一种水下三维可视化探测系统及其探测方法[发明专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911025224.7
(22)申请日 2019.10.25
(71)申请人 南京奥达升智能科技有限公司
地址 211100 江苏省南京市江宁区麒麟科
技创新园智汇路300号
(72)发明人 潘宇翔　
(74)专利代理机构 南京泰普专利代理事务所
(普通合伙) 32360
代理人 窦贤宇
(51)Int.Cl.
G01S 15/89(2006.01)
(54)发明名称
一种水下三维可视化探测系统及其探测方
法
(57)摘要
本发明公开了一种水下三维可视化探测系
统及其探测方法，属于工程技术领域。

其中，三维
可视化探测系统包括：发射模块、接收模块、GPS
模块、上位机模块以及图像输出模块，其中上位
机模块包括有网络单元、数据处理单元以及图像
处理单元。

与现有技术相比，本发明能够方便技
术人员获取水下三维可视化图像，为工程作业提
供水下地质及地形信息参考，方便技术人员选择
合适的作业地点，减少钻探作业次数，在降低工
程周期，
减轻作业人员的劳动强度。

权利要求书1页 说明书5页 附图1页CN 110764094 A 2020.02.07
C N 110764094
A
1.一种水下三维可视化探测系统，其特征在于，包括：用于发射声波的发射模块、用于接收声波信号的接收模块、用于提供定位信息的GPS模块、用于对接收的声波信号进行处理获得水下可视化图像的上位机模块以及将图像进行展示的图像输出模块，所述发射模块、接收模块以及GPS模块集合于同一探测设备上，所述上位机模块包括有用于实现网络连接的网络单元、将声波信号进行处理以获得水下反射物与探测设备之间距离的数据处理单元以及将距离信息进行整合处理形成水下三维可视化图像的图像处理单元，所述发射模块、接收模块以及GPS模块分别与上位机模块通讯连接，所述上位机模块与图像输出模块通讯连接。

2.根据权利要求1所述的水下三维可视化探测系统，其特征在于，所述接收模块包括信号放大单元。

3.根据权利要求1所述的水下三维可视化探测系统，其特征在于，所述发射模块还包括发射时钟单元，所述接收模块还包括接收时钟单元，所述GPS模块包括定位时钟单元，所述发射时钟单元、接收时钟单元以及定位时钟单元同步。

4.根据权利要求1所述的水下三维可视化探测系统，其特征在于，所述上位机模块还包括图像处理单元还包括图像存储单元，所述存储单元内预存有多个地质图像单元，所述地质图像单元包括图像颗粒和图像色彩，图像处理单元根据处理结果调用图像存储单元内的地质图像单元进行填充形成立体的水下三维可视化图像。

5.一种水下三维可视化探测系统的探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：发射模块向水下发射高频声波，声波由于水下地质层的阻挡被反射回去，接收模块接收反射回的声波，发射模块将发射信号发送至上位机模块，接收模块将接收信号发送至上位机模块，同时GPS模块实时将探测设备的定位信息发送至上位机模块；
步骤2：发射模块向水下发射的声波遇到泥沙层时，部分声波被阻挡返回被接收模块接收，接收模块将接收信号发送至上位机模块，上位机模块的数据处理单元根据信号发射接收时间与发射时间的时间差，计算声波的传输距离，进而计算得出泥沙层到探测器的距离，同时，剩余的声波继续向下传输；
步骤3：重复步骤2，计算出水下泥浆层、岩石层到探测器的距离；
步骤4：探测器调整探测位置探测水下数据，上位机模块的数据处理单元计算出各探测点水下数据；
步骤5：上位机模块的图像处理单元调用数据处理单元的计算数据，模拟出水下三维可视化图像，并通过图像输出模块展示。

6.根据权利要求5所述的水下三维可视化探测系统的探测方法，其特征在于，步骤2中接收模块包括信号放大单元，信号放大单元将接收的声波信号进行放大便于接收模块接收和识别。

7.根据权利要求5所述的水下三维可视化探测系统的探测方法，其特征在于，步骤5中图像处理单元调用图像存储单元中的图像颗粒对水下图像进行填充，同时调用图像色彩对地质图像进行渲染形成最终的水下三维可视化图像。

8.根据权利要求5所述的水下三维可视化探测系统的探测方法，其特征在于，步骤5中的图像输出模块为触摸式显示屏，通过手指操作实现图像观察视角。

权　利　要　求　书1/1页CN 110764094 A
一种水下三维可视化探测系统及其探测方法
技术领域
[0001]本发明属于工程技术领域，尤其是一种水下三维可视化探测系统及其探测方法。

背景技术
[0002]随着现代科技的飞速发展，我国逐渐发展成为一个基建大国，通过基础建设的不断发展，提升国民生活水平。

例如一些跨河、跨江以及跨海大桥的架设不仅有地上作业部分，也有水下作业部分，相对来说，地上作业的复杂程度要低于水下作业，而水下作业则需要提供水下地形信息。

三维可视化探测系统能够较为便利的探测地形，并为工程技术人员提供可视化的地形信息，极大的降低了工程设计以及施工难度。

[0003]现有的三维可视化探测系统一般采用探测器扫描地形采集地形数字化信息，并结合探测器的三维坐标数据，通过计算机模拟生成三维数字地图，并通过可视化设备进行展示。

通过探测系统探测的地形信息可以为工程设计提供合适的工程施工位置以降低工程施工难度，例如在地势平坦的位置施工显然要优于在地势坑洼的位置施工。

[0004]但是水下作业不仅要考虑到地形还要考虑地质情况，水下泥沙淤积，不适合工程设备的稳固同时还会影响作业深度，现有技术中的三维可视化探测系统不具备地质探测功能，因此需要另外采用定点钻探的方式获取地质信息。

由于没有地质信息参考，使得钻探作业的范围较广，作业次数较多，极大的影响了工程周期，同时增加作业人员劳动强度。

发明内容
[0005]发明目的：提供一种水下三维可视化探测系统，以优化现有的探测系统。

[0006]技术方案：本发明提供一种水下三维可视化探测系统，包括：用于发射声波的发射模块、用于接收声波信号的接收模块、用于提供定位信息的GPS模块、用于对接收的声波信号进行处理获得水下可视化图像的上位机模块以及将图像进行展示的图像输出模块，所述发射模块、接收模块以及GPS模块集合于同一探测设备上，所述上位机模块包括有用于实现网络连接的网络单元、将声波信号进行处理以获得水下反射物与探测设备之间距离的数据处理单元以及将距离信息进行整合处理形成水下三维可视化图像的图像处理单元，所述发射模块、接收模块以及GPS模块分别与上位机模块通讯连接，所述上位机模块与图像输出模块通讯连接。

[0007]在进一步的实施例中，所述接收模块包括信号放大单元，声波在传输过程中会存在由于水流以及水中杂质的影响产生一定的衰减，通过信号放大单元将接收模块接收的声波信号进行放大，便于接收模块接收和识别，避免因接收信号较弱导致探测结果存在误差，提高探测结果的准确性，为技术人员提供水下地形及地质信息参考，方便水下作业。

[0008]在进一步的实施例中，所述发射模块还包括发射时钟单元，所述接收模块还包括接收时钟单元，所述GPS模块包括定位时钟单元，所述发射时钟单元、接收时钟单元以及定位时钟单元同步，通过此设置使发射声波、接收声波以及探测点坐标数据的时间基准一致，便于数据处理模块进行数据计算，防止因时间基准不统一导致在多个探测点的计算数据混
乱，进一步提高探测结果的准确性，为技术人员准确提供水下地形及地质信息，便于技术人员选择合适的作业地点，提高钻探作业效率，减少工程周期。

[0009]在进一步的实施例中，所述上位机模块还包括图像处理单元还包括图像存储单元，所述存储单元内预存有多个地质图像单元，所述地质图像单元包括图像颗粒和图像色彩，图像处理单元根据处理结果调用图像存储单元内的地质图像单元进行填充和渲染形成水下三维可视化图像，通过对可视化图像中的不同地质进行填充和渲染，能够提高图像的可识别性，方便技术人员获知水下地形及地质信息。

[0010]本发明还提供一种水下三维可视化探测系统的探测方法，包括以下步骤：步骤1：发射模块向水下发射高频声波，声波由于水下地质层的阻挡被反射回去，接收模块接收反射回的声波，发射模块将发射信号发送至上位机模块，接收模块将接收信号发送至上位机模块，同时GPS模块实时将探测设备的定位信息发送至上位机模块；
步骤2：发射模块向水下发射的声波遇到泥沙层时，部分声波被阻挡返回被接收模块接收，接收模块将接收信号发送至上位机模块，上位机模块的数据处理单元根据信号发射接收时间与发射时间的时间差，计算声波的传输距离，进而计算得出泥沙层到探测器的距离，同时，剩余的声波继续向下传输；
步骤3：重复步骤2，计算出水下泥浆层、岩石层到探测器的距离；
步骤4：探测器调整探测位置探测水下数据，上位机模块的数据处理单元计算出各探测点水下数据；
步骤5：上位机模块的图像处理单元调用数据处理单元的计算数据，模拟出水下三维可视化图像，并通过图像输出模块展示。

[0011]在进一步的实施例中，步骤2中接收模块包括信号放大单元，信号放大单元将接收的声波信号进行放大便于接收模块接收和识别。

[0012]在进一步的实施例中，步骤5中图像处理单元调用图像存储单元中的图像颗粒对水下图像进行填充，同时调用图像色彩对地质图像进行渲染形成最终的水下三维可视化图像。

[0013]在进一步的实施例中，步骤5中的图像输出模块为触摸式显示屏，通过手指操作实现图像观察视角，通过此设置能够方便技术人员从多角度观察水下地形及地质的模拟图像，为技术人员选择合适的作业地点提供参考。

[0014]有益效果：本发明提供的水下三维可视化探测系统包括：发射模块、接收模块、GPS 模块、上位机模块以及图像输出模块，其中上位机模块包括有网络单元、数据处理单元以及图像处理单元，通过发射模块向水下发射高频声波，高频声波在水下遇到不同地质层的阻挡返回被接收模块接收，上位机模块中的数据处理单元根据声波信号的接收时间和发射时间差以及GPS模块体统的探测点坐标数据计算水下各地质层到探测点的距离，不断调整探测点的位置获得水下不同地点的地质层的地形数据，图像处理单元根据此数据模拟出水下地形及地质的三维可视化图像，并通过图像输出模块进行展示。

与现有技术相比，本发明能够方便技术人员获取水下三维可视化图像，为工程作业提供水下地质及地形信息参考，方便技术人员选择合适的作业地点，减少钻探作业次数，在降低工程周期，减轻作业人员的劳动强度。

附图说明
[0015]图1是本发明的连接示意图。

[0016]图2是本发明的结构框图
图3是本发明的信号放大单元的电路放大示意图。

[0017]图4是本发明的水下地质及地形示意图。

[0018]图1至图4的附图标记为：发射模块10、接收模块20、GPS模块30、上位机模块40、网络单元401、数据处理单元402、图像处理单元403、图像存储单元404、图像输出模块50、探测器60。

具体实施方式
[0019]在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。

然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。

在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

[0020]经研究人员研究发现，工程作业过程中经常会遇到水下作业的情况，进行水下作业需要了解水下地形和地质信息，以便技术人员选择合适的作业地点，而三维可视化探测系统能够为技术人员提供水下地形图像，可以为水下作业位置的选择提供参考。

但是水下作业不仅要考虑到地形，还要考虑地质情况，水下泥沙淤积，不适合工程设备的温度，同时还会影响作业深度，现有技术中的主要先采用探测系统寻找平稳的施工位置点，再利用钻探设备进行定点钻探的方式获取地质信息，由于没有地质信息参考，使得钻探作业的范围交广，作业次数较多，极大的影响了工程周期，同时增加作业人员的劳动强度。

[0021]如图1和图2所示，本发明提供的水下三维可视化探测系统，包括：用于发射声波的发射模块10、用于接收声波信号的接收模块20、用于提供定位信息的GPS模块30、用于对接收的声波信号进行处理获得水下可视化图像的上位机模块40以及将图像进行展示的图像输出模块50。

其中，发射模块10、接收模块20以及GPS模块30集合于同一探测设备上，具体的，可以将发射模块10、接收模块20以及GPS模块30安装在水下无人机或者由测量船牵引的拖鱼上，本实施例中采用将发射模块10、接收模块20以及GPS模块30整合在同一水下无人机上，通过人为操控无人机可以较为方便选择和调整探测位置，同时无人机的电力系统可以为发射模块10、接收模块20以及GPS模块30提供电力供应。

本实施例中的上位机模块40包括有用于实现网络连接的网络单元401、将声波信号进行处理以获得水下反射物与探测设备之间距离的数据处理单元402以及将距离信息进行整合处理形成水下三维可视化图像的图像处理单元403。

其中发射模块10、接收模块20以及GPS模块30通过网络单元401上位机模块40建立通讯连接，同时，上位机模块40与图像输出模块50也通讯连接，上位机模拟的图像可以通过图像输出模块50予以展示，其中图像处理模块可以是显示屏或者可佩带的三维可视化眼镜。

[0022]声波在传输过程中会存在由于水流以及水中杂质的影响产生一定的衰减，因此接收模块20接收声波信号存在一定的难度。

结合图3，本实施例中接收模块20包括信号放大单元，通过信号放大单元将接收模块20接收的声波信号进行放大，便于接收模块20准确接收和识别由发射模块10发射出去并被地质层反射回来的声波，避免因接收信号较弱导致探测
结果存在误差，通过设置信号放大单元能够提高探测结果的准确性，使探测系统探测模拟的水下三维可视化图像能够较为准确的为技术人员提供水下地形及地质信息参考，使技术人员快速准确的选择水下作业位置，提供作业效率。

[0023]在进一步的实施例中，发射模块10还包括发射时钟单元，接收模块20还包括接收时钟单元，GPS模块30包括定位时钟单元；并且发射时钟单元、接收时钟单元以及定位时钟单元同步。

由于声波在水下传输以及反射回来需要一定的时间，通过计算声波在该时间内的距离可以相应的得到水下反射物到发射模块10之间的距离，因此需要对声波的发射时间以及接收时间进行实时监测，而定位时钟单元能够提供某一时间探测点的坐标数据。

将发射声波、接收声波以及探测点坐标数据的时间基准一致，便于数据处理模块进行数据计算，防止因时间基准不统一导致在多个探测点的计算数据混乱。

通过以上设置能够进一步提高本系统探测结果的准确性，为技术人员准确提供水下地形及地质信息，进而为技术人员选择合适的作业地点提供参考，提高钻探作业效率，减少工程周期。

[0024]在进一步的实施例中，上位机模块40还包括图像处理单元403还包括图像存储单元404，存储单元内预存有多个地质图像单元，地质图像单元包括图像颗粒和图像色彩，图像处理单元403根据处理结果调用图像存储单元404内的地质图像单元进行填充和渲染形成立体的水下三维可视化图像。

本实施例中图像处理单元403采用美国SGL公司开发的OpenGL三维图形应用程序，利用数据处理单元402提供的数据信息，模拟绘制出不同地质层的地形图，并将同一探测点处的地形图进行叠加，将各地质层对应的图像颗粒填充进相应的地质层图像中，并调用图像色彩进行渲染，提高图像的逼真效果以增加可识别性，而技术人员通过观察图像即可快速方便的获知水下地形及地质信息，寻找软基层较为薄弱的位置进行钻探作业。

[0025]工作原理：利用水下无人机携带探测设备巡游至合适地点，发射模块10向水下发射高频声波，声波由于水下地质层的阻挡被反射回去，接收模块20接收反射回的声波，发射模块10将发射信号实时发送至上位机模块40，接收模块20将接收信号实时发送至上位机模块40，同时GPS模块30实时将探测设备的定位信息实时发送至上位机模块40，其中定位信息包括水平位置、海拔高度以及探测视角度数；结合图4，水下的地质层较为复杂，但是可以简单概括为软基层和硬基层，其中软基层主要分为泥沙层和泥浆层，泥沙层的沙粒颗度要大于泥浆层，但是其密度小于泥浆层，泥沙层位于泥浆层的上方，硬基层主要为岩石以及硬土构成，该层位于泥浆层的下方，此层水分较少，硬度较大；当发射模块10向水下发射的声波遇到泥沙层时，部分声波被阻挡返回被接收模块20接收，接收模块20将接收信号发送至上位机模块40，上位机模块40的数据处理单元402根据信号发射接收时间与发射时间的时间差，计算声波的传输距离，得出泥沙层到探测器60的距离，同时，未被阻挡的剩余的声波继续向下传输，并依次被泥浆层和岩石层或硬土层反射回去，并依次被接收模块20接收，相应的可以计算出泥浆层和岩石层或者硬土层到探测器60的距离，由于声波在传输过程中存在一定的衰减，通过信号放大单元将接收模块20接收的声波信号进行放大，以便于接收模块20能够准确识别声波信号；操作水下无人机使探测器60调整探测位置，上位机模块40的数据处理单元402计算出各探测点水下的地质层数据，图像处理单元403采用OpenGL三维图形应用程序将这些数据模拟绘制出不同地质层的地形图，并将同一探测点处的地形图进行叠加，将各地质层对应的图像颗粒填充进相应的地质层图像中，并调用图像色彩进行渲染形
成最终的三维可视化图像，并通过图像输出模块50进行展示。

[0026]为了方便技术人员通过多角度观察图像，本实施例中的图像输出模块50为触摸式显示屏，技术人员通过手指操作实现图像观察视角的变化，进而从不同角度观察水下地质和地形情况，为技术人员选择合适的作业地点提供参考。

[0027]本发明提供的水下三维可视化探测系统通过发射模块10向水下发射高频声波，高频声波在水下遇到不同地质层的阻挡返回被接收模块20接收，上位机模块40中的数据处理单元402根据声波信号的接收时间和发射时间差以及GPS模块30体统的探测点坐标数据计算水下各地质层到探测点的距离，不断调整探测点的位置获得水下不同地点的地质层的地形数据，图像处理单元403根据此数据模拟出水下地形及地质的三维可视化图像，并通过图像输出模块50进行展示，方便技术人员获取水下三维可视化图像，为工程作业提供水下地质及地形信息参考，方便技术人员选择合适的作业地点，减少钻探作业次数，在降低工程周期，减轻作业人员的劳动强度。

[0028]以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

图1
图2
图3
图4。