯控計(jì)算機(jī)。該裝置基本原理是利用B式超聲成像原理，通過(guò)發(fā)射換能器向水中發(fā)射具有一定束寬的聲波照射水體及水底，接收換能器接收到水體或水底目標(biāo)發(fā)射回波并進(jìn)行波束形成，處理單元在水平方向上形成很窄的波束并提取每個(gè)波束輸出信號(hào)的時(shí)間-強(qiáng)度序列，形成二維灰度聲納圖像，通過(guò)不斷的收發(fā)信號(hào)即可形成連續(xù)的聲納視頻圖像。該裝置能夠在低能見(jiàn)度或零能見(jiàn)度的水中為水下工程、水下勘察等領(lǐng)域提供連續(xù)、清晰的聲學(xué)視頻圖像。
【專利說(shuō)明】一種水下聲學(xué)視頻成像裝置【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是水下工程、水下勘察領(lǐng)域，更確切地說(shuō)，涉及一種水下聲學(xué)視頻成像裝置，適用水下場(chǎng)景的聲學(xué)視頻成像，海底管線輔設(shè)及故障檢測(cè)，水下工程的精密測(cè)量控制與工程結(jié)構(gòu)實(shí)地放樣，水下目標(biāo)搜索，水下搜救等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]總所周知，地球70%以上的面積都被水體所覆蓋，隨著陸上資源的消耗殆盡，人們也加快了海洋開發(fā)的進(jìn)程。不同于陸地或者空間，對(duì)環(huán)境的觀察和探測(cè)可以采用多種方式，例如可見(jiàn)光、紅外線、無(wú)線電等，而這些手段在水下探測(cè)中幾乎無(wú)法使用，尤其是在我國(guó)，絕大部分淺海海域，包括渤海、東海、黃海等，以及內(nèi)河、湖泊，水質(zhì)都比較混濁，能見(jiàn)度低，因此對(duì)水下場(chǎng)景的觀察就很難采用光學(xué)設(shè)備。
[0003]聲波作為目前發(fā)現(xiàn)的唯一能夠在水中遠(yuǎn)距離傳播，且受水體渾濁度影響最小的一種媒介，被廣泛應(yīng)用于水下探測(cè)等諸多領(lǐng)域。因此，聲納也就成為了水下探測(cè)、水下工程、漁業(yè)以及海軍所必不可少的裝備。 [0004]圖像聲納是一種以圖像的形式直觀反映水下場(chǎng)景信息的聲納設(shè)備，被廣泛的應(yīng)用在諸多領(lǐng)域，例如海底地貌的測(cè)繪、水下殘骸的搜索、橋梁堤壩的檢測(cè)、海港的監(jiān)視以及海底海床的勘察。然后，目前的圖像聲納系統(tǒng)主要以靜態(tài)的圖像形式或者低幀率動(dòng)態(tài)圖像形式顯示，雖然在水下探測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮了重大的作用，但是對(duì)于一些對(duì)水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行觀察的需求還難以滿足。隨著，海洋開發(fā)的不斷深入和水下工程領(lǐng)域?qū)λ颅h(huán)境觀測(cè)需求的不斷提升，以及國(guó)防領(lǐng)域?qū)λ掳卜乐匾暢潭鹊牟粩嗵岣?，?duì)高分辨率、高清晰度、高幀率，近似于光學(xué)視頻效果的水下聲學(xué)視頻成像設(shè)備的需求將會(huì)不斷增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于此，本發(fā)明公開了一種水下聲學(xué)視頻成像裝置，該裝置由以此相連的組合式聲學(xué)換能器(101)、水下電子單元(102)、水密電纜(103)、甲板處理單元(104)和顯控計(jì)算機(jī)(105)組成。
[0006]本發(fā)明所公開的水下聲學(xué)視頻成像裝置，其位于水下的組合式聲學(xué)換能器(101)由多元直線接收換能器陣(203)和弧形線列發(fā)射換能器陣(201)組成，以“T”型組合結(jié)構(gòu)固定于水下電子單元(102)的水密外殼(601)上。
[0007]本發(fā)明所公開的水下聲學(xué)視頻成像裝置，其水下電子單元(102)中功能部分由與弧形線列發(fā)射換能器陣(201)相連的發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路(202)和與多元直線接收換能器陣(203)依次相連的多通道信號(hào)調(diào)理電路(204)、多通道模數(shù)變換電路(205)以及依次相連的水下單元主控系統(tǒng)(206)和水下數(shù)據(jù)傳輸單元(207)組成。
[0008]本發(fā)明所公開的水下聲學(xué)視頻成像裝置，其發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路(202)由依次相連的信號(hào)發(fā)生單元(301)、信號(hào)隔離單元(302)、功率放大單元(303)、阻抗匹配單元(304)組成，并最終與弧形線列發(fā)射換能器陣(201)相連。[0009]本發(fā)明所公開的水下聲學(xué)視頻成像裝置，其多通道信號(hào)調(diào)理電路(204)每個(gè)通道都由依次相連的前置放大電路(402)、帶通濾波電路(402)、可控增益放大電路(403)、固定增益放大電路(404)和抗混疊濾波電路(405)組成，多元直線接收換能器陣(203)的輸出信號(hào)直接連接到前置放大電路(402)。
[0010]本發(fā)明所公開的水下聲學(xué)視頻成像裝置，其甲板處理單元(104)由一次相連的水面數(shù)據(jù)傳輸單元(501)、信號(hào)處理FPGA (502)、圖像處理器(503)和網(wǎng)絡(luò)通信單元(505)組成，同時(shí)圖像處理器(503)通過(guò)并行總線擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(504)。
[0011]本發(fā)明所公開的水下聲學(xué)視頻成像裝置，其基本原理是利用B式超聲成像原理，通過(guò)發(fā)射換能器向水中發(fā)射具有一定束寬的聲波照射水體及水底，接收換能器接收到水體或水底目標(biāo)發(fā)射回波并進(jìn)行波束形成，處理單元在水平方向上形成很窄的波束并提取每個(gè)波束輸出信號(hào)的時(shí)間-強(qiáng)度序列，形成二維灰度聲納圖像，通過(guò)不斷的收發(fā)信號(hào)即可形成連續(xù)的聲納視頻圖像。
[0012]本發(fā)明所公開的水下聲學(xué)視頻成像裝置，每一幀視頻圖像的生成過(guò)程如下:
[0013](I)水下單元主控系統(tǒng)(206)根據(jù)設(shè)置好的幀率產(chǎn)生固定間隔的同步信號(hào)傳送給發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路(202)中的信號(hào)發(fā)生單元(301)；
[0014](2)信號(hào)發(fā)生單元(301)根據(jù)信號(hào)頻率、脈沖長(zhǎng)度、調(diào)制方式等參數(shù)，產(chǎn)生特定形式的發(fā)射信號(hào)，并依次通過(guò)信號(hào)隔離單元(302)、功率放大單元(303)、阻抗匹配單元(304)和弧形線列發(fā)射換能器陣(201)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)，并將聲信號(hào)發(fā)射到水中；
[0015](3)聲信號(hào)在水中遇到目標(biāo)或水底產(chǎn)生反向散射信號(hào)被多元直線接收換能器陣(203)接收到并轉(zhuǎn)換成微弱的電信號(hào)，64個(gè)陣元產(chǎn)生64路獨(dú)立的電信號(hào)，每路電信號(hào)經(jīng)由依次相連的多通道信號(hào)調(diào)理電路(204)中獨(dú)立的前置放大電路(402)、帶通濾波電路(402)、可控增益放大電路(403)、固定增益放大電路(404)和抗混疊濾波電路(405)形成具有一定電壓幅度的電信號(hào)，并由多通道模數(shù)變換電路(205)將64路模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào);
[0016](4)64路數(shù)字信號(hào)經(jīng)由水下單元主控系統(tǒng)(206)打包再通過(guò)水下數(shù)據(jù)傳輸單元(207)將數(shù)據(jù)上傳給甲板處理單元(104)；
[0017](5)水下電子單元(102)和甲板處理單元(104)通過(guò)水密電纜(103)連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，水面數(shù)據(jù)傳輸單元(501)將接收到的水下數(shù)據(jù)發(fā)送給信號(hào)處理FPGA(502)，完成256點(diǎn)波束形成，并將每個(gè)波束的輸出序列發(fā)送給圖像處理器(503)；
[0018](6)圖像處理器(503)提取每個(gè)波束的時(shí)間-強(qiáng)度序列，并進(jìn)行灰度變換和扇形變換，并形成一幀灰度圖像數(shù)據(jù)，通過(guò)和網(wǎng)絡(luò)通信單元(505)發(fā)送給顯控計(jì)算機(jī)(105)進(jìn)行顯
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[0019]不斷地重復(fù)上述過(guò)程，即可形成連續(xù)的圖像序列，當(dāng)幀率達(dá)到或超過(guò)每秒15幀時(shí)，則形成了連續(xù)的水下聲學(xué)視頻圖像效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)觀察。
[0020]本發(fā)明所公開的水下聲學(xué)視頻成像裝置裝置利用了現(xiàn)代電子技術(shù)中的通用成熟集成電路和新的結(jié)構(gòu)與方法，實(shí)現(xiàn)了高幀率、高分辨率的聲學(xué)視頻成像。
[0021]由此可見(jiàn)，本發(fā)明設(shè)計(jì)新穎、技術(shù)含量高、易于實(shí)現(xiàn)且成本較低，非常適合于水下場(chǎng)景的聲學(xué)視頻成像，海底管線輔設(shè)及故障檢測(cè)，水下工程的精密測(cè)量控制與工程結(jié)構(gòu)實(shí)地放樣，水下目標(biāo)搜索，水下搜救等領(lǐng)域?！緦＠綀D】

【附圖說(shuō)明】
[0022]為了使本發(fā)明的內(nèi)容更利于相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員理解，下面對(duì)附圖進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明。
[0023]圖1為本發(fā)明所述的水下聲學(xué)視頻成像裝置的組成框圖。
[0024]圖2為本發(fā)明所述的水下聲學(xué)視頻成像裝置中水下單元組成框圖。
[0025]圖3為本發(fā)明所述的水下聲學(xué)視頻成像裝置中發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路組成框圖。
[0026]圖4為本發(fā)明所述的水下聲學(xué)視頻成像裝置中多通道信號(hào)調(diào)理電路每個(gè)通道的組成框圖。
[0027]圖5為本發(fā)明所述的水下聲學(xué)視頻成像裝置中甲板處理單元組成框圖。
[0028]圖6為本發(fā)明所述的水下聲學(xué)視頻成像裝置一種實(shí)施例中水下單元剖面結(jié)構(gòu)圖。
[0029]圖7為本發(fā)明所述的水下聲學(xué)視頻成像裝置一種實(shí)施例中組合式聲學(xué)換能器安裝方式示意圖。
具體實(shí)施方案
[0030]下面結(jié)合附圖和本發(fā)明一種較佳的具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0031]作為本發(fā)明的一種較佳施例，該水下聲學(xué)視頻成像裝置，其聲學(xué)中心工作頻率為400KHz，多元直線接收換能器陣(203)采用64元線陣結(jié)構(gòu)，陣元尺寸1.375mmX6mm,子陣間距2.813mm，全陣總長(zhǎng)為180mm，由此可形成1° x30°的接收波束寬度；弧形線列發(fā)射換能器陣(201)弧度張角150°，曲率半徑50mm，弧長(zhǎng)130mm，弧寬7.5mm，由此可形成120° x25°的發(fā)射波束。
[0032]作為本發(fā)明的一種較佳施例，水下電子單元(102)外殼密封艙采用316不銹鋼制成，所有電子部分都置于密封艙內(nèi)，多元直線接收換能器陣(203)和弧形線列發(fā)射換能器陣(201)組成，以“T”型組合結(jié)構(gòu)固定于水密外殼(601)上，水密連接器(603)和水密電纜(103)都采用聚氨酯材料一次成型，以實(shí)現(xiàn)良好防水。
[0033]作為本發(fā)明的一種較佳施例，水下單元主控系統(tǒng)(206)選用Cyclone III系列FPGA，同時(shí)信號(hào)發(fā)生單元(301)也由該FPGA邏輯實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生PWM信號(hào)通過(guò)信號(hào)隔離單元(302)和功率放大單元(303)發(fā)射信號(hào),考慮到發(fā)射效率,本實(shí)施例中選用D類功率放大器；多通道信號(hào)調(diào)理電路(204)和多通道模數(shù)變換電路(205)由TI公司集成模擬前端AFE5807實(shí)現(xiàn)，單片AFE5807具有8個(gè)獨(dú)立通道，因此針對(duì)本實(shí)施例中64元接收陣而言，總共需要8片以實(shí)現(xiàn)64通道的信號(hào)調(diào)理和模數(shù)變換，水下單元主控系統(tǒng)(206)模數(shù)變換后的數(shù)據(jù)通過(guò)百兆以太網(wǎng)上傳給甲板處理單元(104)，本實(shí)施例中選用集成以太網(wǎng)控制器芯片W5200作為水下數(shù)據(jù)傳輸單元(207)。
[0034]作為本發(fā)明的一種較佳施例，水上數(shù)據(jù)傳輸單元(501)同樣采用集成以太網(wǎng)控制器芯片W5200，信號(hào)處理FPGA (502)采用處理能力更強(qiáng)的Xilinx公司的VIRTEX系列FPGA主要完成256點(diǎn)的實(shí)時(shí)波束形成算法，圖像處理器(503)選用TI公司TMS320C6416定點(diǎn)DSP處理器主要完成每個(gè)波束的時(shí)間-強(qiáng)度序列的提取，并進(jìn)行灰度變換和扇形變換，形成連續(xù)的聲學(xué)視頻。
[0035]以上所述僅為本發(fā)明的一種較佳可行施例，所述實(shí)施例并非用以限制本發(fā)明的專利保護(hù)范圍，因此凡是運(yùn)用本發(fā)明的說(shuō)明書及附圖內(nèi)容所做的等同結(jié)構(gòu)變化，同理均應(yīng)包含在發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種水下聲學(xué)視頻成像裝置，其特征在于該裝置由依次相連的組合式聲學(xué)換能器(101)、水下電子單元(102)、水密電纜(103)、甲板處理單元(104)和顯控計(jì)算機(jī)(105)組成。
2.如權(quán)利要求1所述的水下聲學(xué)視頻成像裝置，其特征在于位于水下的組合式聲學(xué)換能器(101)由多元直線接收換能器陣(203)和弧形線列發(fā)射換能器陣(201)組成，以“T”型組合結(jié)構(gòu)固定于水下電子單元(102)的水密外殼(601)上。
3.如權(quán)利要求1所述的水下聲學(xué)視頻成像裝置，其特征在于水下電子單元(102)中功能部分由與弧形線列發(fā)射換能器陣(201)相連的發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路(202)和與多元直線接收換能器陣(203)依次相連的多通道信號(hào)調(diào)理電路(204)、多通道模數(shù)變換電路(205)以及依次相連的水下單元主控系統(tǒng)(206)和水下數(shù)據(jù)傳輸單元(207)組成。
4.如權(quán)利要求1所述的水下聲學(xué)視頻成像裝置，其特征在于發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路(202)由依次相連的信號(hào)發(fā)生單元(301)、信號(hào)隔離單元(302)、功率放大單元(303)、阻抗匹配單元(304)組成，并最終與弧形線列發(fā)射換能器陣(201)相連。
5.如權(quán)利要求1所述的水下聲學(xué)視頻成像裝置，其特征在于多通道信號(hào)調(diào)理電路(204)每個(gè)通道都由依次相連的前置放大電路(402)、帶通濾波電路(402)、可控增益放大電路(403)、固定增益放大電路(404)和抗混疊濾波電路(405)組成，多元直線接收換能器陣(203)的陣元輸出信號(hào)直接連接到前置放大電路(402)。
6.如權(quán)利要求1所述的水下聲學(xué)視頻成像裝置，其特征在于甲板處理單元(104)由依次相連的水面數(shù)據(jù)傳輸單元(501)、信號(hào)處理FPGA(502)、圖像處理器(503)和網(wǎng)絡(luò)通信單元(505)組成，同時(shí)圖像處理器(503)通過(guò)并行總線擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(504)。
【文檔編號(hào)】G01S15/89GK103941260SQ201410209162
【公開日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年5月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月19日
【發(fā)明者】么彬, 殷敬偉, 張曉 , 韓笑, 曲海峰, 李春笛 申請(qǐng)人:么彬