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]。
实际操作过程中，技术人员可以通过调节软件参数来获取每组图像对应的坐标和距离等具体信息，为了做到实时观察，获得更好的探测效果，可以根据实际情况合理调节声纳头的角度，可以调节发射角，也可以调节接收角，这样就打破传统探测系统的探测局限性。但是要注意的是，三维成像声纳系统在工作时要保证设备静止，该系统在独立工作时不能做到行进过程中的连续探测，因此即使设备随船移动，也要将其固定在船舷上，并且不在行船时探测，如果风浪较大，船
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]。 实际操作过程中，技术人员可以通过调节软件参数来获取每组图像对应的坐标和距离等具体信息，为了做到实时观察，获得更好的探测效果，可以根据实际情况合理调节声纳头的角度，可以调节发射角，也可以调节接收角，这样就打破传统探测系统的探测局限性。但是要注意的是，三维成像声纳系统在工作时要保证设备静止，该系统在独立工作时不能做到行进过程中的连续探测，因此即使设备随船移动，也要将其固定在船舷上，并且不在行船时探测，如果风浪较大，船
三维成像声纳 姓名：徐静 专业：光电子技术与科学 院校：长春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，全球能源日益紧张，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，属于声学定位的范畴。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
三维合成孔径声呐成像系统 所属领域：电子信息 完成人：张学武等 成果简介： 系统主要由四个部分组成:湿端组件(拖体)、拖曳系统、信号处理机和控制台，各组成部分之间通过千兆以太网进行通信，协同完成超声波信号的发射、接收、声数据处理、和声图像的成像功能。控制命令由干端显控台发出，通过光纤传输到湿端组件，湿端数据采集传输和控制中心通过串口与传感器进行通信;采集获得的声数据通过光纤发送到显控 台进行处理。 数据采集传输和控制中心的硬件 平台包含两块数据采集传输模块和一 块控制中心模块。数据采集板与接收 机共用一个水密电子舱；控制中心板 与系统电源共用一个水密电子舱。 主要技术指标 本三维合成孔径声呐成像系统具 有数据采集、传输与控制功能，其主要技术指标如下: (1)同步触发信号最高支持256路16bit AD同步采样，采样频率等于100kHz。 (2) AD采集差分输入，输入信号动态范围-1.625~1.625V。输出通道幅度 不一致性小于1dB，相位不一致性小于3度，通道噪声小于1mV(有效值)。 (3)传感器数据、控制命令与AD采集数据通过千兆以太网信号经控制中心 电光转换后，进行单模光纤传输。 (4)湿端数据采集传输模块为+5. 7V直流电源供电，每个模块电流4A，电 源输出纹波峰峰值电压≤100mV。 (5)数据采集功能分为 两块电路板完成，每块电路 板完成128通道数据采集， 通过母板与接收机连接，每 块板配置温度传感器芯片。 (6)通过串口接收信号 采集板转发的显控台控制命 令，进行命令解析和分包， 再通过各串口分别发送各种 对应的控制命令和设置参数 给控制电机和各个传感器。 (7)提供3路线性调濒脉冲信号的发射信号源，DA频率大于200kHz。信号 形式:1路15kHz-30kHz正调频脉冲；1路6kHz-15kHz正调频脉冲；1路6kHz-15kHz 正调频脉冲或15kHz-6kHz反调频脉冲。信号幅度3.3V, 1.65V, 0.825V, 0.4125V可调，脉冲宽度5ms,10ms, 20ms可调。 (8)数据传输总数据率256路*100kHz * 16bit =409. 6Mbit/s,分两路传输。
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
***************************有限公司 三维成像声纳 姓名：*** 部门：***部门 入司时间：20**年*月5日 指导师傅：*** 完成时间20** 年** 月8 日 目录 第1 章前言
1.1 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，全球能源日益紧张，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。 1.2 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，它能给客户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
三维成像声纳姓名：徐静 班级：1013105 专业：光电子技术与科学 院校：长春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，全球能源日益紧张，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，属于声学定位的范畴。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
三维成像声纳毕业24357452
三维成像声纳 专业：光电子技术与科学 院校：长春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，全球能源日益紧张，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，属于声学定位的范畴。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