1、三維成像聲納畢業24357452三維成像聲納專業：光電子技術與科學院校：長春理工大學光電信息學院目錄摘要第一章聲吶1.1聲吶的概述1.2三維成像技術三維成像聲吶的發展現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用第四章三維成像聲納的選擇第五章結論和展望摘要聲納的發展背景：海洋蘊藏著豐富的礦產和能源，同時又具有重要的軍事地位，海洋開發日益受到人們的重視。首先，全球能源日益緊張，所以開發新的能源和空間十分必要，海洋是個巨大的能源寶庫，具有很大的開發潛力。其次，我國海岸線綿長，海域遼闊，了解海域特點、海底地形地貌狀況對維護國家安全很有必要。從上面可以看到成像聲納有著十分廣泛的用途，不僅關系

2、到軍事方面，而且還關系到國民經濟生活發展的很多方面，所以研究和發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，將大量枯燥的數據以生動的立體圖形圖像的方式表現出來，使人們能夠對聲納數據進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，三維圖形可被縮放、移動和轉動、測距，以便工作人員可以從各種視角更好地進行觀察和理解，提供準確、科學的依據。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，通過電聲轉換和信息處理，完成水下探測和通訊任務的電子設備

3、。它有主動式和被動式兩種類型，屬于聲學定位的范疇。聲吶是利用水中聲波對水下目標進行探測、定位和通信的電子設備，是水聲學中應用最廣泛、最重要的一種裝置。聲吶是各國海軍進行水下監視使用的主要技術，用于對水下目標進行探測、分類、定位和跟蹤；進行水下通信和導航，保障艦艇、反潛飛機和反潛直升機的戰術機動和水中武器的使用。此外，聲吶技術還廣泛用于魚雷制導、水雷引信，以及魚群探測、海洋石油勘探、船舶導航、水下作業、水文測量和海底地質地貌的勘測等。1.2三維成像技術通常我們說一個客觀的世界是三維的，客觀世界的三維圖像通過某種技術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客觀世界的圖像

4、，這個過程就是三維成像技術的全過程。三位成像聲納的發展現狀三維成像聲納與普通的多波數聲納的區別，在于它具有更高的分辨率，從而可以提供水下目標外形輪廓的更多細節描述。高分辨率成像聲納在對水下目標進行成像時，能夠提供非常優秀的圖像質量，從而可以對目標進一步地跟蹤和識別。目前最前沿的三維成像聲納是以聲透鏡技術為基礎，它能提供目標的實時動態視頻圖像，質量小、尺寸小，可以裝載到各種AUV、ROV上進行水下作業。聲視覺導航：給出目標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據，海圖的繪制。殘骸搜索：提供失事船只殘骸的詳細信息堤壩的檢測：提供堤壩的裂縫信息管道檢測：對海底油氣輸送管道進行安

5、全檢查橋墩探傷：檢測受損橋墩的險情海港檢測：給出水下目標的回聲及運動軌跡和速度海床檢測：礦產資源和能源勘探圖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射聲音波束的頻率是特定的，聲納頭發射波束，波束經過障礙物反射，聲納頭接收聲音信號，將其轉化為電信號；再通過RS232協議將電信號傳輸至水下光端機，光端機把電信號轉化為光信號，光信號通過光纜傳輸至水上光端機，水上光端機把光信號轉化為電信號，再通過RS232協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。標準

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聲納發射與接收信號圖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品介紹及其應用示例3.1產品介紹3.1.1Gemini720iGemini720i是一種緊湊型實時高頻sonar,它創設了多波束成像聲納的新標準,優化的信號處理電路設計使Gemini720isonar提

7、供清晰的實時圖像；一個集成的聲速計能進行圖像的銳化和精確測距;聲納數據能呈現在Tritech公司的SenetPro或Gemini的獨立操作軟件上。如圖3-1：圖3-1Gemini720i系統的主要技術規格：工作頻率720KHz聲學角度分辨率1.0掃描扇區120波束個數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接口規格：Powerconsumption35WSupplyvoltage18-75VDCCommsEthernet(10/100BaseT)orVSDL(withEthernet1000Baseavailable)機械參數：

8、DepthRating300m(984ft)Weightinair39Kg(8.82Lb)Weightinwater12Kg(265Lb)Width135mm(531)Height110mm(433)Depth228mm(898)3.1.2EclipseEclipse不僅是一個多波束測深系統，還可以安裝在ROV上在2500m水深作為前視導航和三維立體化可視模式系統。它采用延時式波束形成模式和電子式波束控制系統。它電子掃頻可以獲得15。剖面式波束，聲納頭前方120 x45空間的圖像數據可以獲得。并且以10米量程和1掃頻步進速度，Eclipse掃描整個工作空間不需要1秒。3D模式可以吧測量數據進行

9、數字化處理嵌入到3D圖像中，圖像包含距離、方位數據、水平和垂直距離，以及感興趣的兩個方位點之間的傾斜角度數據。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航接近目標獲得目標更詳細的數據資料。如圖3-2：圖3-2eclipse系統的主要技術規格：工作頻率240kHz波束寬度120波數256聲學角分辨率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機作為甲板單元。PC機安裝有專用于和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時成像聲納，它的耐壓深度是4000m,波束寬度120。由于其優秀的調焦能力，它不僅適用于近距離觀察ROV自身的推進器而且適用于遠距離目標探測。如圖3-3：圖3-3Gemini720id系統的

11、主要技術規格：工作頻率720KHz聲學角度分辨率1.0掃描扇區120波束個數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：Powerconsumption35WSupplyvoltage18-75VDCCommsEthernet(10/100BaseT)orVSDL(withEthernet1000Baseavailable)ConnectorImpulseasstandard,Schillingoptionavailable(SchiUingseanet)機械參數：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時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：其參數如下表所示：參數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M苗BFaiMULetsoffishatvisibilityFayerROVScanPointmMrftab嘰WL沁T*=21圖YT11dtadj0用腸衛呱|HrtUb21-ilL翠“I曲MariiJti也陽-鮎|心側1肋旳,&1.-LMh,|i

15、鼻電juh圖3-9BV5000-2250導管架掃描圖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、價格以及以下五個參數：深度級別、頻率、重量、掃描扇區、通訊接口以及性能。類型二維避障聲納：這種聲納能夠實現避障、搜索目標以及目標確認的功能。三維成像聲納：這種聲納在目標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，在與目標物相對靜止的條件下拍攝到掃描范圍內的情況。簡單地說，這種聲納在零能見度條件下發揮了相機的作用，但與相機有兩點不同：相機拍攝不到障礙物后面的情況，但是三維成像聲納

16、能夠現實障礙物后面的情況。相機拍攝的結果是既定的，即照片中的內容已經定格了，但是三維成像聲納掃描得到得圖形能夠隨意翻轉，能夠從另外的角度講目標物顯示在終端顯示屏上。三維實時成像聲納：這種聲納能夠在目標物與聲納相對運動運動的情況下實時地將聲納掃描得到的數據以圖像的形式展現在終端顯示器上。如ROV在檢查海管時，ROV可以沿著管線前進，ROV可以掃描到聲納；這種聲納能夠掃描到水中游動的魚。簡單地說，這種聲納在零能見度條件下能夠想攝像機一樣拍攝到掃描范圍內的情況，但與攝像機也有兩點不同：攝相機拍攝不到障礙物后面的情況，但是三維成像聲納能現實障礙物后面的情況。攝相機拍攝的結果是既定的，即照片中的內容已經

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，能夠從另外的角度講目標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的要求也就越高，ROV命令、反饋信號、圖像等信號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，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的數據量越大，所以三維成像聲納的應用一般不會影響到其它信號的傳輸。Quantum13、Quantum14、Quantum18、Quantum19鎧甲纜中有六根光纖，Quantum13、Quantum14滑環中光滑環只允許

18、兩根光纖，Quantum18、Quantum19滑環中光滑環只允許三根光纖，并且一根是TMS的光纜，所以四套設備用于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有兩種方法可以解決：如果光端機可以同時對兩根光纖編碼，可以啟用另一根光纖，一根光纖只傳輸聲納的信號，另一根傳輸其他信號。如果光端機在同一時刻只能編碼一根光纖上的數據，可以應用光纖收發器對另一根光纖收發信號。重量下表中提供的重量參數中，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的重量。Quantum13、Quantum14、Quantum18、Quantum19都是功率為150馬力的