專利名稱：水下目標(biāo)自動(dòng)定位方法及其系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水下目標(biāo)自動(dòng)定位方法，尤其是一種適合于渾水、大流速水體、紊亂流態(tài)水體水域中對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)定位并實(shí)時(shí)給出水下目標(biāo)在水面投影位置的水下目標(biāo)自動(dòng)定位方法及其系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
水下定位被廣泛用于國防、水利建設(shè)、水工工程、打撈等領(lǐng)域，其常用的方法是通過聲納系統(tǒng)和水下電視設(shè)備等進(jìn)行定位。但在流速大、水體渾濁且流態(tài)紊亂的流動(dòng)水體，如長江、黃河等大型河流中對(duì)水中的目標(biāo)進(jìn)行定位時(shí)，其測(cè)得的實(shí)際位置受水流的影響無法準(zhǔn)確定位，尤其是其在水面的投影位置往往無法確定，致使實(shí)際操作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，影響工作效率。如在一種水中護(hù)坡鋪排時(shí)，如果無法確定已鋪排的邊界，則可能影響待鋪排與已鋪排的正確搭接，輕則影響工程進(jìn)度和效益，增加水下探測(cè)和補(bǔ)排的工作量，重則產(chǎn)生脫接等質(zhì)量事故，只有當(dāng)正確確定好待搭接邊的水面投影位置時(shí)，才能準(zhǔn)確搭接，而現(xiàn)有的水下定位系統(tǒng)均采用聲波發(fā)射與接收同時(shí)位于水底的方法進(jìn)行，無法方便地找到水下目標(biāo)并準(zhǔn)確反映水下目標(biāo)在水面的垂直投影位置，且隨著水深的不斷變化其精度急劇下降。此外，在深水或水文條件惡劣的、蛙人無法到達(dá)的危險(xiǎn)水域中進(jìn)行查險(xiǎn)堵漏、水下工程、打撈沉物時(shí)，也需要先找到確切的水下目標(biāo)并對(duì)其在水面的投影位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位。凡此種種，只有對(duì)水下目標(biāo)在水面的投影進(jìn)行準(zhǔn)確定位后，通過計(jì)算或誤差修正才能對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確的操作。而目前尚無一種簡便、快速的可用于確定水下目標(biāo)在水面垂直投影位置的方法或系統(tǒng)可供使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于水下目標(biāo)自動(dòng)定位并能準(zhǔn)確反映其在水面投影位置的水下目標(biāo)自動(dòng)定位方法及系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種水下目標(biāo)自動(dòng)定位方法，其特征是包括下列步驟a、從船上通過鋼纜將與鋼纜相連的、由水下電視探頭、水下聲波發(fā)射頭和水深探頭組成的水下探測(cè)裝置從所需定位目標(biāo)大致水域沉入水底，并使探測(cè)裝置中的各探頭與安裝在船只上的相應(yīng)的控制器和主要由計(jì)算機(jī)組成的控制接收系統(tǒng)相連，通過移動(dòng)船只和/或鋼纜的位置控制探測(cè)裝置的移動(dòng)，直至水下電視探頭向安裝在船只上的、與水下電視探頭相連的控制器和計(jì)算機(jī)顯示器輸送了滿足要求的所需定位目標(biāo)的圖像；同時(shí)水深探頭將目標(biāo)所處位置的水深信號(hào)通過其控制器送至計(jì)算機(jī)接收系統(tǒng)中；b、將與水下聲波發(fā)射頭相配套的聲波接收器在水面間隔設(shè)置成線狀聲波接收陣列，并將各聲波接收器與上述的控制接收裝置相連；c、通過控制接收裝置啟動(dòng)水下聲波發(fā)射頭工作，向水面發(fā)射聲波至聲波接收陣列中的各聲波接收器；d、各聲波接收器將各自接收到的聲波信號(hào)送至控制接收系統(tǒng)中，由控制接收系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)自動(dòng)判讀并記錄下各聲波接收器轉(zhuǎn)發(fā)來的水下聲波發(fā)射頭發(fā)射的聲波的時(shí)間，并在軟件控制下自動(dòng)計(jì)算各聲波接收器接收時(shí)間差；e、計(jì)算機(jī)通過分析各聲波接收器的接收時(shí)間差和水深探頭傳來的水深信息自動(dòng)計(jì)算出水下目標(biāo)的水面投影位置值，并在顯示屏幕上顯示以曲線(曲線的最低點(diǎn)即為投影位置值)顯示，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水下目標(biāo)的定位。
上述方法中所述的在水面設(shè)置的線狀(可為直線狀，也可為曲線狀)聲波接收陣列中的聲波接收器呈等間距布置。
呈等間距布置的聲波接收器的數(shù)量為六個(gè)。
所述的線狀聲波接收陣列與所述的船只的相連并與其連動(dòng)。
上述方法可采用以下系統(tǒng)加以實(shí)現(xiàn)一種水下目標(biāo)自動(dòng)定位系統(tǒng)，主要水下電視裝置、水下聲波收發(fā)裝置、水深探測(cè)裝置、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成組成，水下電視裝置主要由水下電視探頭、視頻控制器和顯示裝置組成，水下聲波收發(fā)裝置由水下聲波發(fā)射探頭、若干聲波接收器和聲波控制器組成，水深探測(cè)裝置主要包括水深傳感器和水深控制器，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)安裝在船只上，其特征是水下電視裝置中的水下電視探頭、水下聲波收發(fā)裝置中的水下聲波發(fā)射探頭、水深探測(cè)裝置中的水深傳感器同時(shí)固定安裝在一個(gè)沉入水體中的載體(鉛魚)上，該載體通過鋼纜與船只上的鋼纜傳動(dòng)裝置相連，水下電視探頭通過視頻電纜與安裝在船只上的視頻控制器及顯示裝置相連，水深傳感器通過水深傳輸線及水深控制器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連，水下聲波發(fā)射探頭通過控制傳輸線與其安裝在船只上的聲波控制器相連；視頻電纜、水深傳輸線、控制傳輸線均與船只上的電纜傳動(dòng)裝置相連，水下聲波收發(fā)裝置中的若干聲波接收器間隔安裝在與船只剛性相連并與之連動(dòng)的支架上，支架位于水面或水面以下，從而使相應(yīng)的聲波接收器也位于水面或水面以下，各聲波接收器也通過各自的傳輸線及其安裝在船只上的聲波控制器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連。
本發(fā)明的系統(tǒng)中還采取了以下技術(shù)措施安裝在支架上的聲波接收器呈等間隔布置，其數(shù)量可為六個(gè)。
支架為直線狀剛性結(jié)構(gòu)或曲線狀剛性結(jié)構(gòu)。
支架與水面平行。
本發(fā)明的有益效果1、采用水下電視方式簡便快速尋找并確定水下目標(biāo)，降低成本和設(shè)置難度，滿足動(dòng)態(tài)定位要求。
2、首次通過收發(fā)分置和水面接收固定線陣解決了水下目標(biāo)在水面投影位置的定位問題。
3、通過水深探測(cè)數(shù)據(jù)的引用，減小或消除聲波在水體傳播中的誤差，能更精確反映目標(biāo)垂直投影位置，定位準(zhǔn)確度不受水深變化的影響。
4、適用于在各種水體中使用，尤其適合于在流速大、水體渾濁、流態(tài)紊亂嚴(yán)重的水體中的動(dòng)態(tài)測(cè)量，如長江、黃河等大江大河中使用。
5、方法及系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單易行。接收線陣與船只連接固定，水下探頭動(dòng)作控制由輔助傳動(dòng)系統(tǒng)完成，定位關(guān)系確定后可相應(yīng)移動(dòng)船只。


圖1是本發(fā)明的聲波定位原理示意圖。
圖2是本發(fā)明和定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明的軟件流程框圖。
圖4是本發(fā)明的載體的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是本發(fā)明的的定位系統(tǒng)中的載體、傳動(dòng)裝置連接結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是本發(fā)明的水下電視工作原理示意圖。
圖7是本發(fā)明實(shí)施例的定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
圖8是本發(fā)明在水下鉸鏈深排施工中使用時(shí)的定位工作原理示意框圖。
圖9是本發(fā)明的沉排結(jié)構(gòu)示意圖。
圖10是本發(fā)明實(shí)施例的接線原理示意框圖。
圖1～10中1為水下電視探頭，2為顯示裝置，3為水下聲波發(fā)射探頭，4為聲波接收器4，5為水深傳感器，6為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，7為安裝船只，8為載體(鉛魚)，9為鋼纜，10為吊鉤，11為支架，12為位移操控架，13為鋼纜導(dǎo)輪，14為鋼纜絞車，15為尾翼，16為電纜滑輪，17為電纜收放輪轂，18為沉排，19為傳輸電纜，1′為視頻控制器，3′為聲波控制器，5′為水深控制器。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
如圖1、3、4、5、6所示。
一種水下鉸鏈沉排自動(dòng)定位方法及系統(tǒng)，其定位方法為a、從船上通過鋼纜將與鋼纜相連的、由水下電視探頭、水下聲波發(fā)射頭和水深探頭組成的水下探測(cè)裝置從所需定位目標(biāo)大致水域沉入水底，并使探測(cè)裝置中的各探頭與安裝在船只上的相應(yīng)的控制器和主要由計(jì)算機(jī)組成的控制接收系統(tǒng)相連，通過移動(dòng)船只和/或鋼纜的位置控制探測(cè)裝置的移動(dòng)，直至水下電視探頭向安裝在船只上的、與水下電視探頭相連的控制器和計(jì)算機(jī)顯示器輸送了滿足要求的所需定位目標(biāo)的圖像；同時(shí)水深探頭將目標(biāo)所處位置的水深信號(hào)通過其控制器送至計(jì)算機(jī)接收系統(tǒng)中；b、將與水下聲波發(fā)射頭相配套的聲波接收器在水面間隔設(shè)置成線狀聲波接收陣列，并將各聲波接收器與上述的控制接收裝置相連；c、通過控制接收裝置啟動(dòng)水下聲波發(fā)射頭工作，向水面發(fā)射聲波至聲波接收陣列中的各聲波接收器；d、各聲波接收器將各自接收到的聲波信號(hào)送至控制接收系統(tǒng)中，由控制接收系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)自動(dòng)判讀并記錄下各聲波接收器轉(zhuǎn)發(fā)來的水下聲波發(fā)射頭發(fā)射的聲波的時(shí)間，并在軟件控制下自動(dòng)計(jì)算各聲波接收器接收時(shí)間差；e、計(jì)算機(jī)通過分析各聲波接收器的接收時(shí)間差和水深探頭傳來的水深信息自動(dòng)計(jì)算出水下目標(biāo)的水面投影位置值，并在顯示屏幕上顯示以曲線(曲線的最低點(diǎn)即為投影位置值)顯示，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水下目標(biāo)的定位。
上述方法中所述的在水面設(shè)置的線狀聲波接收陣列中的聲波接收器呈等間距布置，所述的線狀可為直線狀，也可為曲線狀，本實(shí)施例采用的為直線狀，其長度為2米，其上呈等間距布置有六個(gè)聲波接收器。所述的線狀聲波接收陣列通過支架與所述的船只相連并與船只連動(dòng)。
實(shí)現(xiàn)上述方法的水下目標(biāo)自動(dòng)定位系統(tǒng)，如圖2、4、5、6所示，主要水下電視裝置、水下聲波收發(fā)裝置、水深探測(cè)裝置、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成組成，水下電視裝置主要由水下電視探頭1、視頻控制器1′和顯示裝置2組成，水下聲波收發(fā)裝置由水下聲波發(fā)射探頭3、六個(gè)聲波接收器4(即一發(fā)六收系統(tǒng))和一個(gè)聲波控制器3′組成、水深探測(cè)裝置主要包括水深傳感器5和水深控制器5′，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)6安裝在船只7上，水下電視裝置中的水下電視探頭1、水下聲波收發(fā)裝置中的水下聲波發(fā)射探頭3、水深探測(cè)裝置中的水深傳感器5同時(shí)固定安裝在一個(gè)沉入水體中的載體8(又可稱為鉛魚)上，該載體8通過其上的吊鉤10及鋼纜9與船只7上的鋼纜傳動(dòng)裝置(如圖5所示)相連，水下電視探頭1通過視頻電纜與安裝在船只7上的視頻控制器1′及顯示裝置相連，水深傳感器5通過水深傳輸線與水深控制器5′和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)6相連，水下聲波發(fā)射探頭3通過控制傳輸線與基安裝在船只7上的聲波控制器3′相連；水下聲波收發(fā)裝置中的六個(gè)聲波接收器4等間隔安裝在與船只7剛性相連并與之連動(dòng)的剛性的、直線結(jié)構(gòu)的、與水面平行的支架11上，支架11位于水面或水面以下(以位于水面以下為最佳)，從而使相應(yīng)的六個(gè)聲波接收器4也位于水面或水面以下，六個(gè)聲波接收器4通過各自的傳輸線及其安裝在船只7上的聲波控制器3′和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)6相連；視頻電纜、水深傳輸線、控制傳輸線均與船只7上的電纜傳動(dòng)裝置相連。
本實(shí)施例的鋼纜傳動(dòng)裝置(如圖5)主要由位移操控架12、鋼纜導(dǎo)輪13、鋼纜絞車14組成，載體8通過鋼纜9與位移操控架12相連，位移操控架12安裝在與船只7側(cè)面相連的導(dǎo)軌上，并能在導(dǎo)軌上移動(dòng)，從而使載體8能沿船只7的前后方向移動(dòng)，與載體8相連的鋼纜9通過鋼纜導(dǎo)輪13與鋼纜絞車14相連，轉(zhuǎn)動(dòng)鋼纜絞車14，通過鋼纜導(dǎo)輪13帶動(dòng)鋼纜9沿水深方向垂直移動(dòng)，從而帶動(dòng)載體8作上下移動(dòng)。
本實(shí)施例的電纜傳動(dòng)裝置(如圖5)由電纜滑輪16、電纜收放輪轂17組成，它的主要作用是與鋼纜傳動(dòng)裝置同步實(shí)現(xiàn)收放，它屬于純機(jī)械傳動(dòng)，利用現(xiàn)有技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)，故不再敘述。
下面結(jié)合本發(fā)明在水工工程中的鉸鏈沉排施工中的具體應(yīng)用對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
如圖7、8、9、10所示。
其中圖7為根據(jù)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的具體的結(jié)構(gòu)及信號(hào)走向結(jié)構(gòu)框圖，其中虛線L-L以下部分為在水中，以上部分除支架11及安裝在其上的聲波接收器4與船側(cè)固定相連外，全部安裝在船只7上。此外，圖7中所示的鉛魚體即為本發(fā)明所述的載體8。
在堤防隱蔽工程(水工工程)建設(shè)中采用鉸鏈沉排是一種行之有效的新型治河方法，在鉸鏈沉排施工中使用了水上平拉連續(xù)沉排新工藝，提高了水下鉸鏈沉排的工作效率和工程質(zhì)量，目前已正式投入生產(chǎn)使用。
在江河中進(jìn)行水下鉸鏈沉排施工，水下地形變化、江水的流向及流速對(duì)施工都會(huì)產(chǎn)生影響。
傳統(tǒng)的水下鉸鏈沉排施工定位是由岸上測(cè)量控制，在斷面上插上標(biāo)桿，沉排船對(duì)準(zhǔn)標(biāo)桿進(jìn)行施工。測(cè)量只能控制沉排船在水面上的位置。如果遇到水下地形變化，或流水影響，沉排的水下位置就會(huì)發(fā)生變化，排邊在水面上的投影位置也發(fā)生了變化。這樣按測(cè)量進(jìn)行施工，可能導(dǎo)致重排、疊排或剪刀口等現(xiàn)象出現(xiàn)，不能保證鋪排質(zhì)量。
水下鉸鏈沉排自動(dòng)定位系統(tǒng)，是在水上施工過程中，能夠?qū)崟r(shí)自動(dòng)找到水底已沉排邊的位置，控制沉排船對(duì)準(zhǔn)排位，指導(dǎo)沉排船在準(zhǔn)確位置鋪排，保證前后兩塊沉排18的搭接寬度，提高鋪排質(zhì)量。
水下鉸鏈沉排自動(dòng)精確定位的技術(shù)關(guān)鍵主要有兩點(diǎn)一是找到已沉排邊，二是確定已沉排邊在水面的投影位置。水下鉸鏈沉排施工是在流水場(chǎng)情況下工作，流水的沖力使水下沉排的位置發(fā)生變化，同時(shí)流水對(duì)一些物理場(chǎng)也會(huì)造成扭曲影響。為此，在選擇地球物理方法時(shí)必須選擇流水對(duì)其影響相對(duì)比較小的物理場(chǎng)法來進(jìn)行檢測(cè)已沉排邊，以及采用多種地球物理方法綜合應(yīng)用來達(dá)到精確定位的目的。
水下鉸鏈沉排自動(dòng)定位系統(tǒng)工作原理水下電視探頭是光學(xué)攝像設(shè)備，通過視頻傳輸電纜實(shí)時(shí)傳遞水下視頻信息，觀察水下電視探頭視角范圍內(nèi)的圖像，它的任務(wù)是在水下找到已沉排邊。水深檢測(cè)采用壓力傳感器檢測(cè)探頭所在位置的水壓力通過電纜傳輸上來，轉(zhuǎn)換為水深信息，它的任務(wù)是為聲波檢測(cè)提供參數(shù)設(shè)置依據(jù)及為沉排施工人員提供參考。聲波法是采用水下發(fā)射、水面接收發(fā)射聲波的直達(dá)波來確定已沉排邊在水面的投影位置。水下電視探頭1、水下聲波發(fā)射頭3、水深探頭(即水深傳感器5)為三位一體裝置(組合在一個(gè)鉛魚體即載體8上)，相互配合完成水底探測(cè)任務(wù)，聲波接收器4擔(dān)任水面定位任務(wù)。
水下鉸鏈沉排自動(dòng)定位系統(tǒng)的具體定位過程為1)首先找到已沉排18的邊緣(通過水下電視探頭1)；2)在水面上找到水下排邊在水面的投影位置；3)沉排船只7根據(jù)該水面的位置移位定位。為此，選擇水下電視尋找已沉排邊，選擇一發(fā)六收的聲波收發(fā)裝置來完成第二個(gè)目標(biāo)——找到水下排邊在水面的投影位置，沉排船只7根據(jù)這個(gè)位置來定位。在定位過程中了解水深對(duì)于目標(biāo)的快速確定和沉排施工都很重要的，故應(yīng)選擇能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)水深的壓敏式高精度水深探測(cè)裝置，將他們綜合利用，形成一個(gè)水下鉸鏈沉排的自動(dòng)定位系統(tǒng)。
首先采用水下電視尋找已沉排的邊界。由于流水的沖力，水下電視探頭1下水后會(huì)發(fā)生位移，當(dāng)它找到已沉排18的邊界時(shí)，很難在水面確定排邊在水下的準(zhǔn)確位置(即已沉排18的邊界)。因此，采用了一種受流水影響比較小、又能方便實(shí)現(xiàn)的地球物理方法——聲波法來進(jìn)行檢測(cè)，準(zhǔn)確定出它們的位置，以達(dá)到水下鉸鏈沉排施工準(zhǔn)確定位的目的。
聲波在水中傳播的速度VP＝1500m/s左右，而江水的流速一般為1～2m/s(在水下鉸鏈沉排施工的季節(jié)和靠岸邊位置，特殊洪水流速2～3m/s)。
工作區(qū)域的水深為0～25m，聲波傳播的時(shí)間比較短，流水對(duì)檢測(cè)聲場(chǎng)的影響比較小，造成的位移誤差為Δd＝V水速/V波速＝1～3/1500以最大流速3m/s計(jì)算，流水場(chǎng)造成的位移誤差為2‰左右，按最大水深25m計(jì)算，位移誤差為5cm，對(duì)控制沉排搭接寬度的影響可以忽略。
聲波方法進(jìn)行水下檢測(cè)定位是將聲波發(fā)射探頭3與水下電視探頭1安裝在一起，當(dāng)水下電視找到目標(biāo)后，立即進(jìn)行聲波發(fā)射，在水面上采用由六個(gè)聲波接收器4組成的線陣接收聲系進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)到聲波走時(shí)最短的位置，即為聲波在水下發(fā)射的位置，即沉排的邊界在水面的投影位置，以控制施工船的定位。
水深探頭上的壓力傳感器5精確測(cè)定水深，實(shí)時(shí)提供水深數(shù)據(jù)給聲波控制器5′作為數(shù)據(jù)窗口參數(shù)設(shè)置，以提高數(shù)據(jù)處理速度。
水下鉸鏈沉排自動(dòng)定位系統(tǒng)工作方式是準(zhǔn)確控制水下鉸鏈沉排工作船位?？刂扑裸q鏈沉排工作船位的方法是采用二點(diǎn)定一直線的方法來控制施工工作船位。工作原理框圖如圖8所示，在沉排工作船上的第二塊排位的鉸鏈位置(離排邊2米處)，從船的兩側(cè)下放二個(gè)探測(cè)裝置(即載體8)，當(dāng)1#和2#水下電視探頭1都找到已沉排18的邊緣時(shí)，根據(jù)1#和2#聲波接收器4的信號(hào)指示，移動(dòng)沉排船只7的位置，使其對(duì)準(zhǔn)排邊位置，開始鋪放鉸鏈沉排。沉排工作船船長還可實(shí)時(shí)根據(jù)屏幕上的信息指示矯正船位。
水下聲波定位原理如圖1所示，聲波接收發(fā)射裝置在水底下的水下聲波發(fā)射探頭3定向向水面發(fā)射聲波，施工船只7一側(cè)的、能與船只7同步移動(dòng)的由聲波接收器4組成的直線狀陣列接收聲波信息。由于聲波接收器線陣列是在2.0米長直線上均勻排列的六道聲波接收器，同時(shí)接收發(fā)射聲波，最早接收到聲波信息的聲波接收器4是離水下聲波發(fā)射探頭3(即已沉排邊緣)最近的位置。因?yàn)槁暡ǖ淖邥r(shí)最短，即是說，聲波發(fā)射探頭3到聲波接收器4的距離最近。當(dāng)聲波最短走時(shí)位于線陣的中心(如圖1、12所示)時(shí)，發(fā)射探頭(即已沉排邊緣)處于線陣中心的正下方位置，也即為水下排邊在水面的投影位置。將六個(gè)聲波接收器4組成的線陣中點(diǎn)固定在待沉排需要與水下已沉排邊界搭接的位置，調(diào)整施工船位，使之聲波初至到時(shí)最小點(diǎn)于接收聲系的中點(diǎn)，如圖1所示，定位即成功。
水下鉸鏈沉排自動(dòng)定位系統(tǒng)的所有信息由計(jì)算機(jī)控制，統(tǒng)一在顯示器2屏幕上顯示，其軟件框圖如圖3所示。
在軟件的控制下可在顯示屏幕的左邊和右邊各顯示一個(gè)系統(tǒng)，屏幕上部為水下電視圖像，中部為水深顯示數(shù)值，下部為六個(gè)聲波接收器接收到的初至?xí)r間。
水下電視工作原理及技術(shù)性能水下電視由水下電視探頭1、傳輸電纜19、控制器1′、圖像采集處理器、存儲(chǔ)器、顯示器等組成(如圖6所示)。
水下電視探頭1內(nèi)置有高精度、寬頻帶的電視攝像機(jī)，并配置有特殊照明光源，能適應(yīng)一般江河水中工作。水下電視探頭1由地面控制器1′通過傳輸電纜供給電源，水下攝像機(jī)攝取的電視圖像信號(hào)經(jīng)由視頻傳輸電纜送到地面，通過RS-232接口，被計(jì)算機(jī)圖像采集器采集、處理后在顯示器屏幕上顯示。
本發(fā)明的水下電視裝置可采用表1所示的水下電視裝置，也可采用指標(biāo)相近似的任一種水下電視裝置。
表1

水下聲波收發(fā)裝置可采用六道聲波儀，其工作原理及技術(shù)性能如下六道聲波儀是一臺(tái)一發(fā)六收的聲波儀。一個(gè)發(fā)射通道，發(fā)射頻率為30kHz左右的矩形脈沖波。六個(gè)聲波接收器4同時(shí)接收水下發(fā)射探頭3發(fā)出的聲波。六道聲波儀可與計(jì)算機(jī)相連，并通過計(jì)算機(jī)軟件控制，本實(shí)施例采用了輪流工作的辦法，控制二套水下聲波發(fā)射器、水面聲波接收器工作。
六道聲波儀的技術(shù)指標(biāo)A.超聲波發(fā)射、接收通道發(fā)射通道2道；接收通道6道，交替工作為雙6道B.發(fā)射與接收性能發(fā)射通道發(fā)射波形矩形脈沖脈沖幅度250伏、500伏、1000伏脈沖寬度20μs～100μs
接收通道接收雙6道，交替工作放大器增益0dB～42dB(以6dB為增量可選)，可調(diào)頻帶寬度600Hz～100KHz掃描時(shí)延1～9999ms(默認(rèn)值為1ms)輸入方式單端輸入輸入阻抗≥20KΩC.采樣點(diǎn)數(shù)1k、2k、4k、8k、16k、32k點(diǎn)/道間隔0.1μs～25.6μs，按0.1μs步進(jìn)遞增選擇，每道單次發(fā)射，一次采集，歷時(shí)1秒左右；采樣及記錄長度間隔(0.1～25.6μs)×1k(2k、4k、8k、16k、32k)存儲(chǔ)容量32M字節(jié)，可存儲(chǔ)1k長度的記錄共16384道(4k長度的記錄共4096道等)；D.顯示240×128點(diǎn)帶背光優(yōu)質(zhì)液晶圖象顯示器，能同時(shí)顯示測(cè)試波形、參數(shù)、時(shí)標(biāo)等E.電源特性AC 220V或DC 12V蓄電瓶F.外形尺寸300×260×115mmG.重量主機(jī)2kg發(fā)射換能器50g，線長≥80米接收換能器15kg/套，線長≥50米六道聲波儀的數(shù)據(jù)處理功能六道聲波儀的數(shù)據(jù)處理功能分為兩部分。一部分為即時(shí)信號(hào)處理，另一部分為與計(jì)算機(jī)通訊信息處理。
即時(shí)信號(hào)處理有校零、背景噪聲監(jiān)測(cè)(續(xù)測(cè))、頻譜分析、波形增幅、減幅、左移、右移、坐標(biāo)與波形變面積顯示等功能。在聲波儀的面板上有相應(yīng)的功能鍵，直接在面板上進(jìn)行操作來實(shí)現(xiàn)，儀器操作面板如圖5所示。與計(jì)算機(jī)通訊信息處理的內(nèi)容主要為接收計(jì)算機(jī)的命令發(fā)射超聲波；接收信息采樣；根據(jù)水深確定信息窗口；自動(dòng)判讀聲波初至?xí)r間；各道的初至?xí)r間送計(jì)算機(jī)作深一步處理及顯示。
水深探測(cè)裝置的工作原理及技術(shù)性能水深儀探測(cè)裝置由水深傳感器探頭5、空氣芯傳輸電纜、信號(hào)處理器、接口轉(zhuǎn)換器等組成。水深傳感器5是一個(gè)高精度的壓敏式傳感器。它將水的壓力轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，通過電纜傳送到儀表中，轉(zhuǎn)換成水的深度數(shù)字信息，在控制器5′儀表上顯示。深度數(shù)字信息再通過接口轉(zhuǎn)換器傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和顯示。
水深儀的技術(shù)指標(biāo)測(cè)量介質(zhì)非腐蝕液體測(cè)量范圍0~50m輸入電壓DC 24V輸出信號(hào)0~5V綜合精度0.1％F.S工作溫度-20°~85℃溫度漂移0.02％F.S/℃長期穩(wěn)定性≤±0.2％F.S/年數(shù)字顯示4位數(shù)字顯示，2位小數(shù)(99.99m)接口轉(zhuǎn)換RS485→RS232水下鉸鏈沉排自動(dòng)定位的軟件框圖如圖3所示。
水下鉸鏈沉排自動(dòng)定位系統(tǒng)的控制軟件，它整合兩路水下電視、聲波定位和水深探測(cè)的綜合監(jiān)控功能。軟件具有界面清潔，使用簡單，指導(dǎo)性強(qiáng)的特點(diǎn)，軟件流程圖如圖3所示。
軟件要求的硬件配置計(jì)算機(jī)CPU 1G以上，具有24Bit以上兼容顯卡，兩路串口，CG-400圖像采集卡。
軟件要求Win2000以上操作系統(tǒng)，正確安裝的圖像卡及顯卡驅(qū)動(dòng)程序。
計(jì)算機(jī)的具體配置可為是CPU是Intel pintium4 2.4G、內(nèi)存256M、硬盤60G(7200轉(zhuǎn))、64M DDR高性能3D圖形顯不卡、刻錄機(jī)、FG560-XL 15″彩色液晶顯示器、2個(gè)串口、DH-CG400彩色/黑白圖像采集卡等，采用WinXp操作系統(tǒng)，完全滿足軟件系統(tǒng)的要求。
本應(yīng)用例中的計(jì)算機(jī)信息采集、處理系統(tǒng)將二路水下電視圖像、二路水深、二路聲波信息進(jìn)行采集處理，同屏顯示。從屏幕圖像上觀測(cè)已沉排的位置，從屏幕聲波信息上確定施工船位，從屏幕顯示的水深采取施工措施。
根據(jù)水下定位系統(tǒng)的要求，計(jì)算機(jī)對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)接收的水下電視圖像信號(hào)、聲波信號(hào)、檢測(cè)點(diǎn)水深信號(hào)等，進(jìn)行同屏顯示，以圖像、數(shù)字、曲線光標(biāo)指示形式指導(dǎo)沉排施工船定位。
具體的試驗(yàn)水下鉸鏈沉排自動(dòng)定位系統(tǒng)經(jīng)過聯(lián)合安裝調(diào)試后，進(jìn)行了實(shí)用性試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為檢驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行情況及檢驗(yàn)系統(tǒng)的定位精度。
水下鉸鏈沉排自動(dòng)定位系統(tǒng)安裝調(diào)試水下鉸鏈沉排自動(dòng)定位系統(tǒng)的主機(jī)控制系統(tǒng)安裝在水下鉸鏈沉排船的主控室內(nèi)，各傳輸電纜通過管道進(jìn)入沉排船下層的液壓控制艙，鋼絲繩和電纜的絞車安裝在船艙內(nèi)，電纜終端的組合探頭再經(jīng)過液壓控制艙的窗口到船舷邊的圓弧板下，懸掛在位移操控架12上，位移操控架12安裝在圓弧板下的導(dǎo)軌上，由常規(guī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)控制組合探頭(即載體8)的前后移動(dòng)和升降，具體實(shí)施時(shí)的控制系統(tǒng)接線框圖如圖10所示。聲波接收線陣也安裝在圓弧板下，聲波接收線陣的中心位置，排邊向內(nèi)2m處，也就是沉排搭接的起點(diǎn)處，聲波接收線陣安裝在固定支架11上。經(jīng)過多次試驗(yàn)改進(jìn)，控制升降和位移已基本達(dá)到實(shí)用的要求。
水下電視與水深也可共用一個(gè)控制器，其后面板上的左邊電視電纜和水深輸入分別連接左路水下電視探頭和水深探頭，右邊電視電纜和水深輸入分別連接右路水下電視探頭和水深探頭。左路視頻輸出連接計(jì)算機(jī)視頻VIDEO 1，右路視頻輸出連接計(jì)算機(jī)視頻VIDEO 2。左路和右路水深輸出共用一個(gè)RS-232串口，連接計(jì)算機(jī)COM 1口。聲波儀后面板的發(fā)射2、接收2為左路，發(fā)射1、接收1為右路，兩路共用一個(gè)RS-232串口連接計(jì)算機(jī)COM 2口，如圖10所示。兩路經(jīng)安裝調(diào)試后均已正常工作。
水下鉸鏈沉排自動(dòng)定位系統(tǒng)軟件經(jīng)安裝調(diào)試，運(yùn)行正常。采集的水下電視圖像清晰、水深數(shù)據(jù)正確、聲波檢測(cè)曲線直觀，符合設(shè)計(jì)要求。水下鉸鏈沉排自動(dòng)定位系統(tǒng)定位精度滿足要求。
權(quán)利要求
1.一種水下目標(biāo)自動(dòng)定位方法，其特征是包括下列步驟a、從船上通過鋼纜將與鋼纜相連的、由水下電視探頭、水下聲波發(fā)射頭和水深探頭組成的水下探測(cè)裝置從所需定位目標(biāo)大致水域沉入水底，并使探測(cè)裝置中的各探頭與安裝在船只上的相應(yīng)的控制器和主要由計(jì)算機(jī)組成的控制接收系統(tǒng)相連，通過移動(dòng)船只和/或鋼纜的位置控制探測(cè)裝置的移動(dòng)，直至水下電視探頭向安裝在船只上的、與水下電視探頭相連的控制器和計(jì)算機(jī)顯示器輸送了滿足要求的所需定位目標(biāo)的圖像；同時(shí)水深探頭將目標(biāo)所處位置的水深信號(hào)通過其控制器送至計(jì)算機(jī)接收系統(tǒng)中；b、將與水下聲波發(fā)射頭相配套的聲波接收器在水面間隔設(shè)置成線狀聲波接收陣列，并將各聲波接收器與上述的控制接收裝置相連；c、通過控制接收裝置啟動(dòng)水下聲波發(fā)射頭工作，向水面發(fā)射聲波至聲波接收陣列中的各聲波接收器；d、各聲波接收器將各自接收到的聲波信號(hào)送至控制接收系統(tǒng)中，由控制接收系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)自動(dòng)判讀并記錄下各聲波接收器轉(zhuǎn)發(fā)來的水下聲波發(fā)射頭發(fā)射的聲波的時(shí)間，并自動(dòng)計(jì)算各聲波接收器接收時(shí)間差；e、計(jì)算機(jī)通過分析各聲波接收器的接收時(shí)間差和水深探頭傳來的水深信息自動(dòng)計(jì)算出水下目標(biāo)的水面投影位置值，并在顯示屏幕上顯示以曲線顯示，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水下目標(biāo)的定位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下目標(biāo)自動(dòng)定位方法，其特征是在水面設(shè)置的線狀聲波接收陣列中的聲波接收器呈等間距布置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的水下目標(biāo)自動(dòng)定位方法，其特征是呈等間距布置的聲波接收器的數(shù)量為六個(gè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的水下目標(biāo)自動(dòng)定位方法，其特征是所述的線狀聲波接收陣列與所述的船只的相連并與其連動(dòng)。
5.一種水下目標(biāo)自動(dòng)定位系統(tǒng)，主要水下電視裝置、水下聲波收發(fā)裝置、水深探測(cè)裝置、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成組成，水下電視裝置主要由水下電視探頭、視頻控制器和顯示裝置組成，水下聲波收發(fā)裝置由水下聲波發(fā)射探頭、若干聲波接收器和聲波控制器組成，水深探測(cè)裝置主要包括水深傳感器和水深控制器，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)安裝在船只上，其特征是水下電視裝置中的水下電視探頭、水下聲波收發(fā)裝置中的水下聲波發(fā)射探頭、水深探測(cè)裝置中的水深傳感器同時(shí)固定安裝在一個(gè)沉入水體中的載體上，該載體通過鋼纜與船只上的鋼纜傳動(dòng)裝置相連，水下電視探頭通過視頻電纜與安裝在船只上的視頻控制器及顯示裝置相連，水深傳感器通過水深傳輸線及水深控制器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連，水下聲波發(fā)射探頭通過控制傳輸線與其安裝在船只上的聲波控制器相連；視頻電纜、水深傳輸線、控制傳輸線均與船只上的電纜傳動(dòng)裝置相連，水下聲波收發(fā)裝置中的若干聲波接收器間隔安裝在與船只剛性相連并與之連動(dòng)的支架上，支架位于水面或水面以下，從而使相應(yīng)的聲波接收器也位于水面或水面以下，各聲波接收器也通過各自的傳輸線及其安裝在船只上的聲波控制器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的水下目標(biāo)自動(dòng)定位系統(tǒng)，其特征是安裝在支架上的聲波接收器呈等間隔布置。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的水下目標(biāo)自動(dòng)定位系統(tǒng)，其特征是所述的支架為直線狀剛性結(jié)構(gòu)或曲線狀剛性結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或7所述的水下目標(biāo)自動(dòng)定位系統(tǒng)，其特征是所述的支架與水面平行。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于水下目標(biāo)自動(dòng)定位并能準(zhǔn)確反映其在水面投影位置的水下目標(biāo)自動(dòng)定位方法，主要包括下列步驟a.從船上通過鋼纜將水下探測(cè)裝置從所需定位目標(biāo)大致水域沉入水底，并通過圖像確定其水下位置；b.聲波接收器在水面間隔設(shè)置成線狀聲波接收陣列；c.使水下聲波發(fā)射頭向水面發(fā)射聲波；d.將聲波信號(hào)送至計(jì)算機(jī)中計(jì)算時(shí)間差；e.由計(jì)算機(jī)分析時(shí)間差和水深信息并計(jì)算出水下目標(biāo)的水面投影位置值，以曲線顯示。本發(fā)明還公開了實(shí)現(xiàn)本方法的一種系統(tǒng)，具有定位簡便、快捷的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01S5/00GK1614441SQ200410065409
公開日2005年5月11日 申請(qǐng)日期2004年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月1日
發(fā)明者李濤章, 劉雨泉, 吳永新, 廖小元, 陳云武, 王建龍 申請(qǐng)人:南京市長江河道管理處