一种三维扫描声学成像装置制造方法
【专利摘要】本发明公开一种三维扫面声学成像装置，属于水下工程测绘领域。具体来说该装置由水下机械转台、声学成像单元和辅助测量设备三部分组成。其基本原理采用声学多波束测距原理，发射换能器阵向水中发射水平方向窄垂直方向宽的声波束照射探测区域，接收换能器阵对接收到的多通道信号进行波束形成处理形成若干个垂直方向很窄的接收波束并计算每个接收波束回波到达时间，结合波束方向可计算出空间目标的位置，每次收发可以得到一条水下场景的垂直扫描线，再通过水下机械转台在水平360°方向上进行旋转扫描，最终形成特定水下区域的三维点云图像，从而直观的反映水下场景的三维结构。该装置可广泛应用于水下结构物检测、桥梁水下检测、海洋平台水下安全监测等多个领域。
【专利说明】一种三维扫描声学成像装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是水下工程、水下测绘领域，更确切地说，涉及一种三维扫描声学成像装置，广泛应用于水下结构物检测、桥梁水下检测、海洋平台水下安全监测等多个领域。
【背景技术】
[0002]大型的水下结构物，例如大桥的桥墩、码头、海洋平台、海上建筑等，在水中经过较长时间后，由于受到水流的冲刷和侵蚀，会大量出现损伤、变形等诸多安全隐患。传统的方法对水下结构物检测采用潜水员摸探，这种方法工作效率及其低下，同时潜水员水下作业又存在诸多的安全隐患。
[0003]随着科技的发展越来越多的水下检测采用侧扫声纳、多波束测深声纳等进行，然而侧扫声纳主要以图像形式显示，难以给出具体的三维结构，因此仅限于水下搜救、管线检测等只利用图像信息的应用场合；而多波束测深仪虽然能够给出水下的三维结构，但是多波束测深仪的主要目的是水下测绘，因此难以对桥墩、海洋平台等垂直于水底的结构物进行三维成像，尤其是近水面部分多波束测深仪基本无法测量。
[0004]而对于水下结构物检测、桥梁水下检测、海洋平台水下安全监测等领域对水下结构物三维成像的实际需求，就必须有一种新的测量设备能够对垂直于水底的结构物进行全方位的三维成像。
【发明内容】
[0005]鉴于此，本发明公开了一种三维扫描声学成像装置，该装置由声学成像部分、机械扫描部分和辅助测量单元三部分组成，其中声学成像部分由依次相连的组合式声学换能器(101)、声学信号转换单元(102)、信号处理单元(104)组成；机械扫描部分由依次相连的水密步进电机I (115)、水密步进电机2 (116)和机械扫描控制单元(103)组成，并通过数据通信接口与声学信号转换单元(102)相连；辅助测量单元包括姿态测量仪(105)和表面声速测量仪(106)，通过串行数据接口与信号处理单元(104)相连。
[0006]本发明所公开的一种三维扫描声学成像装置，其位于水下的组合式声学换能器(101)由多元直线接收换能器阵(108)和多元直线发射换能器阵(109)组成，以“L”型组合结构固定于声学信号转换单元(102)的水密外壳(503)上。
[0007]本发明所公开的一种三维扫描声学成像装置，其声学信号转换单元(102)中电路部分由信号发射、信号接收和数据交互三部分组成，其中信号发射部分由与多元直线发射换能器阵(109)依次相连的多通道发射驱动电路(110)、声信号主控单元(112)组成；信号接收部分由与多元直线接收换能器阵(108)依次相连的多通道信号调理与AD变换电路(111)、声信号主控单元(112)组成；数据交互部分由依次相连声信号主控单元(112)和数据通信单元I (113)、数据通信单元2 (114)组成。
[0008]本发明所公开的一种三维扫描声学成像装置，其水密步进电机1(115)和水密步进电机2(116)的转轴相互垂直，水密步进电机1(115)的转动范围为水平360，水密步进电机2(116)的转动范围为垂直方向±45°。
[0009]本发明所公开的一种三维扫描声学成像装置，其多通道发射驱动电路(110)的每个发射通道都由依次相连的信号隔离单元(201)、功率放大单元(202)、输出变压器单元(203)组成，并最终与多元直线发射换能器阵(109)的阵元相连。
[0010]本发明所公开的一种三维扫描声学成像装置，其多通道信号调理与AD变换电路
(111)其每个通道都由依次相连的前置放大电路(301)、带通滤波电路(302)、可控增益放大电路(303)、抗混叠滤波电路(304)和AD变换器(305)组成，多元直线接收换能器阵(108)的阵元输出信号直接连接到前置放大电路(301)。
[0011]本发明所公开的一种三维扫描声学成像装置，其信号处理单元(104)以数据分配FPGA(403)为中心，分别通过数据总线与数据通信单元3 (401)、数据通信单元4 (402)、信号处理FPGA(406)、主机通信单元(404)相连；信号处理FPGA(406)通过数据总线分别与DSPl (407)和 DSP2(408)相连，同时信号处理 FPGA (406)、DSPl (407)和 DSP2 (408)分别通过高速存储器接口扩展大容量存储器(409、410、411);主机通信单元(404)通过数据总线与网络通信单元(405)相连，并通过以太网与主控计算机(107)相连。
[0012]本发明所公开的一种三维扫描声学成像装置，其基本原理采用声学多波束测距原理，发射换能器阵向水中发射水平方向窄垂直方向宽的声发射波束(502)照射探测区域，接收换能器阵对接收到的多通道信号进行波束形成处理形成若干个垂直方向很窄的声接收波束(501)并计算每个接收波束回波到达时间，结合波束方向可计算出空间目标的位置，每次收发可以得到一条水下场景的垂直扫描线，再通过水下机械转台在水平360°方向上进行旋转扫描，最终形成特定水下区域的三维点云图像，从而直观的反映水下场景的三维结构。
[0013]本发明所公开的一种三维扫描声学成像装置其优点在利用机械转台实现波束的空间扫描，使系统的整体复杂度和成本大大降低，通过水下机械转台在水平360°方向上的扫描能够完成的测量出对水下场景的三维点云结构，从而实现对水下场景的精确三维建模。
[0014]由此可见，本发明设计新颖、技术含量高、易于实现且成本较低，非常适合于水下工程领域、水下测绘领域中对水下结构物，例如大桥桥墩、港口码头、海洋平台等进行精细的三维扫测。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]为了使本发明的内容更利于相关专业技术人员理解，下面对附图进行简单说明。
[0016]图1为本发明所述的三维扫描声学成像装置的组成框图。
[0017]图2为本发明所述的三维扫描声学成像装置中多通道发射驱动电路的组成框图。
[0018]图3为本发明所述的三维扫描声学成像装置中多通道信号调理与AD变换电路的组成框图。
[0019]图4为本发明所述的三维扫描声学成像装置中信号处理单元组成框图。
[0020]图5为本发明所述的三维扫描声学成像装置一种实施例的组成结构图。
具体实施方案[0021]下面结合附图和本发明一种较佳的具体实施例对本发明作进一步说明。
[0022]作为本发明的一种较佳施例，该三维扫描声学成像装置，其声学中心工作频率为800KHz，多元直线接收换能器阵(203)和多元直线发射换能器阵(203)都采用64元线阵结构，从而形成120° Xl0的声发射波束和1° xl5°的声接收波束。
[0023]作为本发明的一种较佳施例，声学信号转换单元(102)和信号处理单元(104)的所有电子部分都放置于一个水密舱中，密封舱外壳采用316不锈钢制成，多元直线接收换能器阵(108)和多元直线发射换能器阵(109)组成，以“L”型组合结构固定于水密外壳(503)上，表面声速测量仪(106)和姿态测量仪(105)也固定于水密外壳(503)上，且姿态测量仪(105)与组合式声学换能器(101)的相对姿态需要进行精确标校，整个水密舱安装于水下机械转台上，转台采用三脚架(504)的方式放置于待测水域的水底。
[0024]作为本发明的一种较佳施例，声信号主控单元(112)选用Cyclone III系列FPGA，主要完成多通道PWM发射信号的产生、回波信号的采集以及数据通信的功能；声信号主控单元(112)通过数字逻辑产生PWM信号通过信号隔离单元(201)、功率放大单元(202)、输出变压器单元(203)形成可发射的声信号,考虑到发射效率,本实施例中功率放大单元(202)选用D类功率放大器；多通道信号调理与AD变换电路(111)由TI公司集成模拟前端AFE5808实现，单片AFE5808具有8个独立通道，因此针对本实施例中64元接收阵而言，总共需要8片以实现64通道的信号调理和模数变换。
[0025]作为本发明的一种较佳施例，其信号处理单元(104)中数据分配FPGA(403)数据分配FPGA (403)采用Cyclone III系列FPGA，主要完成回波数据的分发、姿态测量仪(105)和表面声速测量仪(106)数据的采集以及各类控制信号的产生，信号处理FPGA(406)采用处理能力更强的Xilinx公司的VIRTEX系列FPGA主要完成512点的实时波束形成算法，DSPl (407)和DSP2(408)都采用TI公司TMS320C66xx系列DSP主要完成对每个波束内回波信号进行回波到达时间估计，并结合波束角度、机械转台角度和姿态测量仪的姿态数据计算出回波点的空间位置。
[0026]以上所述仅为发明的一种较佳可行施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所做的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种三维扫描声学成像装置，其特征在于该装置由声学成像部分、机械扫描部分和辅助测量单元三部分组成，其中声学成像部分由依次相连的组合式声学换能器(101)、声学信号转换单元(102)、信号处理单元(104)组成；机械扫描部分由依次相连的水密步进电机1(115)、水密步进电机2(116)和机械扫描控制单元(103)组成，并通过数据通信接口与声学信号转换单元(102)相连；辅助测量单元包括姿态测量器(105)和表面声速测量仪(106)，通过串行数据接口与信号处理单元(104)相连。
2.如权利要求1所述的三维扫描声学成像装置，其特征在于位于水下的组合式声学换能器(101)由多元直线接收换能器阵(108)和多元直线发射换能器阵(109)组成，以“L”型组合结构固定于声学信号转换单元(102)的水密外壳(503)上。
3.如权利要求1所述的三维扫描声学成像装置，其特征在于声学信号转换单元(102)中电路部分由信号发射、信号接收和数据交互三部分组成，其中信号发射部分由与多元直线发射换能器阵(109)依次相连的多通道发射驱动电路(110)、声信号主控单元(112)组成；信号接收部分由与多元直线接收换能器阵(108)依次相连的多通道信号调理与AD变换电路(111)、声信号主控单元(112)组成；数据交互部分由依次相连声信号主控单元(112)和数据通信单元I (113)、数据通信单元2 (114)组成。
4.如权利要求1所述的三维扫描声学成像装置，其特征在于水密步进电机1(115)和水密步进电机2(116)的转轴相互垂直，水密步进电机1(115)的转动范围为水平360，水密步进电机2(116)的转动范围为垂直方向±45°。
5.如权利要求1所述的三维扫描声学成像装置，其特征在于多通道发射驱动电路(110)的每个发射通道都由依次相连的信号隔离单元(201)、功率放大单元(202)、输出变压器单元(203)组成，并最终与多元直线发射换能器阵(109)的阵元相连。
6.如权利要求1所述的三维扫描声学成像装置，其特征在于多通道信号调理与AD变换电路(111)其每个通道都由依次相连的前置放大电路(301)、带通滤波电路(302)、可控增益放大电路(303)、抗混叠滤波电路(304)和AD变换器(305)组成，多元直线接收换能器阵(108)的阵元输出信号直接连接到前置放大电路(301)。
7.如权利要求1所述的水下声学视频成像装置，其特征在于信号处理单元(104)以数据分配FPGA(403)为中心，分别通过数据总线与数据通信单元3(401)、数据通信单元4(402)、信号处理FPGA (406)、主机通信单元(404)相连；信号处理FPGA (406)通过数据总线分别与 DSPl (407)和 DSP2(408)相连，同时信号处理 FPGA (406)、DSP1 (407)和 DSP2(408)分别通过高速存储器接口扩展大容量存储器(409、410、411);主机通信单元(404)通过数据总线与网络通信单元(405)相连，并通过以太网与主控计算机(107)相连。
【文档编号】G01S15/89GK103969652SQ201410209195
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月19日 优先权日:2014年5月19日
【发明者】么彬, 殷敬伟, 张晓 , 韩笑, 曲海峰, 李春笛 申请人:么彬
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