(完整版)三维成像声纳毕业设计
声呐设备技术规格书
声呐设备技术规格书
一、简述用途（项目建设或仪器设备使用的总体描述）
声呐设备可用于三维现场勘察、三维结构检查、钻塔分解、桥梁检查、水下计量、易操作、一键扫描、3D影像无需位置信息、便于与激光扫描仪集成、紧凑型设计、节省空间。
二、设备清单
三、拟定的技术要求及技术方案
声呐可用于低可见度／零可见度环境探头单元允许全功能声纳在小型船舶显示器彩色式样显示回波全方位扫描设备。
全景成像声纳可生成水下地形、结构和目标的高分辨率图像。
只需触动按钮，三维扫描声纳就会生成水下景象的三维点云。
声呐采用紧凑型低重量设计，便于在三脚架或ROV上进行安装。
扫描声纳头和集成的云台可以生成扇区扫描和球面扫描数据。
在水下甚至在低照度或者零可见度的水下环境，可以获得陆地三维激光扫描一样的图像，这种图像可以与传统的激光扫描图像无缝拼接。
三维合成孔径声呐成像系统
三维合成孔径声呐成像系统所属领域：电子信息完成人：张学武等成果简介：系统主要由四个部分组成:湿端组件(拖体)、拖曳系统、信号处理机和控制台，各组成部分之间通过千兆以太网进行通信，协同完成超声波信号的发射、接收、声数据处理、和声图像的成像功能。
控制命令由干端显控台发出，通过光纤传输到湿端组件，湿端数据采集传输和控制中心通过串口与传感器进行通信;采集获得的声数据通过光纤发送到显控台进行处理。
数据采集传输和控制中心的硬件平台包含两块数据采集传输模块和一块控制中心模块。
数据采集板与接收机共用一个水密电子舱；控制中心板与系统电源共用一个水密电子舱。
主要技术指标本三维合成孔径声呐成像系统具有数据采集、传输与控制功能，其主要技术指标如下:(1)同步触发信号最高支持256路16bit AD同步采样，采样频率等于100kHz。
(2) AD采集差分输入，输入信号动态范围-1.625~1.625V。
输出通道幅度不一致性小于1dB，相位不一致性小于3度，通道噪声小于1mV(有效值)。
(3)传感器数据、控制命令与AD采集数据通过千兆以太网信号经控制中心电光转换后，进行单模光纤传输。
(4)湿端数据采集传输模块为+5. 7V直流电源供电，每个模块电流4A，电源输出纹波峰峰值电压≤100mV。
(5)数据采集功能分为两块电路板完成，每块电路板完成128通道数据采集，通过母板与接收机连接，每块板配置温度传感器芯片。
(6)通过串口接收信号采集板转发的显控台控制命令，进行命令解析和分包，再通过各串口分别发送各种对应的控制命令和设置参数给控制电机和各个传感器。
(7)提供3路线性调濒脉冲信号的发射信号源，DA频率大于200kHz。
信号形式:1路15kHz-30kHz正调频脉冲；1路6kHz-15kHz正调频脉冲；1路6kHz-15kHz 正调频脉冲或15kHz-6kHz反调频脉冲。
信号幅度3.3V, 1.65V, 0.825V,0.4125V可调，脉冲宽度5ms,10ms, 20ms可调。
声呐图像的三维重建技术研究
声呐图像的三维重建技术研究声呐技术是一种无创性、安全可靠的医疗检测手段，能够在人体内部获得高分辨率的图像信息，发挥了在医学、生物医学等领域的重要作用。
然而，传统的声呐图像是二维的，只有一个截面信息，难以准确还原三维模型信息。
因此，声呐图像的三维重建技术研究也成为了目前医疗影像领域的研究热点之一。
一、三维重建技术的应用声呐图像三维重建技术在医疗诊断、治疗方案制定、手术规划等方面都有着广泛的应用。
例如，对于心脏病的诊断，三维重建技术可以通过重建立体实体模型，通过旋转、放大等操作判读心脏病发生部位、大小、形态特征等重要信息，对病情进行全面评估。
在骨科手术规划中，医生可以通过重建患者受伤部位的三维模型，对手术范围、操作角度等进行合理规划，术前精确确定手术的困难程度、手术时间和术后的修复进程。
二、三维重建技术的发展历程早在20世纪90年代，人们开始尝试使用三维重建技术研究声呐图像的三维结构。
最初的方法是通过单张不同角度的二维图像叠加，最终形成三维模型。
但是由于这种方法耗时长且图像信息不准确，限制了进一步的应用。
随着数字成像技术的发展，更高精度、更高效率的三维重建技术应运而生。
目前主要的三维重建技术包括基于成像图像的方法和基于声信号的方法。
三、基于成像图像的三维重建技术基于成像图像的三维重建技术是通过对多个二维图像进行合成，构建成三维模型。
这种技术需要获取多张图像，而且需要确保拍摄角度不同，增加图像间的差异性。
这种方法可以通过多个诊断仪器进行图像采集，例如核磁共振、CT、X光等仪器。
通过对这些成像技术得到的图像进行重建，可以得到具有高精度的三维模型。
四、基于声信号的三维重建技术基于声信号的重建技术是通过对声信号的处理和分析，重建出三维模型。
这种技术需要先将声信号转换成二维图像，然后再基于多个二维图像构建成三维模型。
这种方法可以通过超声波成像仪器进行采集，该仪器可以捕获到三维声波反射信息。
通过对反射信息进行处理和分析，可以形成高精度的声呐图像三维重建模型。
声呐三维重建原理
声呐三维重建原理
声纳三维重建的原理主要基于声纳测深和定位技术。
具体来说，它包括以下几个步骤：
1. 数据采集：通过在水下部署声纳设备，发射声波并接收反射回来的回声信号。
这些信号包含了水下物体的深度、距离等信息。
2. 数据处理：将收集到的数据进行处理，包括噪声消除、信号增强等操作，以提高数据的质量和准确性。
3. 数据解析：根据声波在水中传播的速度，以及其反射和折射的特性，解析出物体的大小、形状、位置等信息。
4. 三维重建：利用解析出的信息，构建出物体的三维模型。
这一步通常需要使用专门的软件，如CAD软件，进行建模和渲染。
5. 结果输出：将重建的三维模型输出，可以用于进一步的研究、分析，或者制作成可视化的图像和视频。
需要注意的是，声纳三维重建的准确性和精度受到许多因素的影响，包括声波的频率、发射和接收设备的性能、环境条件等。
因此，在实际应用中，需要根据具体的需求和条件进行调整和优化。
一种管道声纳三维成像系统设计方法
• 178•49-52页；刘科，基于C/S的局域网内远程控制系统的设计与实现，电子科技大学学位论文,2015年；张跃文，基于工业以太网络的密闭门远程控制系统的设计及应用研究，科技创新与应用,2014年第32期27-28页）。
因此利用SOCKET类数据传输方式，在C/S方法模式的互联网中实行信息通讯，使软件的远程操控效率得到大幅度提高。
在确认此方式之后，快速减去数据连接的目标，然后进行数据连接的时候，依照三项操作步骤进行实施。
第一，健全软件服务端的检查监听任务。
在软件服务器端进行套接时，软件客户端进行的套接行为不明显和具体，时刻处在任务等待的情况下，由此做到随时随地检查监听的工作。
第二，健全软件客户端的各项请求。
在软件客户端请求已经全部做好之后，要进行的是连接目标，这是进行软件服务器端的套接字。
进行软件客户端的套接字必须依靠表述，找到软件服务器端套接字的准确地址，依靠需求给出目标连接的任务。
第三，实施目标连接确定。
在进行软件服务器端套接字检查监听到讯息之后，又或是软件客户端输出任务后，要马上对软件客户端套接字做出回应，建设适应的新信息线路，把软件服务器套接字的任务请求快速的输送到软件客户端，在软件客户端审核了这些技术表述后，就能够创建健全的软件连接。
软件服务器端套接字始终在检查监听的工作运行中，会受到不一样的软件客户端的连接任务。
3 软件系统应用在完成机器人的远程操控监测之后，为了实现对软件系统功能更好的测量，实行对软件实际情况的运用。
例如，在地铁上进行软件客户端的运用，可以利用WIFI无限网络的连接方法，建设TS30全程全站仪，将软件服务器各个端口连接起来。
在最初进行连接之后，软件客户端要设置软件服务器IP，并且健全服务器的各种端口号，在全部连接好之后，进行软件监控设备运转的监控，在软件的自由站建设好之后，实行各项监察、测量（陈东海,李玉龙.矿用水力作业机远程控制仪的设计及应用，煤炭技术,2014年第5期212-214页）。
三维声呐工作报告
三维声呐工作报告摘要本报告介绍了三维声呐的工作原理、应用领域、技术优势以及发展趋势。
三维声呐作为一种重要的水声探测技术，已经在海洋勘探、海底测绘、水下目标识别等领域得到广泛应用。
随着技术的不断进步和应用需求的不断扩大，三维声呐在水声探测领域的应用前景非常广阔。
本报告旨在通过详细介绍三维声呐的工作原理和应用情况，为相关领域的研究人员和技术从业者提供参考。
关键词：三维声呐；水声探测；海洋勘探；海底测绘；水下目标识别一、引言三维声呐是一种利用声波对水下目标进行探测和成像的技术设备。
相对于传统的二维声呐，三维声呐能够在水下实现更加精确的定位和成像，具有更高的分辨率和更广的探测范围。
三维声呐在海洋勘探、海底测绘、水下目标识别等领域具有重要的应用价值，受到了广泛关注。
二、工作原理1. 声波传播原理三维声呐利用声波在水下的传播特性来实现对水下目标的探测和成像。
声波在水下的传播速度受到水域温度、盐度、压力等因素的影响，因此在实际应用中需要进行相关的修正和校正。
2. 接收和处理技术三维声呐通过接收水下目标反射回来的声波信号，并通过信号处理技术进行分析、滤波、增强等操作，从而实现对水下目标的成像和识别。
接收和处理技术是三维声呐的核心技术之一，直接关系到声呐系统的成像效果和探测性能。
三、应用领域1. 海洋勘探三维声呐在海洋勘探中起着至关重要的作用，可以对海底地貌、地质构造、海底生物等进行全方位、高分辨率的探测和成像，为海洋勘探工作提供了重要的技术支持。
2. 海底测绘三维声呐可以实现对海底地形的三维成像，具有较高的空间分辨率和成像精度，可以为海底管道敷设、海底工程施工等提供具体的地形数据，为相关海底工程的规划和实施提供重要的参考依据。
3. 水下目标识别三维声呐可以对水下目标进行精确的识别和定位，包括潜艇、水下无人航行器、水下管线等，具有重要的军事和民用应用价值。
四、技术优势1. 高分辨率三维声呐具有较高的空间分辨率和成像精度，可以对水下目标进行精准的成像和识别。
三维成像声纳图像后处理与可视化
中 分 号 Ｔ３１ 圈 类 ： Ｐ９
三维成像 声纳图像后处理与可视化
洪一帆 ，宋坤坡 ，夏牍仁 ｌ 丛 卫华 ｐ
（． １ 浙江大学 生物 医学工程教育部重点实验室 ，杭州 ３ ０ ２ ；２ 杭州应用声 学研 究所，杭 州 ３０ １ ） １０ ７ ． １０ ２
摘 要： 针对基于 线阵合成 孔径技术 的三 维成像声纳缺乏有效后处理与可视化方法的问题 ， 出一个适用于三维成像声纳图像后处理与可 提
２ ．Ｈａ ｇ ｈ ｕ ｓ ａｃ ｓ ｔｔ ｆ ｐｉｄ ｏ ｓ ｃ ， ｎ ｚ ｏ １ ０ ２ Ｃ ｉａ ｎ ｚ ｏ ｅ ｒｈＩ ｔ ｕｅｏ Ａｐ ｌ ｕ ｔ ｓ Ｈａ ｇ ｈ ｕ３ ０ １ ， ｈｎ ） Ｒｅ ｎ ｉ ｅ Ａｃ ｉ
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三维成像声纳数据采集系统设计
0引言
近年来，三维成像声纳[1]受到广泛关注，相关技术发 展 迅 速 。 三 维 成 像 声 纳 的 优 点 为 成 像 分 辨 率 高 ，缺 点 是 其接收基阵阵元数达几千甚至上万[2]，所对应的数据 采集 系 统 包 含 了 大 规 模 的 模 拟 通 道 ，设 计 复 杂 ，实 现 困 难 。 [3] 传统依赖经验的设计方法周期长、成本高，且很难 保 证 设 计 指 标 ，无 法 满 足 三 维 成 像 声 纳 设 计 要 求 。 因 此 ，需 要 一 种 更 加 理 性 的 设 计 方 式 ，能 够 保 证 设 计 的 可 靠性及指标要求。
1 三维成像声纳数据采集系统结构
三 维 成 像 声 纳 数 据 采 集 系 统 采 用 分 级 、模 块 化 设 计 。 [4⁃7] 其基本结构如图 1 所示。
图 1 数据采集系统结构图 Fig. 1 Structure diagram of data acquisition system
采集及解调模块在采集 N 个换能器阵元的信号 后，对每一个通道的数据进行解调[8]，输出基带信号。信
China（11304343）
噪 声 、信 号 过 程 ，提 出 数 据 采 集 系 统 主 要 设 计 参 数 需 要 满足的约束方程，利用约束方程验证数据采集系统设计 是 否 满 足 指 标 要 求 ，并 对 三 维 声 纳 的 最 终 性 能 进 行 预 测。最后通过实验结果验证设计方法的可行性。
声呐系统课程设计
声呐系统课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解声呐系统的基本原理，掌握声波在水中传播的特性。
2. 学生能够描述声呐系统的工作过程，了解声呐在海洋探测中的应用。
3. 学生能够掌握声呐系统参数的计算方法，如声速、距离和方位角的计算。
技能目标：1. 学生能够运用所学知识，分析并解决声呐系统在实际应用中出现的问题。
2. 学生能够设计简单的声呐系统实验，通过实验验证声呐原理。
3. 学生能够运用声呐系统进行简单的水下目标探测，提高实践操作能力。
情感态度价值观目标：1. 学生通过学习声呐系统，培养对物理学和海洋科学的兴趣，增强探索精神。
2. 学生能够认识到声呐系统在我国海洋事业中的重要性，增强国家意识和国防意识。
3. 学生在团队合作中进行实验和问题讨论，培养沟通协作能力和集体荣誉感。
课程性质分析：本课程为物理学科选修课程，结合了物理学和海洋科学知识，以声呐系统为载体，培养学生的科学素养和实际操作能力。
学生特点分析：高二年级学生具备一定的物理基础，具有较强的逻辑思维能力和动手能力，对新鲜事物充满好奇心，适合开展此类实践性较强的课程。
教学要求：1. 注重理论与实践相结合，提高学生的实际操作能力。
2. 鼓励学生积极参与讨论，培养独立思考和解决问题的能力。
3. 强调团队合作，培养学生的沟通协作能力。
二、教学内容1. 声波传播原理：介绍声波在水中传播的特性和规律，引用教材中相关章节，如声波的速度、衰减、反射和折射等。
2. 声呐系统组成：分析声呐系统的各个组成部分，包括发射器、接收器、换能器、信号处理器等，结合教材内容进行讲解。
3. 声呐工作原理：详细阐述声呐系统的工作过程，如发射声波、接收回波、信号处理等，引用教材中相应章节。
4. 声呐系统参数计算：教授声速、距离和方位角等参数的计算方法，结合教材实例进行讲解和练习。
5. 声呐应用案例：介绍声呐在海洋探测、水下考古、渔业资源调查等方面的应用，引用教材中相关案例。
三维成像声纳显控软件系统设计
应 软件 模 块 的设 计 方 法 。 从 而 为三 维成 像 声 纳 的显 示 控 制 系统提 供 一 种 有 效 的参 考 。
关 键 词 ：三维 成像 声 纳 ； 点云 数 据 ； 实 时显 示
ｉ ｍａ ｇ ｉ ｎ ｇ ｓ ｏ ｎ ａ ｒ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ，ｙ ｏ ｕ ｃ ｏ ｕ ｌ ｄ ｉ ｆ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｓ ｆ ｏ ｒ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗａ ｒ ｅ ｍｏ ｄ ｕ ｌ ｅ ３ Ｄ ｉ ｍａ ｇ ｉ ｎ ｇ ｓ ｏ ｎ ａ ｒ ，Ｓ Ｏ ｉ ｔ ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｅ ｓ ａ ｎ ｅ ｆｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｒ ｅ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｄ ｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｙ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｏ ｆ ３ Ｄ ｉ ｍａ ｇ ｉ ｎ ｇ ｓ ｏ ｎ ａ ｒ ．
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｎ２ ６ 文献 标 识码 ： Ｂ 文 章编 号 ： １ ０ ０ ４ — ４ ５ ０ ７ （ ２ ０ １ ７ ） ０ ２ — ０ ０ ５ ２ — ０ ３
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ Ｄｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｙ ａ ｎ ｄ Ｃｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ Ｓ ｏ ｆ ｔ ｗａ ｒ ｅ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｆ ｏ ｒ
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小平台三维成像声呐显示系统实现
小平台三维成像声呐显示系统实现
徐剑;周天;李海森;么彬
【期刊名称】《沈阳工业大学学报》
【年(卷),期】2011(033)005
【摘要】为了满足小平台声呐声学三维成像的需要,并对海底地形进行估计,提出了一种以OMAP5912双核处理芯片为核心处理器,基于DSP内核实时实现的多子阵幅度-相位联合检测算法.利用ARM内核自主开发了三维显示函数库,实现了基于LCD的海底地形信息三维重构显示,并利用QT/E设计了人机交互界面.此小平台三维成像声呐系统在松花湖外场实验过程中性能稳定,能够有效完成湖底三维地形信息的伪彩显示,充分验证了该方法的有效性、实用性与优越性.
【总页数】5页(P566-569,581)
【作者】徐剑;周天;李海森;么彬
【作者单位】哈尔滨工程大学水声技术国家级重点实验室,哈尔滨150001;哈尔滨工程大学水声技术国家级重点实验室,哈尔滨150001;哈尔滨工程大学水声技术国家级重点实验室,哈尔滨150001;哈尔滨工程大学水声技术国家级重点实验室,哈尔滨150001
【正文语种】中文
【中图分类】TP39
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1.三维成像声呐的设计与实现 [J], 桑恩方;张小平;苏龙滨
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3.集成成像三维显示系统显示性能的研究进展 [J], 赵星;王芳;杨勇;方志良;袁小聪
4.三维声呐成像系统在防波堤水下安装块石中的运用 [J], 胡金龙;邓居勇
5.三维ABUS图像多平面联合显示平台的MATLAB实现方法 [J], 闵一迪;吴俊;汪源源;徐丹;罗华友;孙亮;舒若
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C3d侧扫声纳综述
C3d侧扫声纳综述一：C3d侧扫声纳的简介•它是能成功地制作了一种融合高清晰度侧扫声呐图像和高精度测深数据而生成精确的海床地形、地貌的声呐系统(简称侧扫声呐C3D成像系统)。
该系统集侧扫声呐和多波束测深系统优点于一体，既可得到高清晰的图像数据、又可取得高精度的测深数据，而且测量幅度宽探测效率高。
干涉声呐一般使用二个水听器，随着测量范围的增大，相位差测角的精度降低，导致测深精度降低。
虽增大水听器间隔可改善远程测深精度。
但是，当水听器间隔超过波长的一半时，会出现相位多值性问题。
此外，干涉声呐不能求出同时来自多个目标的回波方向，如图所示的海底和垂直壁面的回波方向。
侧扫声呐C3D成像系统，与干涉声呐不同，使用６单元水听器阵列，利用CAATI专利技术，从６个接受信号的相位和振幅计算出多个（最多5个）同时到来的回波方向。
该系统在这方面个好地解决相关问题二：侧扫声纳工作的原理1、侧扫声纳是水下搜索、水下考察等一项重要的有力的工具，它能不受水体可见度的影响而快速覆盖大面积水域“看”到水下情况。
每边旁扫通过向水底发射声纳，反射后被拖鱼接收形成声纳影象来发现水下物体。
接收到的信号通过拖缆传到甲板上的显示单元。
[2]2、显示单元显示的是高分辨率的海底或湖底或河底或位于底部其他物体的声纳影像。
声纳的声波是通过安装在两边的拖鱼发射并接收的。
换能器的分辨率决定于发射声波的频率。
3、旁扫是以较低的频率来得到较大的扫描范围，但是精度要低。
高频系统可以得到较高的精度，但是扫描范围较小。
双频旁扫同时拥有高频和低频换能器，这样可以得到较大范围同时分辨率较高的图像。
4，侧扫声纳左右各安装一条换能器线阵,首先发射一短促的声脉冲,声波按球面波方式向外传播,碰到海底或水中物体会产生散射,其中的反向散射波(也叫回波)会按原传播路线返回换能器被换能器接收,经换能器转换成一系列电脉冲.三：C3D侧扫声纳的应用1：海洋测绘中C3D侧扫声纳可以显示微地貌形态和分布,可以得到连续的有一定宽度的二维海底声图,而且还可能做到全覆盖不漏测,这是测深仪和条带测深仪所不能替代的,所以港口、重要航道、重要海区,都要经过侧扫声纳测量情况. 这是其他探测设备不可替代的2：海洋地质调查C3D侧扫声纳的海底声图可以显示出地质形态构造和底质的大概分类,可以显示出洋脊和海底火山,是研究地球大地构造和板块运动的有力手段3：海洋工程勘探利用C3D侧扫声纳可以分析地貌、海底构造,底质,可以分析海床迁移和稳定性. 所以也广泛应用于海洋工程勘探,如海底电缆、海底输油管线的路由器调查等4：寻找水下沉船沉物和探测水雷C3D侧扫声纳分辨力高,可以发现水雷等小目标,可以发现沉船,并能显示沉船的坐卧海底姿态和破损5：C3D用途大概可总结：•C3D侧扫声纳还广泛应用于其他方面,如渔业研究、水下考古等水道通航研究•水道测量与海底地貌制图•工程与科学研究•水下目标物探测•电缆、光缆及海底管线探查•过江及跨海大桥水下建筑物安全探测•海底矿产分布状况探测•渔群生物量估计四：声图成像特征声图依据扫描线像素的灰度变化显示目标轮廓和结构以及地貌起伏形态. 目标成像灰度有两种基本变化特征:(1)隆起形态的灰度特征. 海底隆起形态在扫描线上的灰度特征是前黑后白,亦即黑色反映目标实体形态,白色为阴影.(2)凹陷形态的灰度特征. 海底凹洼形态在扫描线上的灰度特征是前白后黑,亦即白色是凹洼前壁无反射回声波信号,黑色是凹洼后壁迎声波面反射回波声信号加强.海底表面起伏形态和目标起伏形态,在声图上反映灰度变化,就是以上两种基本特征的组合排列变化(见图8).五：C3D系统的优势1.用户可根据需要进行选择舷侧固定、拖鱼及AUV等多种安装方式，通过ADSL高速通信连接器和光缆通讯，可对3000―6000m海底地形进行探测。
三维成像声纳显控软件系统设计
三维成像声纳显控软件系统设计
刘娜;肖雅静
【期刊名称】《电子工业专用设备》
【年(卷),期】2017(0)2
【摘要】基于三维成像声纳系统的应用需求,设计了三维成像声纳的显控软件系统,并介绍了相应软件模块的设计方法,从而为三维成像声纳的显示控制系统提供一种有效的参考.
【总页数】3页(P52-54)
【作者】刘娜;肖雅静
【作者单位】中电科海洋信息技术研究院有限公司,北京 100043;中国电子科技集团公司第四十五研究所,北京 100176
【正文语种】中文
【中图分类】TN26
【相关文献】
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2.一种管道声纳三维成像系统设计方法 [J], 丁旭伟; 胡仁昱
3.基于Qt的声纳模拟显控软件设计与实现 [J], 李华庆
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5.实时MIMO三维成像声纳系统设计与FPGA实现 [J], 夏碧君;肖开奇;向龙凤;朱磊
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基于FPGA的高精度三维成像声呐系统
基于FPGA的高精度三维成像声呐系统
摘要：高精度三维成像声呐的实现需要完成大规模信号同步采集和海量数据并行计算，为此，提出基于现场可编程逻辑门阵列的并行计算系统。
在使用同源时钟的前提下，利用Spartan-3 对平面阵2304 路换能器信号进行同步采样，通过离散傅里叶变换降采样以减小采样数据规模，采用Virtex-5 重新计算换能器权重以降低运算量，使用分步的波束形成算法以减小系统所消耗的存储器规模，同时在PC上实现三维图像实时显示。
实验结果证明了该系统的可行性。
1 概述
高精度三维成像技术是目前水声设备研究的重要创新领域，在海底勘探、沉船打捞、海洋研究等领域都有重要应用。
目前研制高精度三维声呐成像系统需要克服的关键技术难点在于大规模换能器数据的同步采集和海量数据的并行计算所带来的巨大的硬件开销[1]。
为此，文献[2]提出使用稀疏矩阵换能器阵列，对平面阵内不同索引号的换能器进行权重分配，对权重为0 的换能器做忽略处理从而减少前端信号采集通道和后端的数据运算量。
从减少波束形成过程中参与并行运算矩阵的大小出发，文献[3]提出将大阵列进行多子阵划分，通过换能器发射机和接收机做一定的匹配设计，使用波束多级合成的办法形成最终的波束，也能做到减少运算量。
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三维成像声纳姓名：徐静专业：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二章三维成像声呐的工作原理第三章三维成像声呐的应用第四章三维成像声纳的选择第五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 失事船只残骸第二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：接口规格：机械参数：3.1.2 EclipseEclipse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：图3-2 eclipse 系统的主要技术规格：物理特性甲板控制单元：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：接口参数：机械参数：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图3-4：其参数如下表所示：图3-4 BLUEVIEW BV5000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：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。