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。系统工

作时，首先通过声呐头发射一个固定频率的声波信号，形成一个竖直方向45°的

扇形扫描区域，声波信号到达物体表面后发生反射，形成反射信号被声呐头接收，再转换为电信号传输到甲板单元和控制终端，以图像的形式展示在显示屏上。

BV5000三维成像声呐通过声波反向散射得到声波传播的时间t和回波强度值，并

根据时间和声速值计算距离观测值S，云台控制系统通过控制声呐头的转动实时

获取每个波束的横向角度观测值α和纵向角度观测值β。BV5000—般使用仪器自

身的坐标系统，X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与轴垂直，Z轴垂直于

横向扫描面，形成右手坐标系。

根据角度观测值和距离观测值可得到各波束脚印在仪器坐标系内的坐标值：

3 应用实例

3.1 沉船介绍

根据相关资料，在渤海湾内的一次扫海中，发现一艘水下沉船。经物探和多

波束扫测，该沉船船型基本完好，沉船的粗略尺寸为：船长42米，宽7米，型

深7米，其详细情况需要进一步调查和研究。为此，采用三维成像声呐对其进行

扫测。

3.2 数据采集

在水面沉船上方，设置有固定的工作平台。三维成像声呐调试正常后，将其

吊放入水，由潜水员牵引至设计的位置并稳固安放。由于目标船体尺寸较大，为

保证全覆盖和高精度，分别在船体四周以及甲板面上共计布设12个测站，扫描

角度水平方向360°，竖直方向-45°、-15°、+15°三个方向，按照1°/s的速度，每次扫测需18min完成。扫测采用ProScan软件，采集到数据后系统会进行初步的后

处理，生成如上所示的三维点云图像，并输出***.xyz格式的三维点云数据。

3.3 数据处理

扫测得到的点云数据，都包含有各种不稳定点和噪声点。并且每次扫测得到

的也只是沉船的部分区域。要获得沉船船体的清晰、完整形态，还需要进行数据

去噪和拼接建模等数据处理。

点云数据去噪主要是删除掉明显与沉船和地形无关的孤立点、飞点等，同时

应当注意避免误删重要的信息。在拼接建模完成后，还应当结合沉船整体再次进

行数据去噪处理。

三维点云数据的拼接建模，首先要根据各个测站的位置，寻找相邻测站的同

名目标。同名目标的质量和数据量决定了拼接建模的精度和效果。选定同名目标时，应当选择清晰、完整的目标，并进行准确地框选。Cyclone软件会根据同名

目标采用最小二乘法对点云数据进行加权误差分配，形成两站间三维点云数据的

拼接建模。本次沉船扫测拼接建模完成后，软件给出的统计精度是0.05 m，能够

很好的满足沉船扫测的需求。

4 总结

三维成像声呐（BV5000）系统与传统二维成像声呐相比，增加了图像的深度

信息，具有更多良好的性能，如更清晰的轮廓识别度，图像可三维空间旋转观测等。三维成像声呐与多波束相比，具有更高的分辨率，可生成水下地形、结构和

目标的高分辨率图像，从而可以提供更多细节描述。

三维成像声呐（BV5000）系统已经取得了类似于地面三维激光扫描的功能，

可以进行全方位的扫描，不受水下能见度的影响，且能够获得高分辨率的点云图像。可用于水下沉船扫测，得到很高的轮廓识别度和精细的船体沉坐状态信息，

对沉船打捞具有积极的意义。

参考文献

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