一种头盔式彩色图像声纳及其成像方法

摘要

本发明涉及一种头盔式彩色图像声纳，包括声纳头、控制盒、视频眼镜；其中，所述声纳头能够安装在头盔上，所述视频眼镜能够安装在所述头盔的眼部；所述声纳头通过水密电缆连接到控制盒，所述控制盒还通过水密电缆与视频眼镜相连；所述声纳头在控制盒的控制下向外部环境发射声纳信号并接收回波信号；所述控制盒对声纳头所输出的声纳回波信号进行处理，从中提取出外部环境的信息，然后将其转换为二维图像数据；所述二维图像数据在所述视频眼镜上显示。

说明书

技术领域

本发明涉及水下探测设备，特别涉及一种头盔式彩色图像声纳及其成像方法。

背景技术

我国境内的河流、湖泊众多，海岸线长，河流和湖泊水下环境复杂，且河水中 普遍存在含沙量大的特点，导致水质混浊，而海水水下能见度低，这些都为潜水员 水下作业增加了困难和危险性。目前，潜水员在进行潜水作业时，常用的观察方式 是依靠强光灯的视力观察，但是在光线不足以及浑水中，人眼可观测视野极小，且 使用强光灯不仅不方便，而且不安全。为了解决这个问题就出现了水下成像声纳设 备。

现有的水下成像声纳设备主要有两种形式，一种是手持式，由潜水员双手持手 柄使用，其缺点是显而易见的：潜水员的双手被束缚住了，不仅不利于水下作业， 对潜水员的安全也是很大的威胁；另一种则固定于UUV等各种水下航行器或水下工 作平台，其缺点是：由于体积大，装配复杂，很难与各种工作平台相匹配。若能提 供一种体积小、重量轻、方便装配和使用的水下声纳成像设备将有助于潜水作业的 实现。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的水下成像声纳设备体积大、装配复杂，不 便携带的缺陷，从而提供一种供潜水员使用的头盔式彩色图像声纳。

为了实现上述目的，本发明提供了一种头盔式彩色图像声纳，包括声纳头1、控 制盒2、视频眼镜3；其中，所述声纳头1能够安装在头盔上，所述视频眼镜3能够 安装在所述头盔的眼部；所述声纳头1通过水密电缆连接到控制盒2，所述控制盒2 还通过水密电缆与视频眼镜3相连；

所述声纳头1在控制盒2的控制下向外部环境发射声纳信号并接收回波信号； 所述控制盒2对声纳头1所输出的声纳回波信号进行处理，从中提取出外部环境的 信息，然后将其转换为二维图像数据；所述二维图像数据在所述视频眼镜3上显示。

上述技术方案中，所述声纳头1包括步进电机11、收发合置换能器12、传动轴 13；其中，所述步进电机11通过传动轴13与所述收发合置换能器12相连；所述步 进电机11在一定角度之间往复转动，进而通过传动轴13带动所述收发合置换能器 12在该角度范围之间往复转动；所述收发合置换能器12在所述角度范围内每隔一定 的较小角度发射及接收一次声纳信号。

上述技术方案中，所述收发合置换能器12包括一条形压电陶瓷换能器121、半 圆形壳体122以及引线轴123；所述条形压电陶瓷换能器121位于所述半圆形壳体 122内，在所述半圆形壳体122的下端安装有所述引线轴123，所述引线轴123与所 述传动轴13相连。

上述技术方案中，所述声纳头1的最外侧包括有用于保护步进电机11、部分传 动轴13的壳体，该壳体具有水密性，且能使得所述传动轴13转动灵活。

上述技术方案中，所述控制盒2包括：信号预处理模块21、信号处理模块22、 格式转换模块23、存储模块24、控制模块25、电源26以及盒体27；其中，

所述信号预处理模块21对所接收的声纳回波信号做包括放大、滤波在内的预处 理操作，所述信号处理模块22将经过预处理的信号做采样、分析以及伪彩色编码， 得到二维图像数据；所述格式转换模块23将二维图像数据转换为能够在所述视频眼 镜3上显示的数据格式；所述存储模块24用于存储所述二维图像数据；所述控制模 块25对成像距离、信号增益、成像范围角度进行控制，以及控制声纳的启动与关闭。

上述技术方案中，所述控制盒2还包括与外部陆上显示设备相连接的接口，通 过该接口，所述控制盒2能够将所述二维图像数据发送到外部陆上显示设备，还能 够将用户通过外部陆上显示设备发送的数据显示到所述视频眼镜3上。

上述技术方案中，所述信号处理模块22进一步包括采样单元221、分析单元222、 编码单元223；所述采样单元221对经过预处理的声纳信号进行采样，得到采样信号； 所述分析单元222对采样信号做FFT运算，得到反映信号强度的值；所述编码单元 223对所得到的反映信号强度的值做伪彩色编码，即根据物体的反射系数找出每个点 最适合显示的颜色，从而生成二维图像数据。

上述技术方案中，所述视频眼镜3包括镜片31、放大组件32、微型显示器33， 三者在视频眼镜筒34内依次排列；其中，所述微型显示器33根据所接收到的二维 图像数据生成二维图像，用户的目光通过镜片31与放大组件32在所述微型显示器 33上看到能够反映外部环境的二维图像；所述视频眼镜筒34具有水密性。

本发明还提供了基于所述的头盔式彩色图像声纳所实现的成像方法，包括：

步骤1）、潜水员通过控制盒2开启电源开关，并对成像距离、扫描角度范围、 信号增益进行设置；

步骤2）、所述声纳头1中的收发合置换能器12接收到命令后开始向外发射声脉 冲；声脉冲由前方目标反射后被所述收发合置换能器12接收，产生扇形显示中的一 线声纳信号，所产生的声纳信号传输到所述控制盒2中；

步骤3）、所述控制盒2对声纳信号包括放大、滤波在内的预处理，然后对声纳 信号进行采样，得到采样信号；采样信号经FFT运算后，得到反映信号强度的值， 将这些值进行伪彩色编码，生成扇形显示图像数据的一条线并存储；

步骤4）、声纳头1中的步进电机11按照设定的角度旋转，在每个角度重复步骤 2）、步骤3），形成扇形显示图像数据中的一条线，将声纳头（1）在各个旋转角度所 得到的各条线的数据拼接后得到所述扇形显示图像数据；

步骤5）、当外接陆上显示设备与所述控制盒2断开时，上述扇形显示图像数据 只进行格式转换，转换为能够在视频眼镜3中显示的数据格式，并将信号传输到视 频眼镜3中；当外接陆上显示设备与所述控制盒2连接时，二维图像数据分为两路 进行传输，一路直接传输到外接陆上显示设备进行显示，同时，外接陆上显示设备 给潜水员发送信息，所发送的信息显示在潜水员佩戴的视频眼镜3上，另一路经过 格式转换后，传输给所述视频眼镜3进行显示。

本发明的优点在于：

1、本发明的头盔式彩色图像声纳通过收发合置换能器发射与接收信号，通过步 进电机机械扫描的方式，避免了大规模运算问题，从而保证了电路结构的小巧；

2、本发明的头盔式彩色图像声纳通过水下显示为潜水员配备了“眼睛”，可以 给潜水员提供水下周围环境实时图像，并且能通过控制盒调整观测的视觉范围和距 离，从而更好的掌握水下实时情况；

3、本发明的头盔式彩色图像声纳可以对水下目标进行实时成像，将图像显示在 潜水员面前的同时，也将图像数据存储起来，方便以后查看；

4、本发明的头盔式彩色图像声纳体积小，质量轻，功耗小以及成像分辨率高；

5、本发明的头盔式彩色图像声纳可以像头灯一样安装于潜水员头盔，可以方便 地挂在潜水员腰带上，不仅能够满足潜水员水下搜索的要求，而且解放了潜水员的 双手，增强潜水员的水下作业自由度及舒适度，同时也可以在陆面进行实时显示， 也可以轻易地固定于各种水下工作平台的各个位置，满足各种情况下水下环境及目 标成像的要求。

附图说明

图1是本发明的头盔式彩色图像声纳的结构示意图；

图2是在一个实施例中的声纳头的结构示意图；

图3是在一个实施例中的控制盒的结构示意图；

图4是在一个实施例中的控制盒中的信号处理模块的结构示意图；

图5是在一个实施例中的视频眼镜的结构示意图；

图6是在一个实施例中声纳头中的收发合置换能器的结构示意图。

图面说明

1   声纳头              2   控制盒

3   视频眼镜            11  步进电机

12  收发合置换能器      13  传动轴

14  水密接头            21  信号预处理模块

22  信号处理模块        23  格式转换模块

24  存储模块            25  控制模块

26  电源                27  盒体

31  镜片                32  放大组件

33  微型显示器          34  视频眼镜筒

121 条形压电陶瓷换能器  122 半圆形聚甲醛壳体

123 引线轴              221 采样单元

222 分析单元            223 编码单元

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

参考图1，本发明的头盔式彩色图像声纳包括声纳头1、控制盒2、视频眼镜3； 其中，所述声纳头1通过水密电缆连接到控制盒2，所述控制盒2还通过水密电缆与 视频眼镜3相连。

下面对本发明中的模块做进一步的说明。

所述声纳头1可向外部环境发射声纳信号，并接收回波信号。图2为在一个实 施例中，声纳头1的结构示意图，如图所示，声纳头1包括步进电机11、收发合置 换能器12、传动轴13；所述步进电机11通过传动轴13与所述收发合置换能器12 相连。所述步进电机11能够在0—150度之间往复转动，进而通过传动轴13带动收 发合置换能器12在0—150度之间往复转动。所述收发合置换能器12在0—150度 范围内，每隔一定角度（本实施例中为0.45度，在其他实施例中也可以是其它角度 值）发射及接收一次声纳信号。所述声纳头1还包括有一水密接头14，声纳头1通 过该接头连接水密电缆，进而连接到控制盒2。由于声纳头1需要安装在潜水员的头 盔上，因此所述声纳头1应当具有体积小、质量轻、壳体水密性能良好等特点。为 此，步进电机11不仅需要满足尺寸规格，而且要保证电机力量，所采用的电机是 25BYHJ60-404A。参考图6，所述收发合置换能器12包括一条形压电陶瓷换能器121、 半圆形聚甲醛壳体122以及引线轴123；所述条形压电陶瓷换能器121位于所述半圆 形聚甲醛壳体122内，在所述半圆形聚甲醛壳体122的下端安装有引线轴123，所述 引线轴123与传动轴13相连。半圆形聚甲醛壳体122起到两个作用，一是保护压电 陶瓷换能器121，免其受撞击而断裂，另一方面可以保证换能器的发射能量集中到前 面，而不向后面扩散。所述声纳头1的最外侧包括有用于保护步进电机11、部分传 动轴13的壳体，该壳体应既能保证传动轴13转动灵活自如，又能保证水下50米充 分水密。

所述控制盒2处理声纳头1所输出的声纳信号，由声纳信号提取出外部的环境 信息，得到用于反映外部环境信息的二维图像数据。控制盒2生成的二维图像数据 经格式转换后传输给视频眼镜3，可选的，也可同时将二维图像数据传输给外部的陆 上显示设备。图3为在一个实施例中，控制盒2的结构示意图，如图所示，控制盒2 （图3中虚线框内部分）包括信号预处理模块21、信号处理模块22、格式转换模块 23、存储模块24、控制模块25以及电源26，上述模块都位于盒体27内。

所述信号预处理模块21包括前置放大器，或滤波器，或同时包括前置放大器与 滤波器，其可对由声纳头1采集的声纳信号进行包括放大、滤波在内的预处理操作。

参考图4，所述信号处理模块22包括采样单元221、分析单元222、编码单元 223；所述采样单元221对经过预处理的声纳信号进行采样，得到采样信号；所述分 析单元222对采样信号做FFT运算，得到反映信号强度的值；所述编码单元223对 所得到的反映信号强度的值做伪彩色编码，即根据物体的反射系数找出每个点最适 合显示的颜色，从而生成二维图像数据。

所述格式转换模块23对二维图像数据转换为能够在视频眼镜3上显示的数据格 式，如16位的RGB值。

所述存储模块24用于存储所述信号处理模块22所生成的二维图像数据。所述 存储模块24是SD卡。

所述控制模块25提供多种类型的控制功能，包括对成像距离、信号增益、成像 范围角度进行控制，以及整个声纳系统的启动与关闭。所述成像距离是本发明的声 纳所要探测的量程，所述声纳探测量程取决于收发合置换能器12所发出的声纳信号 的脉冲长度，以及收发合置换能器12发射、接收信号的时间间隔，控制模块25可 对收发合置换能器12发出相应的控制信号来实现对声纳探测量程的控制。在本实施 例中，本发明的声纳提供了1.5m、3m、12m、23m、50m、100m六个常用探测量程 供潜水员进行选择。根据不同的探测量程，收发合置换能器12发出不同脉冲长度的 声纳信号，以及设置对回波信号不同的接收时间间隔。所述信号增益用于增强或衰 减回波信号，从而控制声纳图像的清晰度，其可选取的范围为-10～30dB。控制模块 25对信号处理模块22发出相应的控制信号来实现对接收到的信号的增益控制。所述 成像范围角度反映了合置换能器12所发出的声纳信号对外部环境的扫描范围，控制 模块25发出控制信号到步进电机11，控制步进电机11的转动角度，从而控制成像 范围角度。所述系统的启动与关闭，由控制模块25发出相应控制信号来实现系统的 启动与关闭。

所述电源26用于为控制盒2中的其余模块以及声纳头1、视频眼镜3提供电能。

所述视频眼镜3从控制盒2接收二维图像数据后，根据二维图像数据生成二维 图像。图5为在一个实施例中，视频眼镜3的结构示意图，如图所示，视频眼镜3 包括镜片31、放大组件32、微型显示器33，三者在视频眼镜筒34内依次排列，在 本实施例中，根据本发明实际应用情况，本发明中微型显示器33的视场角设计为 28.5°，放大组件32放大倍数设计为10X，视频眼镜具有调焦功能，可以根据实际 情况调节焦距，以使得视觉效果最佳，且具有水密抗压能力。视频眼镜3通过水密 接头35与水密电缆连接，通过水密电缆从控制盒2得到二维图像数据，微型显示屏 33根据二维图像数据生成二维图像，用户的目光通过镜片31和放大组件32可以看 到放大了10倍的微型显示器33上的反映外部环境的二维图像。所述视频眼镜3应 当具有良好的水密性。所述微型显示器33可采用市场上已有的VGA-045微型显示 器。

本发明的头盔式彩色图像声纳在使用时，将声纳头1安装在潜水员的头盔上（如 通过支架或头带安装），将视频眼镜3安装在潜水员头盔的眼部，将控制盒2安放在 腰间或胸前等潜水员认为方便的位置，将声纳头1、视频眼镜3分别通过水密电缆与 控制盒2连接。若有需要，还可将控制盒2通过水密电缆与安放在陆地上的外接显 示设备相连。

潜水员在水下工作时，本发明的头盔式彩色图像声纳的工作过程如下：

步骤1）、潜水员通过控制盒2开启电源开关，并对成像距离、信号增益、扫描 角度范围进行设置。

步骤2）、声纳头1中的收发合置换能器12接收到命令后即开始向外发射声脉冲。 声脉冲由前方目标反射后被收发合置换能器12接收，产生扇形显示图像的一线声纳 信号，所产生的声纳信号传输到控制盒2中。

在本实施例中，假定收发合置换能器12发射的脉冲是宽度为τ、发射间隔为T、 中心频率为f₀的正弦信号。选定的成像距离为D，信号增益为R，成像范围角为θ。

步骤3）、控制盒2对声纳信号做放大、滤波等预处理，然后对声纳信号进行采 样，得到采样信号；采样信号经FFT运算后，得到反映信号强度的值，将这些值进 行伪彩色编码，生成扇形显示图像数据的一条线并存储。

步骤4）、声纳头1中的步进电机11按照设定的角度（如本实施例中所提到的 0.45度）旋转，在每个角度重复步骤2）、步骤3），形成扇形显示图像数据中的一条 线，将各条线的数据拼接后得到所述扇形显示图像数据；

例如，在步骤1）中所设置的扫描角度范围为0—150度，每次旋转的递进角度 为0.45度，则在本步骤中共形成333条线的数据，这333条线的数据拼接后生成扇 形显示图像数据。

步骤5）、对控制盒2所得到的二维图像数据，根据不同的工作方式有不同的后 续处理。所述工作方式包括：（1）水下无需和陆面相连，即位于陆地的外接显示设 备与控制盒2断开连接，潜水员独立自主作业，此时只有视频眼镜3显示图像，只 供潜水员观测；（2）水下和陆面相连，即位于陆地的外接显示设备与控制盒2连接， 此时视频眼镜3和外接显示设备双显示，潜水员与陆面人员可以同时对水下环境进 行观察，同时，陆上人员可以通过陆上显示设备配备的键盘向潜水员发送信息，这 些信息会滚动显示在视频眼镜上，潜水员可以看到。

当外接陆上显示设备与控制盒2断开时，二维图像数据只进行格式转换，转换 为可以在视频眼镜3中显示的数据格式，并将信号传输到视频眼镜3中；当外接陆 上显示设备与控制盒2连接时，二维图像数据分为两路进行传输，一路直接传输到 外接陆上设备进行显示，无需格式转换，同时，外接陆上显示设备可以通过配备的 键盘向下给潜水员发送信息，信息会显示在潜水员佩戴的视频眼镜上，另一路经过 格式转换后，传输给视频眼镜3进行显示。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管 参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明 的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均 应涵盖在本发明的权利要求范围当中。