一種三維掃描聲學成像裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開一種三維掃面聲學成像裝置，屬于水下工程測繪領域。具體來說該裝置由水下機械轉臺、聲學成像單元和輔助測量設備三部分組成。其基本原理采用聲學多波束測距原理，發射換能器陣向水中發射水平方向窄垂直方向寬的聲波束照射探測區域，接收換能器陣對接收到的多通道信號進行波束形成處理形成若干個垂直方向很窄的接收波束并計算每個接收波束回波到達時間，結合波束方向可計算出空間目標的位置，每次收發可以得到一條水下場景的垂直掃描線，再通過水下機械轉臺在水平360°方向上進行旋轉掃描，最終形成特定水下區域的三維點云圖像，從而直觀的反映水下場景的三維結構。該裝置可廣泛應用于水下結構物檢測、橋梁水下檢測、海洋平臺水下安全監測等多個領域。
【專利說明】一種三維掃描聲學成像裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及的是水下工程、水下測繪領域，更確切地說，涉及一種三維掃描聲學成像裝置，廣泛應用于水下結構物檢測、橋梁水下檢測、海洋平臺水下安全監測等多個領域。
【背景技術】
[0002]大型的水下結構物，例如大橋的橋墩、碼頭、海洋平臺、海上建筑等，在水中經過較長時間后，由于受到水流的沖刷和侵蝕，會大量出現損傷、變形等諸多安全隱患。傳統的方法對水下結構物檢測采用潛水員摸探，這種方法工作效率及其低下，同時潛水員水下作業又存在諸多的安全隱患。
[0003]隨著科技的發展越來越多的水下檢測采用側掃聲納、多波束測深聲納等進行，然而側掃聲納主要以圖像形式顯示，難以給出具體的三維結構，因此僅限于水下搜救、管線檢測等只利用圖像信息的應用場合；而多波束測深儀雖然能夠給出水下的三維結構，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、海洋平臺等垂直于水底的結構物進行三維成像，尤其是近水面部分多波束測深儀基本無法測量。
[0004]而對于水下結構物檢測、橋梁水下檢測、海洋平臺水下安全監測等領域對水下結構物三維成像的實際需求，就必須有一種新的測量設備能夠對垂直于水底的結構物進行全方位的三維成像。
【發明內容】
[0005]鑒于此，本發明公開了一種三維掃描聲學成像裝置，該裝置由聲學成像部分、機械掃描部分和輔助測量單元三部分組成，其中聲學成像部分由依次相連的組合式聲學換能器(101)、聲學信號轉換單元(102)、信號處理單元(104)組成；機械掃描部分由依次相連的水密步進電機I (115)、水密步進電機2 (116)和機械掃描控制單元(103)組成，并通過數據通信接口與聲學信號轉換單元(102)相連；輔助測量單元包括姿態測量儀(105)和表面聲速測量儀(106)，通過串行數據接口與信號處理單元(104)相連。
[0006]本發明所公開的一種三維掃描聲學成像裝置，其位于水下的組合式聲學換能器(101)由多元直線接收換能器陣(108)和多元直線發射換能器陣(109)組成，以“L”型組合結構固定于聲學信號轉換單元(102)的水密外殼(503)上。
[0007]本發明所公開的一種三維掃描聲學成像裝置，其聲學信號轉換單元(102)中電路部分由信號發射、信號接收和數據交互三部分組成，其中信號發射部分由與多元直線發射換能器陣(109)依次相連的多通道發射驅動電路(110)、聲信號主控單元(112)組成；信號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調理與AD變換電路(111)、聲信號主控單元(112)組成；數據交互部分由依次相連聲信號主控單元(112)和數據通信單元I (113)、數據通信單元2 (114)組成。
[0008]本發明所公開的一種三維掃描聲學成像裝置，其水密步進電機1(115)和水密步進電機2(116)的轉軸相互垂直，水密步進電機1(115)的轉動范圍為水平360，水密步進電機2(116)的轉動范圍為垂直方向±45°。
[0009]本發明所公開的一種三維掃描聲學成像裝置，其多通道發射驅動電路(110)的每個發射通道都由依次相連的信號隔離單元(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射換能器陣(109)的陣元相連。
[0010]本發明所公開的一種三維掃描聲學成像裝置，其多通道信號調理與AD變換電路
(111)其每個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)的陣元輸出信號直接連接到前置放大電路(301)。
[0011]本發明所公開的一種三維掃描聲學成像裝置，其信號處理單元(104)以數據分配FPGA(403)為中心，分別通過數據總線與數據通信單元3 (401)、數據通信單元4 (402)、信號處理FPGA(406)、主機通信單元(404)相連；信號處理FPGA(406)通過數據總線分別與DSPl (407)和 DSP2(408)相連，同時信號處理 FPGA (406)、DSPl (407)和 DSP2 (408)分別通過高速存儲器接口擴展大容量存儲器(409、410、411);主機通信單元(404)通過數據總線與網絡通信單元(405)相連，并通過以太網與主控計算機(107)相連。
[0012]本發明所公開的一種三維掃描聲學成像裝置，其基本原理采用聲學多波束測距原理，發射換能器陣向水中發射水平方向窄垂直方向寬的聲發射波束(502)照射探測區域，接收換能器陣對接收到的多通道信號進行波束形成處理形成若干個垂直方向很窄的聲接收波束(501)并計算每個接收波束回波到達時間，結合波束方向可計算出空間目標的位置，每次收發可以得到一條水下場景的垂直掃描線，再通過水下機械轉臺在水平360°方向上進行旋轉掃描，最終形成特定水下區域的三維點云圖像，從而直觀的反映水下場景的三維結構。
[0013]本發明所公開的一種三維掃描聲學成像裝置其優點在利用機械轉臺實現波束的空間掃描，使系統的整體復雜度和成本大大降低，通過水下機械轉臺在水平360°方向上的掃描能夠完成的測量出對水下場景的三維點云結構，從而實現對水下場景的精確三維建模。
[0014]由此可見，本發明設計新穎、技術含量高、易于實現且成本較低，非常適合于水下工程領域、水下測繪領域中對水下結構物，例如大橋橋墩、港口碼頭、海洋平臺等進行精細的三維掃測。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]為了使本發明的內容更利于相關專業技術人員理解，下面對附圖進行簡單說明。
[0016]圖1為本發明所述的三維掃描聲學成像裝置的組成框圖。
[0017]圖2為本發明所述的三維掃描聲學成像裝置中多通道發射驅動電路的組成框圖。
[0018]圖3為本發明所述的三維掃描聲學成像裝置中多通道信號調理與AD變換電路的組成框圖。
[0019]圖4為本發明所述的三維掃描聲學成像裝置中信號處理單元組成框圖。
[0020]圖5為本發明所述的三維掃描聲學成像裝置一種實施例的組成結構圖。
具體實施方案[0021]下面結合附圖和本發明一種較佳的具體實施例對本發明作進一步說明。
[0022]作為本發明的一種較佳施例，該三維掃描聲學成像裝置，其聲學中心工作頻率為800KHz，多元直線接收換能器陣(203)和多元直線發射換能器陣(203)都采用64元線陣結構，從而形成120° Xl0的聲發射波束和1° xl5°的聲接收波束。
[0023]作為本發明的一種較佳施例，聲學信號轉換單元(102)和信號處理單元(104)的所有電子部分都放置于一個水密艙中，密封艙外殼采用316不銹鋼制成，多元直線接收換能器陣(108)和多元直線發射換能器陣(109)組成，以“L”型組合結構固定于水密外殼(503)上，表面聲速測量儀(106)和姿態測量儀(105)也固定于水密外殼(503)上，且姿態測量儀(105)與組合式聲學換能器(101)的相對姿態需要進行精確標校，整個水密艙安裝于水下機械轉臺上，轉臺采用三腳架(504)的方式放置于待測水域的水底。
[0024]作為本發明的一種較佳施例，聲信號主控單元(112)選用Cyclone III系列FPGA，主要完成多通道PWM發射信號的產生、回波信號的采集以及數據通信的功能；聲信號主控單元(112)通過數字邏輯產生PWM信號通過信號隔離單元(201)、功率放大單元(202)、輸出變壓器單元(203)形成可發射的聲信號,考慮到發射效率,本實施例中功率放大單元(202)選用D類功率放大器；多通道信號調理與AD變換電路(111)由TI公司集成模擬前端AFE5808實現，單片AFE5808具有8個獨立通道，因此針對本實施例中64元接收陣而言，總共需要8片以實現64通道的信號調理和模數變換。
[0025]作為本發明的一種較佳施例，其信號處理單元(104)中數據分配FPGA(403)數據分配FPGA (403)采用Cyclone III系列FPGA，主要完成回波數據的分發、姿態測量儀(105)和表面聲速測量儀(106)數據的采集以及各類控制信號的產生，信號處理FPGA(406)采用處理能力更強的Xilinx公司的VIRTEX系列FPGA主要完成512點的實時波束形成算法，DSPl (407)和DSP2(408)都采用TI公司TMS320C66xx系列DSP主要完成對每個波束內回波信號進行回波到達時間估計，并結合波束角度、機械轉臺角度和姿態測量儀的姿態數據計算出回波點的空間位置。
[0026]以上所述僅為發明的一種較佳可行施例，所述實施例并非用以限制本發明的專利保護范圍，因此凡是運用本發明的說明書及附圖內容所做的等同結構變化，同理均應包含在本發明的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種三維掃描聲學成像裝置，其特征在于該裝置由聲學成像部分、機械掃描部分和輔助測量單元三部分組成，其中聲學成像部分由依次相連的組合式聲學換能器(101)、聲學信號轉換單元(102)、信號處理單元(104)組成；機械掃描部分由依次相連的水密步進電機1(115)、水密步進電機2(116)和機械掃描控制單元(103)組成，并通過數據通信接口與聲學信號轉換單元(102)相連；輔助測量單元包括姿態測量器(105)和表面聲速測量儀(106)，通過串行數據接口與信號處理單元(104)相連。
2.如權利要求1所述的三維掃描聲學成像裝置，其特征在于位于水下的組合式聲學換能器(101)由多元直線接收換能器陣(108)和多元直線發射換能器陣(109)組成，以“L”型組合結構固定于聲學信號轉換單元(102)的水密外殼(503)上。
3.如權利要求1所述的三維掃描聲學成像裝置，其特征在于聲學信號轉換單元(102)中電路部分由信號發射、信號接收和數據交互三部分組成，其中信號發射部分由與多元直線發射換能器陣(109)依次相連的多通道發射驅動電路(110)、聲信號主控單元(112)組成；信號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調理與AD變換電路(111)、聲信號主控單元(112)組成；數據交互部分由依次相連聲信號主控單元(112)和數據通信單元I (113)、數據通信單元2 (114)組成。
4.如權利要求1所述的三維掃描聲學成像裝置，其特征在于水密步進電機1(115)和水密步進電機2(116)的轉軸相互垂直，水密步進電機1(115)的轉動范圍為水平360，水密步進電機2(116)的轉動范圍為垂直方向±45°。
5.如權利要求1所述的三維掃描聲學成像裝置，其特征在于多通道發射驅動電路(110)的每個發射通道都由依次相連的信號隔離單元(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射換能器陣(109)的陣元相連。
6.如權利要求1所述的三維掃描聲學成像裝置，其特征在于多通道信號調理與AD變換電路(111)其每個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)的陣元輸出信號直接連接到前置放大電路(301)。
7.如權利要求1所述的水下聲學視頻成像裝置，其特征在于信號處理單元(104)以數據分配FPGA(403)為中心，分別通過數據總線與數據通信單元3(401)、數據通信單元4(402)、信號處理FPGA (406)、主機通信單元(404)相連；信號處理FPGA (406)通過數據總線分別與 DSPl (407)和 DSP2(408)相連，同時信號處理 FPGA (406)、DSP1 (407)和 DSP2(408)分別通過高速存儲器接口擴展大容量存儲器(409、410、411);主機通信單元(404)通過數據總線與網絡通信單元(405)相連，并通過以太網與主控計算機(107)相連。
【文檔編號】G01S15/89GK103969652SQ201410209195
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月19日 優先權日:2014年5月19日
【發明者】么彬, 殷敬偉, 張曉 , 韓笑, 曲海峰, 李春笛 申請人:么彬
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
