一種水下聲學視頻成像裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開一種水下聲學視頻成像裝^置，屬于水下工程、水下勘察領域。具體來說該裝.置包含水下組合式聲學換能器、水下電子倉單元、高速數(shù)據(jù)鏈路、甲板處理單元和顯控計算機。該裝置基本原理是利用B式超聲成像原理，通過發(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發(fā)射回波并進行波束形成，處理單元在水平方向上形成很窄的波束并提取每個波束輸出信號的時間-強度序列，形成二維灰度聲納圖像，通過不斷的收發(fā)信號即可形成連續(xù)的聲納視頻圖像。該裝置能夠在低能見度或零能見度的水中為水下工程、水下勘察等領域提供連續(xù)、清晰的聲學視頻圖像。
【專利說明】
一種水下聲學視頻成像裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及的是水下工程、水下勘察領域，更確切地說，涉及一種水下聲學視頻成像裝置，適用水下場景的聲學視頻成像，海底管線輔設及故障檢測，水下工程的精密測量控制與工程結構實地放樣，水下目標搜索，水下搜救等領域。
【背景技術】
[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)的進程。不同于陸地或者空間，對環(huán)境的觀察和探測可以采用多種方式，例如可見光、紅外線、無線電等，而這些手段在水下探測中幾乎無法使用，尤其是在我國，絕大部分淺海海域，包括渤海、東海、黃海等，以及內河、湖泊，水質都比較混濁，能見度低，因此對水下場景的觀察就很難采用光學設備。
[0003]聲波作為目前發(fā)現(xiàn)的唯一能夠在水中遠距離傳播，且受水體渾濁度影響最小的一種媒介，被廣泛應用于水下探測等諸多領域。因此，聲納也就成為了水下探測、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景信息的聲納設備，被廣泛的應用在諸多領域，例如海底地貌的測繪、水下殘骸的搜索、橋梁堤壩的檢測、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態(tài)圖像形式顯示，雖然在水下探測領域發(fā)揮了重大的作用，但是對于一些對水下運動目標進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域對水下環(huán)境觀測需求的不斷提升，以及國防領域對水下安防重視程度的不斷提高，對高分辨率、高清晰度、高幀率，近似于光學視頻效果的水下聲學視頻成像設備的需求將會不斷增加。
【發(fā)明內容】
[0005]鑒于此，本實用新型公開了一種水下聲學視頻成像裝置，該裝置由以此相連的組合式聲學換能器(101)、水下電子單元(102)、水密電纜(103)、甲板處理單元(104)和顯控計算機(105)組成。
[0006]本實用新型所公開的水下聲學視頻成像裝置，其位于水下的組合式聲學換能器
(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”型組合結構固定于水下電子單元(102)的水密外殼(601)上。
[0007]本實用新型所公開的水下聲學視頻成像裝置，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)射驅動電路(202)和與多元直線接收換能器陣(203)依次相連的多通道信號調理電路(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]本實用新型所公開的水下聲學視頻成像裝置，其發(fā)射驅動電路(202)由依次相連的信號發(fā)生單元(301)、信號隔離單元(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]本實用新型所公開的水下聲學視頻成像裝置，其多通道信號調理電路(204)每個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)的輸出信號直接連接到前置放大電路(402)。
[0010]本實用新型所公開的水下聲學視頻成像裝置，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)、信號處理FPGA (502)、圖像處理器(503)和網(wǎng)絡通信單元(505)組成，同時圖像處理器(503)通過并行總線擴展數(shù)據(jù)存儲器(504)。
[0011]本實用新型所公開的水下聲學視頻成像裝置，其基本原理是利用B式超聲成像原理，通過發(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發(fā)射回波并進行波束形成，處理單元在水平方向上形成很窄的波束并提取每個波束輸出信號的時間-強度序列，形成二維灰度聲納圖像，通過不斷的收發(fā)信號即可形成連續(xù)的聲納視頻圖像。
[0012]本實用新型所公開的水下聲學視頻成像裝置，每一幀視頻圖像的生成過程如下:
[0013](I)水下單元主控系統(tǒng)(206)根據(jù)設置好的幀率產(chǎn)生固定間隔的同步信號傳送給發(fā)射驅動電路(202)中的信號發(fā)生單元(301)；
[0014](2)信號發(fā)生單元(301)根據(jù)信號頻率、脈沖長度、調制方式等參數(shù)，產(chǎn)生特定形式的發(fā)射信號，并依次通過信號隔離單元(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)將電信號轉換為聲信號，并將聲信號發(fā)射到水中；
[0015](3)聲信號在水中遇到目標或水底產(chǎn)生反向散射信號被多元直線接收換能器陣
(203)接收到并轉換成微弱的電信號，64個陣元產(chǎn)生64路獨立的電信號，每路電信號經(jīng)由依次相連的多通道信號調理電路(204)中獨立的前置放大電路(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，并由多通道模數(shù)變換電路(205)將64路模擬信號轉換為數(shù)字信號;
[0016](4)64路數(shù)字信號經(jīng)由水下單元主控系統(tǒng)(206)打包再通過水下數(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)通過水密電纜(103)連接并進行數(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)送給信號處理FPGA(502)，完成256點波束形成，并將每個波束的輸出序列發(fā)送給圖像處理器(503)；
[0018](6)圖像處理器(503)提取每個波束的時間-強度序列，并進行灰度變換和扇形變換，并形成一幀灰度圖像數(shù)據(jù)，通過和網(wǎng)絡通信單元(505)發(fā)送給顯控計算機(105)進行顯
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[0019]不斷地重復上述過程，即可形成連續(xù)的圖像序列，當幀率達到或超過每秒15幀時，則形成了連續(xù)的水下聲學視頻圖像效果，實現(xiàn)對水下場景的動態(tài)觀察。
[0020]本實用新型所公開的水下聲學視頻成像裝置裝置利用了現(xiàn)代電子技術中的通用成熟集成電路和新的結構與方法，實現(xiàn)了高幀率、高分辨率的聲學視頻成像。
[0021]由此可見，本實用新型設計新穎、技術含量高、易于實現(xiàn)且成本較低，非常適合于水下場景的聲學視頻成像，海底管線輔設及故障檢測，水下工程的精密測量控制與工程結構實地放樣，水下目標搜索，水下搜救等領域。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]為了使本實用新型的內容更利于相關專業(yè)技術人員理解，下面對附圖進行簡單說明。
[0023]圖1為本實用新型所述的水下聲學視頻成像裝置的組成框圖。
[0024]圖2為本實用新型所述的水下聲學視頻成像裝置中水下單元組成框圖。
[0025]圖3為本實用新型所述的水下聲學視頻成像裝置中發(fā)射驅動電路組成框圖。
[0026]圖4為本實用新型所述的水下聲學視頻成像裝置中多通道信號調理電路每個通道的組成框圖。
[0027]圖5為本實用新型所述的水下聲學視頻成像裝置中甲板處理單元組成框圖。
[0028]圖6為本實用新型所述的水下聲學視頻成像裝置一種實施例中水下單元剖面結構圖。
[0029]圖7為本實用新型所述的水下聲學視頻成像裝置一種實施例中組合式聲學換能器安裝方式示意圖。
具體實施方案
[0030]下面結合附圖和本實用新型一種較佳的具體實施例對本實用新型作進一步說明。
[0031]作為本實用新型的一種較佳施例，該水下聲學視頻成像裝置，其聲學中心工作頻率為400KHz，多元直線接收換能器陣(203)采用64元線陣結構，陣元尺寸1.375mmX6mm,子陣間距2.813mm，全陣總長為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130mm，弧寬7.5mm,由此可形成120° x25°的發(fā)射波束。
[0032]作為本實用新型的一種較佳施例，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，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”型組合結構固定于水密外殼(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，以實現(xiàn)良好防水。
[0033]作為本實用新型的一種較佳施例，水下單元主控系統(tǒng)(206)選用Cyclone III系列FPGA，同時信號發(fā)生單元(301)也由該FPGA邏輯實現(xiàn)，產(chǎn)生PWM信號通過信號隔離單元(302)和功率放大單元(303)發(fā)射信號,考慮到發(fā)射效率,本實施例中選用D類功率放大器；多通道信號調理電路(204)和多通道模數(shù)變換電路(205)由TI公司集成模擬前端AFE5807實現(xiàn)，單片AFE5807具有8個獨立通道，因此針對本實施例中64元接收陣而言，總共需要8片以實現(xiàn)64通道的信號調理和模數(shù)變換，水下單元主控系統(tǒng)(206)模數(shù)變換后的數(shù)據(jù)通過百兆以太網(wǎng)上傳給甲板處理單元(104)，本實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]作為本實用新型的一種較佳施例，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，信號處理FPGA (502)采用處理能力更強的Xilinx公司的VIRTEX系列FPGA主要完成256點的實時波束形成算法，圖像處理器(503)選用TI公司TMS320C6416定點DSP處理器主要完成每個波束的時間-強度序列的提取，并進行灰度變換和扇形變換，形成連續(xù)的聲學視頻。
[0035]以上所述僅為本實用新型的一種較佳可行施例，所述實施例并非用以限制本實用新型的專利保護范圍，因此凡是運用本發(fā)明的說明書及附圖內容所做的等同結構變化，同理均應包含在實用新型的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種水下聲學視頻成像裝置，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)和顯控計算機(105)組成。
2.如權利要求1所述的水下聲學視頻成像裝置，其特征在于位于水下的組合式聲學換能器(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”型組合結構固定于水下電子單元(102)的水密外殼(601)上。
3.如權利要求1所述的水下聲學視頻成像裝置，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)射驅動電路(202)和與多元直線接收換能器陣(203)依次相連的多通道信號調理電路(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.如權利要求1所述的水下聲學視頻成像裝置，其特征在于發(fā)射驅動電路(202)由依次相連的信號發(fā)生單元(301)、信號隔離單元(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.如權利要求1所述的水下聲學視頻成像裝置，其特征在于多通道信號調理電路(204)每個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)的陣元輸出信號直接連接到前置放大電路(402)。
6.如權利要求1所述的水下聲學視頻成像裝置，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)、信號處理FPGA(502)、圖像處理器(503)和網(wǎng)絡通信單元(505)組成，同時圖像處理器(503)通過并行總線擴展數(shù)據(jù)存儲器(504)。
【文檔編號】G01S15/89GK204028360SQ201420253644
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年5月19日 優(yōu)先權日: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 申請人:么彬