三维成像声纳毕业论文
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。
三维成像声纳
0.5°
20° 0.5m-120m 7-30Hz 8mm 35W 18-75VDC Ethernet(10/100 Base T)or VSDL(with Ethernet
Comms
1000Base available) Impulse as standard,Schilling option
Connector
300m 4000m 2500m 300m 300m 4000m
深度 级别 频率
720KHz
720KHz
240KHz
1.35MHz
2.25MHz
10K/800KHz
重量
3.9Kg
7.96Kg
19Kg
21.7Kg
19.1Kg
2Kg
扫描 扇区 接口
120°×20°
120°×20 °
120°×45°; 120°×1.5°
BV5000-1350船坞扫描
高
软件
15.4in
• Leica Cyclone Register • Leica Cyclone Model
15.4in
• Leica Cyclone Register Customer Care Package (CCP)
• Leica Cyclone Model Customer Care Package
1000Base
产品介绍
Gemini 720id
高频三维实时成像声纳 Gemini 720i升级版
调焦能力优秀,适用于近距离观察和 远距离探测
耐压深度：4000m
产品介绍
Gemini 720id参数
工作频率
声学角度分辨率 扫描扇区 波束个数
720KHz
《多波束成像声呐仿真及成像分析研究》范文
《多波束成像声呐仿真及成像分析研究》篇一一、引言多波束成像声呐（Multi-beam Imaging Sonar）是一种高分辨率、高精度的水下探测设备，广泛应用于海洋科学研究、水下考古、海洋资源探测以及军事等领域。
其工作原理是通过发射多个声波束，对水下目标进行扫描，并根据接收的回波信息重构目标的图像。
近年来，随着计算机技术和信号处理技术的不断发展，多波束成像声呐在成像性能和抗干扰能力方面取得了显著的进步。
本文将对多波束成像声呐的仿真及其成像分析进行研究。
二、多波束成像声呐的仿真1. 仿真模型建立多波束成像声呐的仿真模型主要包括声呐系统模型、目标模型和环境模型。
声呐系统模型包括发射器、接收器和信号处理模块等；目标模型用于模拟水下目标的形状、大小和材质等特征；环境模型则用于模拟水体的声速、温度、盐度等参数以及水下的地形地貌等。
在仿真过程中，首先需要根据实际需求和条件，设定仿真参数，如声呐的工作频率、波束数、扫描速度等。
然后，通过建立仿真模型，模拟声波的发射、传播和接收过程。
2. 仿真结果分析仿真结果主要包括声波的传播图像和回波信号的时序图。
通过对这些图像和时序图的分析，可以了解声波在水下的传播特性，如声速分布、衰减等。
同时，还可以分析回波信号的强度、频率等特征，为后续的成像处理提供依据。
三、多波束成像分析1. 成像原理多波束成像声呐的成像原理是通过多个声波束对水下目标进行扫描，根据接收到的回波信息重构目标的图像。
在成像过程中，需要考虑到声波的传播特性、目标特性以及环境因素等多种因素。
2. 成像性能评价多波束成像声呐的成像性能主要受到分辨率、信噪比和动态范围等指标的影响。
分辨率越高，能够分辨出目标越细微的特征；信噪比越高，图像的清晰度越高；动态范围则决定了图像的亮度和对比度。
通过对这些指标的分析，可以评价多波束成像声呐的成像性能。
3. 成像结果分析通过对多波束成像声呐的实际应用进行实验研究，可以获得水下目标的图像。
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。
一种声纳图像的三维重建方法
一种声纳图像的三维重建方法李雪峰;姜静【摘要】声纳是重要水下探测与感知设备, 但普通的二维声纳图像包含信息较少, 不利于直观的理解.本文基于声纳图像的映射原理、利用多视角的几何映射关系建立一种特征点的三维重建方法.对声纳的映射与逆映射原理进行描述与分析, 建立一种对高度特征分段分层搜索的重建方法, 实现旋转、平移参数已知情况下的重建;对参数未知的情况, 利用粒子群优化算法和少量特征点获得参数的估计, 在此基础上实现更多特征点的重建;最后增加传感器对旋转平移参数带有误差的估计, 实现重建精度大幅度地提升.该方法对特征点的数量以及重建环境的变化不敏感, 是一种适应性好、鲁棒性较强的方法.%Sonar is an important equipment for submarine detection and perception, but usual two-dimensional sonar images contain fewinformation and can not be comprehended intuitively. Depending on mapping theory of sonar image and using sonar multiple viewgeometry a three-dimensional reconstruction method for feature points is proposed in this paper.The theories of sonar mapping and their inverse mapping are described for building a threedimensional reconstruction method searching height feature in different segmental arc of every layer, which could realize reconstruction under the condition that rotation and translation parameters are known. Corresponding to situations that those parameters are not known, particle swarm optimization algorithm is used to estimate parameters via using fewfeature points. Then more feature points are reconstructed subsequently by estimated parameters. At the end of this paper, the precision is improved drastically by appendingrotation and translation parameters which are estimated by sensors with some errors. This described method is not easy to be obstructed by the number of feature points or reconstruction of scene, and hasgood adaptation as well as robustness.【期刊名称】《沈阳理工大学学报》【年(卷),期】2018(037)005【总页数】8页(P38-45)【关键词】三维重建;声纳图像;粒子群优化【作者】李雪峰;姜静【作者单位】沈阳理工大学自动化与电气工程学院,沈阳 110159;中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室,沈阳 110016;沈阳理工大学自动化与电气工程学院,沈阳 110159【正文语种】中文【中图分类】TP751.1随着能源、矿产等资源的日渐紧张,海洋资源的开发和利用越来越受到世界各国的重视,海洋技术与空天技术并列成为21世纪尖端科技竞争的焦点[1-2]。
基于声纳探测技术的水下三维场景实时成像系统
基于声纳探测技术的水下三维场景实时成像系统摘要：针对目前水下三维声纳实时成像系统前端信号通道多、波束形成计算量大的问题，提出一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的水下三维场景实时成像系统。
采用FPGA 阵列控制多路信号同步采样，优化波束形成算法对海量数据进行并行处理，同时利用嵌入式处理器PowerPC 控制系统，最终由主控PC 完成三维图像实时显示。
实验结果表明，该系统能够在水下200 m 的范围内实现分辨率为2 cm 的三维成像，三维图像刷新率可达20 帧/秒。
1 概述近年来，随着人们对海洋资源的不断需求与开发，水下探测技术得到了飞速发展。
人们对海洋的主要探测手段是声波，即声纳技术。
因此，利用声纳进行水下探测成为了当今海洋研究的重点课题。
然而，大部分声纳系统都是通过声波来判断有无声纳目标，以及目标的方位和距离。
目前，国内外在海底三维声纳成像技术方面已经取得了一定的成果[1]。
例如：美国RESoN 公司开发的新一代数字声纳SeaBat8125，欧洲共同体和挪威共同开发的Echoscope系列三维声纳，美国的海洋工业公司开发的双频识别声纳以及美国的Farsounder 公司开发的三维前视声纳[2-3]。
我国三维成像声纳也得到一定的发展，中科院声学所、715 所和哈尔滨工程大学等单位等都研制了三维声纳成像系统的试验样机并发表了相关论文[4]。
但这些声纳成像技术大多基于二维映射三维图像，或者小范围的慢速三维成像，成像效果不佳，实时性太差[5]。
本文提出基于三维声纳探测技术的水下三维场景实时成像系统，设计并实现4848 路信号的同步采样，128128 个空间波束形成的大规模数据处理和实时水下三维场景成像。
2 系统总体设计2.1 系统技术特点目前，实时高分辨率的三维声纳系统面临2 个问题[6]：(1)大量前端信号通道的硬件成本昂贵；(2)进行波束形成算法所需的乘累加计算量大。
首先，该系统采用了优化后的模拟退火算法[7]，对二维平面上的每一个换能器分配权重系数，在最大旁瓣可以接受的条件下，部分换能器的权重系数可以分配为0，即达到对换能器稀疏化，减小系统运算量的效果[8]。
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。
三维成像声呐在水下沉船扫测中的应用
三维成像声呐在水下沉船扫测中的应用摘要：本文介绍了三维成像声呐的系统组成和工作原理，并将其应用于水下沉船扫测中。
实际应用结果表明，三维点云数据能够很好的获取水下沉船的沉坐状态，精细的展示沉船的各个细节，数据完整、准确，具有其独特的优越性。
关键词：三维成像声呐；水下沉船；点云数据1 引言船舶失事沉没后，从事打捞工作的技术人员需要掌握沉船的沉坐状态信息，以便采用相应的方法进行打捞工作。
传统的二维成像声呐和多波束系统在直观性和精细度方面不能满足船体沉坐状态探测的要求，而三维成像声呐系统能够获取目标更精细的三维点云数据，从而可以提供沉船更多细节状态的描述。
本文阐述了三维成像声呐系统的基本组成和原理，并结合工程应用实例，从数据采集、点云数据去噪、配准和拼接建模等数据处理过程进行了分析。
2 三维成像声呐基本原理三维成像声呐BlueView 5000可生成水下地形、结构和目标的高分辨率图像。
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，只需触动按钮，三维扫描声呐就会生成水下景象的三维点云。
扫描声呐头和集成的云台可以生成扇区扫描和球面扫描数据。
可以在低照度或者零可见度的水下环境下，获得陆地三维激光扫描一样的图像。
2.1系统组成三维成像声呐系统（BV5000）包括硬件和软件两部分。
其中硬件部分主要包括声呐、云台、甲板单元及数据传输电缆等；软件部分包括Proscan、BlueViewer和第三方软件Cyclone及若干驱动程序。
声呐和云台通过专用线缆连接到接线盒，接线盒又通过以太网电缆和USB传输线与计算机连接，实现计算机与声呐和云台之间的通信，系统示意图见图1。
声呐发射并接收声呐信号，云台控制声呐的旋转和俯仰角度，Proscan是实时控制软件，可控制云台转动及声呐的相关参数，BlueViewer软件可进行点云数据査看和基本量测，第三方软件Cyclone可进行点云数据编辑处理。
2.2 工作原理三维成像声呐系统（BV5000）进行水下扫测的基本原理为声学测距。
陆地声纳的三维显示技术研究
工 业 技 术
陆地 声 纳 的 三维 显 示技 术 研 究
王 双 燕 （ 中国矿业 大学 （ 北 京） 北京 １ ０ ０ ０ ０ ０）
摘
要： 本论文主要根据 陆地 声呐的三维显示的意 义， 现代三 维显 示技 术的显示现状 ， 分析可实施 的方法， 实现较好 的直观 的显示的结构
（ ３ ） 三维显示可以将分 散二维图象 ， 综 三 维 显 示 的原 理 。
员必须 在 大 脑 中 进 行 图形 分 析 、 整合 ， 才 能 分 量 的 状 态 ， 从 而 更 加 方 便 的 分 析 地 下地 ３ 研究 内容 构 成 完 整 的 数 据 图像 ， 三分 量 显 示 技 术 可 质 形 态 ， 而 且 可 以 从 三 维 的 角 度去 分 析 和 以将数据完 整的显示成一幅 图片 ， 从 而 直 判 断 地 质体 的 空 间形 态 。 观的显示出数据信 息。 陆地 声纳 三分 量是 指垂直 地 面的垂 直分 ２ Ｈ Ｔ Ｍ Ｌ ５ 和 Ｗｅ ｂ Ｇ Ｌ 用于三维 显示的原 理 量， 平行地 面又 与炮检 线平行 的水平 分量 ， 及
Ｔｈ ｒ ｅｅ —ｄ ｉ ｍｅｎ ｓ ｉ Ｏ ｎ ａＩ ｄｉ ｓ ｐ ｌ ａｙ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏｌ ｏ ｇ ｙ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｏ ｆ ｌ ａ ｎ ｄ Ｓ Ｏｎ ａｒ
三维成像声纳在水下工程中的应用研究
三维成像声纳在水下工程中的应用研究所谓的三维成像声纳技术，就是利用声纳设备发射声波，这些声波触及到目标物以后会反射回来，系统可以根据回波对目标物进行定位和成像，这种方式与常规的旁扫有所不同，它能够直接获取水下结构的三维图像，不仅及时，而且准确，将这种技术应用于水下工程中，可以顺利完成水下探测工作。
文章简述了三维成像声纳系统的构成及功能，并分析了其在水下工程中的具体应用。
标签：三维成像声纳；水下工程；应用前言影响海洋工程质量安全的因素有很多，一般将这些因素分为两种，一种是水上结构部分，使用一些常规技术即可排除水上部分的安全隐患，包括触摸、观察、NDT检测等，另一种是水下结构部分，受到环境的限制，使用常规技术无法排除水下部分的安全隐患，这部分隐患不仅难发现、难处理，而且随着日积月累，微小缺陷可能会逐步扩大，最终导致极大的破坏，三维成像声纳技术就能够有效解决这一问题，高效检测海洋工程水下复杂结构部分的安全隐患，保证海洋工程水下施工的安全、稳定运行。
1 三维成像声纳系统概述1.1 系统的构成与具体功能三维成像声纳系统由三部分构成，其一是声纳头，其二是电脑终端，其三是电源和设备安装支架，其中声纳头有两个阵，一个是声纳阵，声波信号沿着锥形方向发射出去，另一个是接收阵，该阵由若干个水听器传感器组成，接收返回来的声波，最终目标物的三维图像会在电脑终端显示出来，测距的范围一般在1米至150米，图像更新的速度可以达到每秒20次。
声纳头的布局有两种形式，一种是靠岸加固，另一种是随船移动，具体布局形式根据周围环境以及检测对象的特征确定。
而在一般的海洋工程中，经常使用的是二维声纳Seaking DFS，声纳头的布局有所不同，一般都是固定安装在ROV（水下机器人）上，通过对水下机器人的操控实现对声纳头位置的控制，随着海洋工程的进一步发展，人们对声呐技术提出更高要求，将三维声纳应用于海洋工程中，通过声波信号的发射与收集，形成具有较高分辨率的图像，不仅能做到实时成像，图像还可以被缩放、旋转和移动，为水下施工过程提供准确、完整的信息[1]。
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）。
以3DSS-iDX-450三维侧扫声纳为例探究声纳于海洋测绘中的应用
Value Engineering1侧扫声纳的应用机理在操作侧扫声纳技术时，由于使用的是不连续的测深系统，因此在进行数据采集和处理时需要将不同深度的各种测绘数据进行收集和整理，而在对这些数据进行处理时，通常需要根据不同的深度将数据进行分类。
数据显示与记录单元主要是对在操作侧扫声纳技术时所采集到的各种测绘数据进行收集和整理。
同时还可以通过人机交互的方式对其进行展示。
数据传送单元，一般是在侧扫声纳技术中，最前方的工作模块，其主要作用就是能够在信息通道平台上，有效地传送测绘数据，为后续的数据深度处理提供更好的支持。
数据传送单元在整个侧扫声纳技术中，处于最前端，也是最重要的一环。
侧扫声纳技术中，最前方的工作模块，就是水下声波发射器。
它的主要作用就是发出声波，并以此来收集各种测绘信息。
拖曳电缆是必不可少的硬体装置，可以起到牵引、供电等多种功能。
接收换能器，也叫水听器，它能够把水中的声音信号转换成电信号，是侧扫声纳技术的一个关键组成部分，它能够把声波收集的信息转换成电信息。
该系统具有多种功能，能够在多种海洋测量任务中起到良好的作用。
它的工作频率一般为数十千赫至数百千赫，有效距离为300~600米。
侧扫声纳在进行近距离探测时，由于其本身的高分辨能力，可获得良好的地图绘制效果。
在进行海底地质勘探的时候，它的工作频率大大提高，能够探测到20公里的范围。
侧扫声纳技术的换能器主要位于拖曳体和船体之间，在海上行驶时向两边向下发射声脉冲，整体呈扇形波束。
该方法利用声波判断海面、海底及水体的媒质性质，并对该地区的声学结构进行探测，并对有关资料进行采集和处理。
[1]2多波束声纳数据处理系统的长回波的数据信息处理方法，主要包括：数据格式转换与读取，声速剖面信息处理，位置数据处理，潮位信息处理，姿态数据处理，深度信息处理，网格化，坐标系的转换。
在现代科技的帮助下，多波段声纳技术在已开展的海深探测中，除了可以实现潮位、声速和归心等校正功能以外，还可以对波束足迹数据进行更有效的计算，进而对海深探测资料加以筛选，并减少了其中存在的噪声和错误信息等。
水下三维声成像及声纳图像处理技术研究
9.李誉斐基于不变矩的高分辨成像声纳图像识别[学位论文]2008
10.王晓峰高频二维成像声纳硬件系统的设计与实现[学位论文]2004
本文链接:/Thesis_Y1437061.aspx
水下三维声成像及声纳图像处理技术研究
作者:唐利娜
学位授予单位:哈尔滨工程大学
1.丁锋水下目标三维成像波束形成仿真与显示技术研究[学位论文]2008
2.刘彦麟扫描式成像声纳数据三维实时显示技术研究[学位论文]2008
3.刘晨晨高分辨率成像声纳图像识别技术研究[学位论文]2006
4.曾新海声纳探测成像及图像处理方法研究[学位论文]2008
5.张新丽三维成像声纳中接收与发射基阵设计研究[学位论文]2008
6.田丰合成孔径声纳聚焦成பைடு நூலகம்算法研究[学位论文]2009
7.丁迎迎海底物体回波模拟与图像生成技术研究[学位论文]2006
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。
基于声纳检测的排水管道三维成像方法研究
基于声纳检测的排水管道三维成像方法研究摘要：传统的二维声纳图像很难直观地呈现管道缺陷的分布情况，而三维成像方法可弥补二维图像不足，提高缺陷检测效果。
本文提出一种实用管道三维成像方法，详细阐述了图像预处理、边缘检测、圆心检测以及三维可视化原理，并对工程现场排水管道进行实验。
实验表明，该方法可以清晰地显示管道及其内部状况，为市政排水管网的维护提供了高效检测手段。
关键词：声纳检测、边缘检测、VTK1.引言城市排水管网是城市最重要基础设施之一，承担着城市污水、雨水排放的重要功能。
如长期不加以检测和维护，会产生堵塞、变形、渗漏以及腐蚀等问题，影响排水功能，甚至会造成路面积水及坍塌，对城市交通及其他管道的使用造成极大的影响。
因此，排水管网的定期检测与维护可以延长管道寿命，保障排水管网正常运行。
目前，常用的排水管网检测方法主要有管道闭路电视内窥检测、声纳检测以及潜望镜等检测手段【1】。
在众多检测手段中，声纳检测可实现不断流检测，因此在管道检测中使用广泛【2】。
但声纳图像三维成像技术可直观发现察管道中缺陷分布情况，提高检测效率。
2.声纳三维成像原理声纳检测方法通过换能器向管道中发射高频超声波，声波在遇到障碍物或者管壁后会发生反射，通过接收反射信号传播时间和幅值即可获得超声波传播方向上管道状况。
当发射信号沿管道旋转一周后，即可获得管道截面处的超声回波能量分布图。
同时进行周向扫描和径向扫描，从而获得前进方向上的一系列管道断面声纳图像。
图1为实现管道三维成像的流程图。
图1 三维成像流程图2.1图像预处理声纳图像是声纳回波信号的幅值图像，由于声纳在传播过程中衰减，声纳图像易受噪声干扰，且对比度不高。
因此，图像需进行预处理，减小噪声，增强对比度是提高三维成像质量的重要保障。
首先对声纳图像进行去噪，为防止去除噪声时削弱图像边缘，采用双边滤波既可保持边界清晰又可去除噪声【3】。
双边滤波数学表达如式（1）所示（1）其中，为滤波后的图像，为原始图像，x为当前滤波像素点索引，是以x为中心的窗，fr 为灰度值相似性核函数，gs为空间核函数，通常选高斯函数作为核函数。
基于三维成像声纳技术的AUV前视避障方法
基于三维成像声纳技术的AUV前视避障方法陈文渊;沈斌坚【摘要】A forward obstacle avoidance method based on 3D imaging sonar technology is presented,aiming at problem of obstacle avoidance during underwater autonomous navigation for AUV. The method detects sonar targets by using 3D imaging sonar and extracts target via sonar images processing,achieve analysis on moving status of underwater objects and predict moving track. By setting up collision area,build model for obstacle avoidance and design obstacle avoidance rules,realize AUV intelligent obstacles avoidance. With the help of the other sensors, these related modules form an entire closed-loop system which integrates the functions including object detection, object extraction,track prediction,obstacle avoidance and path regression.%针对自主式水下航行器（ AUV）在水下自主航行过程中的避障问题，提出了一种基于三维成像声纳技术的前视避障方法。
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三维成像声纳专业：光电子技术与科学院校：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，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：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：Power consumption 35WSupply voltage 18-75VDCComms Ethernet(10/100 Base T)orVSDL(with Ethernet 1000Baseavailable)机械参数：Depth Rating 300m(984ft)Weight in air 3.9Kg(8.82Lb)Weight in water 1.2Kg(2.65Lb)Width 135mm(5.31〞)Height 110mm(4.33〞)Depth 228mm(8.98〞)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两款三维成像声纳：BLUEVIEW BV5000-1350和BLUEVIEW BV5000-2250。
如图3-4：其参数如下表所示：参数BLUEVIEWBV5000-1350BLUEVIEW BV5000-2250Frequency 1.35MHz 2.25MHz Max.Range 30m(98ft) 10m(33ft) Beam Width 1°1°Time Resolution 0.031m(1.23in)0.019m(0.74i n)Weight in Air 21.7lb 19.1lb Depth Rating 300m(1000ft) 300m(1000ft) Width 10.5in 8.9inHeight 9.2in 8.6inDepth 15.4in 15.4inSoftware • Leica Cyclone Register• Leica Cyclone Model•Leica Cyclone Register CustomerCare Package (CCP)• Leica Cyclone Model Customer CarePackage (CCP)图3-4 BLUEVIEW BV5000图3-7 gemini720i沉船扫描图3-8 BV5000-1350船坞扫描图3-9 BV5000-2250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围的情况。
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围的情况，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。