整理三维成像声纳论文.docx

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整理三维成像声纳论文

三维成像声纳

姓名：

徐静

班级：

1013105

专业：

光电子技术与科学

院校：

长春理工大学光电信息学院

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，SoundNavigationAndRanging”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SeanetPro）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

3.1.1Gemini720i

Gemini720i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Gemini720isonar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SenetPro或Gemini的独立操作软件上。

如图3-1：

图3-1Gemini720i

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：

Powerconsumption

35W

Supplyvoltage

18-75VDC

Comms

Ethernet（10/100BaseT）orVSDL（withEthernet1000Baseavailable）

机械参数：

DepthRating

300m（984ft）

Weightinair

3.9Kg（8.82Lb）

Weightinwater

1.2Kg（2.65Lb）

Width

135mm（5.31〞）

Height

110mm（4.33〞）

Depth

228mm（8.98〞）

5.建设项目环境影响评价文件的重新报批和重新审核3.1.2Eclipse

发现规划存在重大环境问题的，审查时应当提出不予通过环境影响报告书的意见；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120°x45°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（120°x1.5°）或前视模式（120°x45°）。

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：

（1）规划环境影响评价的分析、预测和评估内容。

图3-2eclipse

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

?

既包括天然的自然环境，也包括人工改造后的自然环境。

1.5°

有效角分辨率

1.建设项目环境影响评价机构的资质管理0.5°

深度/距离分辨率

2.5cm（0,98〞）

环境影响的经济损益分析，也称环境影响的经济评价，即估算某一项目、规划或政策所引起的环境影响的经济价值，并将环境影响的经济价值纳入项目、规划或政策的经济费用效益分析中去，以判断这些环境影响对该项目：

规划或政策的可行性会产生多大的影响。

对负面的环境影响估算出的是环境费用，对正面的环境影响估算出的是环境效益。

最大量程

（2）环境影响后评价。

120m（393ft）

三、规划环境影响评价最小焦距

A.环境影响报告表0.4m（1.31ft）

（1）环境的使用价值。

环境的使用价值（UV）又称有用性价值，是指环境资源被生产者或消费者使用时，满足人们某种需要或偏好所表现出的价值，又分为直接使用价值、间接使用价值和选择价值。

扫描速率

140Hz@5m，7Hz@100m

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。

3.1.3Gemini720id

Gemini720id是继Gemini720i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3-3Gemini720id

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：

Powerconsumption

35W

Supplyvoltage

18-75VDC

Comms

Ethernet（10/100BaseT）orVSDL（withEthernet1000Baseavailable）

Connector

Impulseasstandard,Schillingoptionavailable（Schillingseanet）

机械参数：

DepthRating

4000m（13125ft）

WeightinAir

7.96Kg（17.5lb）

WeightinWater

3.46Kg（7.6lb）

Length

318mm（12.5?

）

Diameter

145mm（5.7?

）

3.1.4BLUEVIEWBV5000

BLUEVIEWBV5000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：

BLUEVIEWBV5000-1350和BLUEVIEWBV5000-2250。

如图3-4：

其参数如下表所示：

参数

BLUEVIEWBV5000-1350

BLUEVIEWBV5000-2250

Frequency

1.35MHz

2.25MHz

Max.Range

30m（98ft）

10m（33ft）

BeamWidth

1°

1°

TimeResolution

0.031m（1.23in）

0.019m（0.74in）

WeightinAir

21.7lb

19.1lb

DepthRating

300m（1000ft）

300m（1000ft）

Width

10.5in

8.9in

Height

9.2in

8.6in

Depth

15.4in

15.4in

Software

•LeicaCycloneRegister

•LeicaCycloneModel

•LeicaCycloneRegisterCustomerCarePackage（CCP）

•LeicaCycloneModelCustomerCarePackage（CCP）

图3-4BLUEVIEWBV5000

图3-7gemini720i沉船扫描图3-8BV5000-1350船坞扫描

图3-9BV5000-2250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，Gemini720i、Gemini720id、Eclipse、SeakingDFS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：

Gemini720i

Gemini720id

Eclipse

BV5000-1350

BV5000-2250

SeakingDFS

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

300m

4000m

2500m

300m

300m

4000m

频率

720KHz

720KHz

240KHz

1.35MHz

2.25MHz

10K/800KHz

重量（空气中）

3.9Kg

7.96Kg

19Kg

21.7Kg

19.1Kg

2Kg

扫描扇区

120°×20°

120°×20°

120°×45°;120°×1.5°

120°×20°

120°×20°

360°×45°

接口

10/100BaseT;VSDL

100BaseT

100BaseT

10/100Base-T

10/100Base-T

10/100Base-T

第五章结论和展望

目前二维声纳在声纳的应用领域中还占据有很大的比例，但由于三维成像声纳的优秀品质，三维成像声纳将逐渐占领这一领域。

水下环境有广泛的应用领域，舰船导航、海洋勘探、游戏娱乐都离不开声纳。

近年来海洋声学和声纳技术快速发展，全球定位系统和计算机技术飞速发展，以及三维可视化技术日益完善是声纳的发展又奠定了一个有力的基础。

相信在各项相关技术日趋成熟的条件下，声纳技术将迎接另一个里程碑。