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一種三維掃描聲學(xué)成像裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種三維掃面聲學(xué)成像裝置，屬于水下工程測繪領(lǐng)域。具體來說該裝置由水下機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)、聲學(xué)成像單元和輔助測量設(shè)備三部分組成。其基本原理采用聲學(xué)多波束測距原理，發(fā)射換能器陣向水中發(fā)射水平方向窄垂直方向?qū)挼穆暡ㄊ丈涮綔y區(qū)域，接收換能器陣對接收到的多通道信號(hào)進(jìn)行波束形成處理形成若干個(gè)垂直方向很窄的接收波束并計(jì)算每個(gè)接收波束回波到達(dá)時(shí)間，結(jié)合波束方向可計(jì)算出空間目標(biāo)的位置，每次收發(fā)可以得到一條水下場景的垂直掃描線，再通過水下機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)在水平360°方向上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描，最終形成特定水下區(qū)域的三維點(diǎn)云圖像，從而直觀的反映水下場景的三維結(jié)構(gòu)。該裝置可廣泛應(yīng)用于水下結(jié)構(gòu)物檢測、橋梁水下檢測、海洋平臺(tái)水下安全監(jiān)測等多個(gè)領(lǐng)域。
【專利說明】一種三維掃描聲學(xué)成像裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是水下工程、水下測繪領(lǐng)域，更確切地說，涉及一種三維掃描聲學(xué)成像裝置，廣泛應(yīng)用于水下結(jié)構(gòu)物檢測、橋梁水下檢測、海洋平臺(tái)水下安全監(jiān)測等多個(gè)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]大型的水下結(jié)構(gòu)物，例如大橋的橋墩、碼頭、海洋平臺(tái)、海上建筑等，在水中經(jīng)過較長時(shí)間后，由于受到水流的沖刷和侵蝕，會(huì)大量出現(xiàn)損傷、變形等諸多安全隱患。傳統(tǒng)的方法對水下結(jié)構(gòu)物檢測采用潛水員摸探，這種方法工作效率及其低下，同時(shí)潛水員水下作業(yè)又存在諸多的安全隱患。
[0003]隨著科技的發(fā)展越來越多的水下檢測采用側(cè)掃聲納、多波束測深聲納等進(jìn)行，然而側(cè)掃聲納主要以圖像形式顯示，難以給出具體的三維結(jié)構(gòu)，因此僅限于水下搜救、管線檢測等只利用圖像信息的應(yīng)用場合；而多波束測深儀雖然能夠給出水下的三維結(jié)構(gòu)，但是多波束測深儀的主要目的是水下測繪，因此難以對橋墩、海洋平臺(tái)等垂直于水底的結(jié)構(gòu)物進(jìn)行三維成像，尤其是近水面部分多波束測深儀基本無法測量。
[0004]而對于水下結(jié)構(gòu)物檢測、橋梁水下檢測、海洋平臺(tái)水下安全監(jiān)測等領(lǐng)域?qū)λ陆Y(jié)構(gòu)物三維成像的實(shí)際需求，就必須有一種新的測量設(shè)備能夠?qū)Υ怪庇谒椎慕Y(jié)構(gòu)物進(jìn)行全方位的三維成像。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于此，本發(fā)明公開了一種三維掃描聲學(xué)成像裝置，該裝置由聲學(xué)成像部分、機(jī)械掃描部分和輔助測量單元三部分組成，其中聲學(xué)成像部分由依次相連的組合式聲學(xué)換能器(101)、聲學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換單元(102)、信號(hào)處理單元(104)組成；機(jī)械掃描部分由依次相連的水密步進(jìn)電機(jī)I (115)、水密步進(jìn)電機(jī)2 (116)和機(jī)械掃描控制單元(103)組成，并通過數(shù)據(jù)通信接口與聲學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換單元(102)相連；輔助測量單元包括姿態(tài)測量儀(105)和表面聲速測量儀(106)，通過串行數(shù)據(jù)接口與信號(hào)處理單元(104)相連。
[0006]本發(fā)明所公開的一種三維掃描聲學(xué)成像裝置，其位于水下的組合式聲學(xué)換能器(101)由多元直線接收換能器陣(108)和多元直線發(fā)射換能器陣(109)組成，以“L”型組合結(jié)構(gòu)固定于聲學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換單元(102)的水密外殼(503)上。
[0007]本發(fā)明所公開的一種三維掃描聲學(xué)成像裝置，其聲學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換單元(102)中電路部分由信號(hào)發(fā)射、信號(hào)接收和數(shù)據(jù)交互三部分組成，其中信號(hào)發(fā)射部分由與多元直線發(fā)射換能器陣(109)依次相連的多通道發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路(110)、聲信號(hào)主控單元(112)組成；信號(hào)接收部分由與多元直線接收換能器陣(108)依次相連的多通道信號(hào)調(diào)理與AD變換電路(111)、聲信號(hào)主控單元(112)組成；數(shù)據(jù)交互部分由依次相連聲信號(hào)主控單元(112)和數(shù)據(jù)通信單元I (113)、數(shù)據(jù)通信單元2 (114)組成。
[0008]本發(fā)明所公開的一種三維掃描聲學(xué)成像裝置，其水密步進(jìn)電機(jī)1(115)和水密步進(jìn)電機(jī)2(116)的轉(zhuǎn)軸相互垂直，水密步進(jìn)電機(jī)1(115)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為水平360，水密步進(jìn)電機(jī)2(116)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為垂直方向±45°。
[0009]本發(fā)明所公開的一種三維掃描聲學(xué)成像裝置，其多通道發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路(110)的每個(gè)發(fā)射通道都由依次相連的信號(hào)隔離單元(201)、功率放大單元(202)、輸出變壓器單元(203)組成，并最終與多元直線發(fā)射換能器陣(109)的陣元相連。
[0010]本發(fā)明所公開的一種三維掃描聲學(xué)成像裝置，其多通道信號(hào)調(diào)理與AD變換電路
(111)其每個(gè)通道都由依次相連的前置放大電路(301)、帶通濾波電路(302)、可控增益放大電路(303)、抗混疊濾波電路(304)和AD變換器(305)組成，多元直線接收換能器陣(108)的陣元輸出信號(hào)直接連接到前置放大電路(301)。
[0011]本發(fā)明所公開的一種三維掃描聲學(xué)成像裝置，其信號(hào)處理單元(104)以數(shù)據(jù)分配FPGA(403)為中心，分別通過數(shù)據(jù)總線與數(shù)據(jù)通信單元3 (401)、數(shù)據(jù)通信單元4 (402)、信號(hào)處理FPGA(406)、主機(jī)通信單元(404)相連；信號(hào)處理FPGA(406)通過數(shù)據(jù)總線分別與DSPl (407)和 DSP2(408)相連，同時(shí)信號(hào)處理 FPGA (406)、DSPl (407)和 DSP2 (408)分別通過高速存儲(chǔ)器接口擴(kuò)展大容量存儲(chǔ)器(409、410、411);主機(jī)通信單元(404)通過數(shù)據(jù)總線與網(wǎng)絡(luò)通信單元(405)相連，并通過以太網(wǎng)與主控計(jì)算機(jī)(107)相連。
[0012]本發(fā)明所公開的一種三維掃描聲學(xué)成像裝置，其基本原理采用聲學(xué)多波束測距原理，發(fā)射換能器陣向水中發(fā)射水平方向窄垂直方向?qū)挼穆暟l(fā)射波束(502)照射探測區(qū)域，接收換能器陣對接收到的多通道信號(hào)進(jìn)行波束形成處理形成若干個(gè)垂直方向很窄的聲接收波束(501)并計(jì)算每個(gè)接收波束回波到達(dá)時(shí)間，結(jié)合波束方向可計(jì)算出空間目標(biāo)的位置，每次收發(fā)可以得到一條水下場景的垂直掃描線，再通過水下機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)在水平360°方向上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描，最終形成特定水下區(qū)域的三維點(diǎn)云圖像，從而直觀的反映水下場景的三維結(jié)構(gòu)。
[0013]本發(fā)明所公開的一種三維掃描聲學(xué)成像裝置其優(yōu)點(diǎn)在利用機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)波束的空間掃描，使系統(tǒng)的整體復(fù)雜度和成本大大降低，通過水下機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)在水平360°方向上的掃描能夠完成的測量出對水下場景的三維點(diǎn)云結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對水下場景的精確三維建模。
[0014]由此可見，本發(fā)明設(shè)計(jì)新穎、技術(shù)含量高、易于實(shí)現(xiàn)且成本較低，非常適合于水下工程領(lǐng)域、水下測繪領(lǐng)域中對水下結(jié)構(gòu)物，例如大橋橋墩、港口碼頭、海洋平臺(tái)等進(jìn)行精細(xì)的三維掃測。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]為了使本發(fā)明的內(nèi)容更利于相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員理解，下面對附圖進(jìn)行簡單說明。
[0016]圖1為本發(fā)明所述的三維掃描聲學(xué)成像裝置的組成框圖。
[0017]圖2為本發(fā)明所述的三維掃描聲學(xué)成像裝置中多通道發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路的組成框圖。
[0018]圖3為本發(fā)明所述的三維掃描聲學(xué)成像裝置中多通道信號(hào)調(diào)理與AD變換電路的組成框圖。
[0019]圖4為本發(fā)明所述的三維掃描聲學(xué)成像裝置中信號(hào)處理單元組成框圖。
[0020]圖5為本發(fā)明所述的三維掃描聲學(xué)成像裝置一種實(shí)施例的組成結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方案[0021]下面結(jié)合附圖和本發(fā)明一種較佳的具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0022]作為本發(fā)明的一種較佳施例，該三維掃描聲學(xué)成像裝置，其聲學(xué)中心工作頻率為800KHz，多元直線接收換能器陣(203)和多元直線發(fā)射換能器陣(203)都采用64元線陣結(jié)構(gòu)，從而形成120° Xl0的聲發(fā)射波束和1° xl5°的聲接收波束。
[0023]作為本發(fā)明的一種較佳施例，聲學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換單元(102)和信號(hào)處理單元(104)的所有電子部分都放置于一個(gè)水密艙中，密封艙外殼采用316不銹鋼制成，多元直線接收換能器陣(108)和多元直線發(fā)射換能器陣(109)組成，以“L”型組合結(jié)構(gòu)固定于水密外殼(503)上，表面聲速測量儀(106)和姿態(tài)測量儀(105)也固定于水密外殼(503)上，且姿態(tài)測量儀(105)與組合式聲學(xué)換能器(101)的相對姿態(tài)需要進(jìn)行精確標(biāo)校，整個(gè)水密艙安裝于水下機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)上，轉(zhuǎn)臺(tái)采用三腳架(504)的方式放置于待測水域的水底。
[0024]作為本發(fā)明的一種較佳施例，聲信號(hào)主控單元(112)選用Cyclone III系列FPGA，主要完成多通道PWM發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生、回波信號(hào)的采集以及數(shù)據(jù)通信的功能；聲信號(hào)主控單元(112)通過數(shù)字邏輯產(chǎn)生PWM信號(hào)通過信號(hào)隔離單元(201)、功率放大單元(202)、輸出變壓器單元(203)形成可發(fā)射的聲信號(hào),考慮到發(fā)射效率,本實(shí)施例中功率放大單元(202)選用D類功率放大器；多通道信號(hào)調(diào)理與AD變換電路(111)由TI公司集成模擬前端AFE5808實(shí)現(xiàn)，單片AFE5808具有8個(gè)獨(dú)立通道，因此針對本實(shí)施例中64元接收陣而言，總共需要8片以實(shí)現(xiàn)64通道的信號(hào)調(diào)理和模數(shù)變換。
[0025]作為本發(fā)明的一種較佳施例，其信號(hào)處理單元(104)中數(shù)據(jù)分配FPGA(403)數(shù)據(jù)分配FPGA (403)采用Cyclone III系列FPGA，主要完成回波數(shù)據(jù)的分發(fā)、姿態(tài)測量儀(105)和表面聲速測量儀(106)數(shù)據(jù)的采集以及各類控制信號(hào)的產(chǎn)生，信號(hào)處理FPGA(406)采用處理能力更強(qiáng)的Xilinx公司的VIRTEX系列FPGA主要完成512點(diǎn)的實(shí)時(shí)波束形成算法，DSPl (407)和DSP2(408)都采用TI公司TMS320C66xx系列DSP主要完成對每個(gè)波束內(nèi)回波信號(hào)進(jìn)行回波到達(dá)時(shí)間估計(jì)，并結(jié)合波束角度、機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)角度和姿態(tài)測量儀的姿態(tài)數(shù)據(jù)計(jì)算出回波點(diǎn)的空間位置。
[0026]以上所述僅為發(fā)明的一種較佳可行施例，所述實(shí)施例并非用以限制本發(fā)明的專利保護(hù)范圍，因此凡是運(yùn)用本發(fā)明的說明書及附圖內(nèi)容所做的等同結(jié)構(gòu)變化，同理均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種三維掃描聲學(xué)成像裝置，其特征在于該裝置由聲學(xué)成像部分、機(jī)械掃描部分和輔助測量單元三部分組成，其中聲學(xué)成像部分由依次相連的組合式聲學(xué)換能器(101)、聲學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換單元(102)、信號(hào)處理單元(104)組成；機(jī)械掃描部分由依次相連的水密步進(jìn)電機(jī)1(115)、水密步進(jìn)電機(jī)2(116)和機(jī)械掃描控制單元(103)組成，并通過數(shù)據(jù)通信接口與聲學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換單元(102)相連；輔助測量單元包括姿態(tài)測量器(105)和表面聲速測量儀(106)，通過串行數(shù)據(jù)接口與信號(hào)處理單元(104)相連。
2.如權(quán)利要求1所述的三維掃描聲學(xué)成像裝置，其特征在于位于水下的組合式聲學(xué)換能器(101)由多元直線接收換能器陣(108)和多元直線發(fā)射換能器陣(109)組成，以“L”型組合結(jié)構(gòu)固定于聲學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換單元(102)的水密外殼(503)上。
3.如權(quán)利要求1所述的三維掃描聲學(xué)成像裝置，其特征在于聲學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換單元(102)中電路部分由信號(hào)發(fā)射、信號(hào)接收和數(shù)據(jù)交互三部分組成，其中信號(hào)發(fā)射部分由與多元直線發(fā)射換能器陣(109)依次相連的多通道發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路(110)、聲信號(hào)主控單元(112)組成；信號(hào)接收部分由與多元直線接收換能器陣(108)依次相連的多通道信號(hào)調(diào)理與AD變換電路(111)、聲信號(hào)主控單元(112)組成；數(shù)據(jù)交互部分由依次相連聲信號(hào)主控單元(112)和數(shù)據(jù)通信單元I (113)、數(shù)據(jù)通信單元2 (114)組成。
4.如權(quán)利要求1所述的三維掃描聲學(xué)成像裝置，其特征在于水密步進(jìn)電機(jī)1(115)和水密步進(jìn)電機(jī)2(116)的轉(zhuǎn)軸相互垂直，水密步進(jìn)電機(jī)1(115)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為水平360，水密步進(jìn)電機(jī)2(116)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為垂直方向±45°。
5.如權(quán)利要求1所述的三維掃描聲學(xué)成像裝置，其特征在于多通道發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路(110)的每個(gè)發(fā)射通道都由依次相連的信號(hào)隔離單元(201)、功率放大單元(202)、輸出變壓器單元(203)組成，并最終與多元直線發(fā)射換能器陣(109)的陣元相連。
6.如權(quán)利要求1所述的三維掃描聲學(xué)成像裝置，其特征在于多通道信號(hào)調(diào)理與AD變換電路(111)其每個(gè)通道都由依次相連的前置放大電路(301)、帶通濾波電路(302)、可控增益放大電路(303)、抗混疊濾波電路(304)和AD變換器(305)組成，多元直線接收換能器陣(108)的陣元輸出信號(hào)直接連接到前置放大電路(301)。
7.如權(quán)利要求1所述的水下聲學(xué)視頻成像裝置，其特征在于信號(hào)處理單元(104)以數(shù)據(jù)分配FPGA(403)為中心，分別通過數(shù)據(jù)總線與數(shù)據(jù)通信單元3(401)、數(shù)據(jù)通信單元4(402)、信號(hào)處理FPGA (406)、主機(jī)通信單元(404)相連；信號(hào)處理FPGA (406)通過數(shù)據(jù)總線分別與 DSPl (407)和 DSP2(408)相連，同時(shí)信號(hào)處理 FPGA (406)、DSP1 (407)和 DSP2(408)分別通過高速存儲(chǔ)器接口擴(kuò)展大容量存儲(chǔ)器(409、410、411);主機(jī)通信單元(404)通過數(shù)據(jù)總線與網(wǎng)絡(luò)通信單元(405)相連，并通過以太網(wǎng)與主控計(jì)算機(jī)(107)相連。
【文檔編號(hào)】G01S15/89GK103969652SQ201410209195
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月19日
【發(fā)明者】么彬, 殷敬偉, 張曉 , 韓笑, 曲海峰, 李春笛 申請人:么彬