CN106814408A - 基于rov平台的水下文物集成探测装置 - Google Patents

基于rov平台的水下文物集成探测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于ROV平台的水下文物集成探测装置，包括甲板装置和水下集成探测装置，属于海洋探测技术领域。甲板装置包括母船、GPS***、超短基线收发器和ROV控制台。水下探测装置在ROV平台上集成磁力仪、多波束声呐、侧扫声呐、高清摄像头、浅地层剖面仪(浅剖仪)和超短基线声信标。磁力仪用以测定探测区域的磁异常值，粗略确定水下文物的位置。应用浅剖仪描绘水底地层的剖面结构，用来探测埋于泥面以下文物位置。多波束声呐以及侧扫声呐，用来提供高分辨率水下声学图像，结合高清摄像头来探测泥面上文物的位置。本发明装置集成并融合多种传感器信息，实现水下文物可视化、精细化的实时探测，提高水下文物考古作业的探测效率。

Description

基于ROV平台的水下文物集成探测装置
技术领域
本发明涉及一种水下文物集成探测装置，属于水下探测技术领域，尤其涉及一种基于ROV平台的水下文物集成探测装置。
背景技术
水下文物探测是水下文化遗产调查、发掘、保护、研究与开发的基础。目前我国水下文物保护存在一系列亟需解决的问题：水下文物保护工作起步较晚，探测保护技术尚处于初始阶段，水下文物的家底依然不够清晰，这已成为水下文物保护事业发展的瓶颈之一；水下文物盗掘、盗捞、倒卖等不法行为依然猖獗，非法打捞在掠走大批文物的同时，往往伴随着粗暴、野蛮的工作方式，给水下文物遗存造成严重破坏；随着社会经济的不断发展，我国经济布局进一步向海滨地区集聚，滨海或海岛旅游业及各类滨海经济区渐次提出，涉海用海项目急剧增多，在很大程度上比内陆地区更为严重地威胁到海洋自然遗产和海洋文化遗产的安全；境外人员蓄意盗捞、破坏我国水下文物，将给我国的海洋权益带来严重威胁。
在国家海洋战略布局和国际海洋技术大发展的背景下，我们迫切需要运用现代海洋探测技术对我国海域水下文化遗产进行***的探测和保护，形成现代化规范化的水下文化遗产探测保护技术体系。
然而，和陆地考古相比，水下文物的探测面临很大的环境困难和技术难题。在陆地考古工作很容易解决的寻找、定位问题在海上却是难以克服的障碍。茫茫大海，要准确的找到水下文物，无异于大海捞针，这些状况促使水下探测工作要借助现代科学装备和方法。陆地上的常用地球物理勘探学中，除了磁法、声呐法，常用的还有电法、地震法和重力等方法。这些方法在陆地考古勘探中都获得了不少成功的应用实例，也逐步被应用于水下文物探测中。特别是海底目标物探测技术有了长足的进步。
然而，目前专门用于水下考古的水下机器人***还不成熟，现有水下文物探测技术多以单种类技术出现，而具备信息融合和信息交互***的高集成度水下探测***还未出现。因此，本集成探测装置的研发和使用，对我国水下文化遗产的探测、保护与管理提供技术支撑有着十分重要的意义，为我国水下考古揭开新的篇章。
发明内容
针对上述不足，本发明提出一种基于ROV平台的水下文物集成探测装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种基于ROV平台的水下文物集成探测装置，主要由甲板装置和水下集成探测装置组成，甲板装置和水下集成探测装置相连；所述甲板装置主要由母船、ROV控制台、GPS***和超短基线收发器组成，GPS***和超短基线收发器安装在母船上，GPS***和超短基线收发器均与ROV控制台相连；
所述水下集成探测装置包括ROV平台及集成在ROV平台上的超短基线声信标、多波束声呐、侧扫声呐、浅剖仪和磁力仪；ROV平台上自带照明***、高清摄像头和电气***；
所述电气***包括电源管理电路、主控接口板和多路复用器；
所述超短基线声信标、多波束、侧扫声呐、浅剖仪、磁力仪均与多路复用器相连，多路复用器与主控接口板连接，多路复用器与ROV控制台相连；
所述高清摄像头、ROV平台的推进器、电源管理电路均与主控接口板相连，电源管理电路为水下集成探测装置提供电源，主控接口板通过电源管理电路控制超短基线声信标、多波束声呐、照明***、高清摄像头、侧扫声呐、浅剖仪、磁力仪和ROV平台的推进器的上电和掉电；
所述超短基线收发器与超短基线声信标通过无线进行通讯。
进一步的，所述多波束声呐位于ROV平台的前端面的上部，侧扫声呐位于ROV平台的下端面前方，浅剖仪位于ROV平台的下端面后方，高清摄像头位于ROV平台的前端面的外置云台上，磁力仪被拖曳于ROV平台的后方五到十米处；超短基线声信标位于ROV平台的上端面。
进一步的，所述甲板装置和水下集成探测装置通过脐带缆连接。
进一步的，所述母船上安装有电缆绞车，脐带缆缠绕在电缆绞车上。
本发明的有益效果如下：
1.本发明在ROV平台上集成磁力仪、多波束、侧扫声呐、浅剖仪和高清摄像头等多传感器，其中磁力仪用来测定探测区域的磁异常值，粗略确定水下文物的位置；浅剖仪描绘水底地层的剖面结构，用来探测埋于泥面以下文物位置；侧扫声呐以及多波束声呐提供高分辨率水下声学图像，结合高清摄像头来探测泥面上文物的位置。这种以多传感器融合的方式代替以往单种类传感器探测方式，能够实现水下文物精准化、高效化的实时探测，提高水下文物考古作业的探测效率。
2.本发明采用网络接口方式实现侧扫声呐、多波束和浅剖仪与上位机的数据通信，替代以往的串口传输方式，不仅接口方便，而且大大提高了数据传输速率。
3.本发明用于水下文物的探测装置，适用于水下长时间、大数据量的信息采集。母船上的发电机通过脐带缆给ROV以及水下多传感器进行供电，能够保障多传感器进行长时间的数据采集工作，并确保了数据的可靠性和连续性。
4.本发明所采用的多个传感器，均可根据数据协议在ROV控制台上对探测数据进行解析和图像显示，实现水下文物的直观表现，并可进行数据存储和过程回放。
5.本发明获得的海底探测数据，均可用于后续数据分析处理，主要包括声呐图像和摄像头图像的特征融合，实现水下文物的精确表现。本发明可以广泛用于海洋、湖泊等水下文物的考古探测，也可用于管线探测和海底打捞以及海底目标物的测量和分类。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍。
图1是基于ROV平台的水下文物集成探测装置的***结构示意图；
图2是基于ROV平台的水下文物集成探测装置电气***组成示意图；
图3是基于ROV平台的水下文物集成探测装置功能框图；
图中：甲板装置1、水下集成探测装置2、脐带缆3、圆柱形电子舱4、O型环5、母船11、ROV控制台12、电缆绞车13、GPS***14、超短基线收发器15、超短基线声信标21、多波束22、照明***23、高清摄像头24、侧扫声呐25、浅剖仪26、电气***27、电缆28、磁力仪29、电源管理电路271、主控接口板272、多路复用器273。
具体实施方式
结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。
如图1-3所示，一种基于ROV平台的水下文物集成探测装置，主要由甲板装置1和水下集成探测装置2组成，甲板装置1通过脐带缆3和水下集成探测装置2进行交换信息并为水下集成探测装置提供电源；所述母船11上安装有电缆绞车13，脐带缆3缠绕在电缆绞车13上；所述甲板装置1主要由母船11、ROV控制台12、GPS***14和超短基线收发器15组成，GPS***14和超短基线收发器15安装在母船11上，GPS***14和超短基线收发器15均与ROV控制台12相连；ROV控制台12通过串口与GPS***14连接，完成GPS***14的数据采集，获得母船11的位置信息。
所述水下集成探测装置2包括ROV平台及集成在ROV平台上的超短基线声信标21、多波束声呐22、侧扫声呐25、浅剖仪26和磁力仪29；ROV平台上自带照明***23、高清摄像头24和电气***27。
本发明以水下ROV平台为载体集成声光磁***，建立水下ROV精细探测***，实现水下文物的可视化、精细化的实时探测。其中超短基线收发器15和超短基线声信标21以及GPS***实现ROV平台的准确定位，磁力仪29实现水下文物位置的粗略估计，浅剖仪26描绘水底地层的剖面结构，探测埋于泥面以下文物位置。多波束声呐22扫描ROV平台的前部，侧扫声呐25扫描ROV平台的下部，结合高清摄像头，对泥面以上的文物进行精确定位。通过多传感器的协同作业，实现水下文物高精准、高效率的探测。
电气***27装在ROV平台的圆柱形电子舱4内，所述电气***27包括电源管理电路271、主控接口板272和多路复用器273；
多路复用器273通过串口与磁力仪29连接，完成磁力仪29的控制和数据采集。
多路复用器273通过以太网口与多波束22连接，完成多波束22的控制和数据采集。
多路复用器273通过以太网口与侧扫声呐25连接，完成侧扫声呐25的控制和数据采集。
多路复用器273通过以太网口与浅剖仪26连接，完成浅剖仪26的控制和数据采集。
多路复用器273通过视频接口与主控接口板272连接，读取主控接口板272处理后的信号并传递给ROV控制台。
主控接口板272与高清摄像头24连接，并完成高清摄像头24的控制和数据采集。
主控接口板272的输入/输出接口与推进器连接，完成ROV平台的操控。
电源管理电路271为水下集成探测装置2提供电源，主控接口板272通过电源管理电路271控制超短基线声信标21、多波束声呐22、照明***23、高清摄像头24、侧扫声呐25、浅剖仪26、磁力仪29和ROV平台的推进器的上电和掉电；
多路复用器273将多路信号合并到一条光纤信号中通过脐带缆3传送给ROV控制台，实现ROV控制台与水下多传感器的双工通讯。所述脐带缆包括三根光纤线和六根电源线，三根光纤线和六根电源线的外层为聚酯薄膜包裹层，在此层的外层为凯夫拉编制层，凯夫拉编制层外部为聚氨酯层，最外层为浮体层，聚氨酯层提供电缆密封和物理保护，浮体层提供浮力和物理保护。所述多路复用器将多路信号合并到一条光纤信号中通过脐带缆传送给ROV控制台，实现ROV控制台与水下多传感器的双工通讯。
ROV平台的主体架构是高科技复合材料，顶部为合成浮块。复合材料的架构不但可以抗腐蚀还可以缓解外部的撞击，同时该架构也是装载其他部件的平台。ROV平台的主体架构装配有4个推进器，两个水平安装，控制ROV的前进、后退和转向。另外两个垂直侧倾安装，控制ROV的上、下和侧向移动。四个推进器都采用不锈钢齿轮卡环固定。
多波束声呐22位于ROV平台的前端面的上部，扫描ROV平台前方的区域，采集到的声呐图像数据集成在多路复用器上，通过光纤脐带缆3传送到ROV控制台，ROV控制台通过以太网口读取数据，根据多波束数据协议对数据进行解析、显示并存储，方便后续多传感器的图像融合。
侧扫声呐25位于ROV平台的下端面前方，安装在一个两端与水平成一定角度的钛合金支架上。扫描ROV平台正下方的区域，采集到的声呐图像数据集成在多路复用器273上，通过光纤脐带缆3传送到ROV控制台，ROV控制台通过以太网口读取数据，根据侧扫声呐25数据协议对数据进行解析、显示并存储，方便后续多传感器的图像融合。为了提高声呐图像质量，侧扫声呐的工作频率可以随时由ROV控制台设置。
浅剖仪26安装于ROV平台的下端面后方，描绘水底地层的剖面结构，采集到的信号集成在多路复用器273上，通过光纤脐带缆3传送到ROV控制台，ROV控制台通过以太网口读取数据，根据浅剖仪数据协议对数据进行解析、显示并存储，方便后续多传感器的图像融合。
高清摄像头24安装在ROV的外置云台上，描绘ROV平台前方的区域。信号经过主控接口板的解析集成在多路复用器273上，通过光纤脐带缆3传送到ROV控制台，ROV控制台根据视频信号格式对数据进行显示和存储，方便后续提取特征，与声呐传感器进行特征级融合。
磁力仪29被拖曳于ROV后方五到十米处，以减小ROV以及搭载传感器造成的磁干扰。磁力仪29采集到的数据集成在多路复用器273上，通过光纤脐带缆3传送到ROV控制台，ROV控制台通过串口读取数据，根据磁力仪标准数据协议对数据进行解析、显示并存储，方便后续进行磁等值线的绘制及磁异常解析。
超短基线声信标21位于ROV平台的上端面，方便超短基线定位***的声通信。超短基线收发器14发射声波信号至超短基线声信标21，声信标21在接收到询问信号后,发射区别于询问信号的响应信号，超短基线收发器14收到响应信号后将数据传到ROV控制台，ROV控制台为上位机，可以为计算机，经ROV控制台上现有的软件处理后得到水下目标的相对方位和距离。
照明***23由照明灯左和照明灯右组成，为光学成像***提供照明。
一般情况下，基于ROV平台的水下文物集成探测装置使用磁力仪进行较大范围的检测，根据后期数据处理后的平面等值线图的平面形态、位场数据等结果，圈定磁性体大致范围，而后通过侧扫声呐25、多波束声呐22、高清摄像头24和浅剖仪26进行更为精确的检测，对异常点进行定位。其中，侧扫声呐25和多波束声呐22可以获得高分辨率水下声学图像，结合高清摄像头24获得的高清影像实现泥面以上文物位置的探测，而浅剖仪26可以穿透地层，获得水底地层的剖面结构，探测埋于泥面以下文物的位置。通过对侧扫声呐25、多波束声呐22、高清摄像头24和浅剖仪26的位置信息分析，结合多波束输出的倾斜和摇摆数据即可知道ROV平台与异常点的相对位置；同时，甲板装置1通过超短基线定位***输出的数据可知ROV平台相对于母船的相对位置信息，结合甲板装置1的GPS数据，通过计算可知ROV平台的绝对位置；再结合ROV平台与异常点的相对位置，即可获得水底异常点的绝对位置。
本发明实施例中，ROV平台可以采用Shark Marine公司的SEA-WOLF-5ROV，但不限于此；多波束声呐22采用前视声呐，可以采用美国BlueView公司的P900-130型多波束前视声呐，其工作频率为900kHz，但不限于此；侧扫声呐25可以采用Klein System UUV-3500，其工作频率分为100kHz和400kHz两种，可通过甲板装置1设置，但不限于此；磁力仪29可以采用Marine Magnet ics公司的Explorer，但不限于此；浅地层剖面仪26可以采用美国Benthos的Chirp III，但不限于此；超短基线21可以采用德国EvoLogics公司的S2CR USBL超短基线水下定位***，但不限于此；GPS全球定位***14可以采用美国Trimble公司的SPS855定位***，但不限于此。
O型环5用于ROV中所有连接口的密封，密封之前涂一层薄薄的硅树脂润滑剂。

Claims (4)

1.一种基于ROV平台的水下文物集成探测装置，其特征在于，主要由甲板装置(1)和水下集成探测装置(2)等组成，甲板装置(1)和水下集成探测装置(2)相连；所述甲板装置(1)主要由母船(11)、ROV控制台(12)、GPS***(14)和超短基线收发器(15)组成，GPS***(14)和超短基线收发器(15)安装在母船(11)上，GPS***(14)和超短基线收发器(15)均与ROV控制台(12)相连。
所述水下集成探测装置(2)包括ROV平台及集成在ROV平台上的超短基线声信标(21)、多波束声呐(22)、侧扫声呐(25)、浅剖仪(26)和磁力仪(29)；ROV平台上自带照明***(23)、高清摄像头(24)和电气***(27)。
所述电气***(27)包括电源管理电路(271)、主控接口板(272)和多路复用器(273)；
所述超短基线声信标(21)、多波束(22)、侧扫声呐(25)、浅剖仪(26)、磁力仪(29)均与多路复用器(273)相连，多路复用器(273)与主控接口板(272)连接，多路复用器(273)与ROV控制台相连。
所述高清摄像头(24)、ROV平台的推进器、电源管理电路(271)均与主控接口板(272)相连，电源管理电路(271)为水下集成探测装置(2)提供电源，主控接口板(272)通过电源管理电路(271)控制超短基线声信标(21)、多波束声呐(22)、照明***(23)、高清摄像头(24)、侧扫声呐(25)、浅剖仪(26)、磁力仪(29)和ROV平台的推进器的上电和掉电。
所述超短基线收发器(15)与超短基线声信标(21)通过无线进行通讯。
2.根据权利要求1所述的基于ROV平台的水下文物集成探测装置，其特征在于，所述多波束声呐(22)位于ROV平台的前端面的上部，侧扫声呐(25)位于ROV平台的下端面前方，浅剖仪(26)位于ROV平台的下端面后方，高清摄像头(24)位于ROV平台的前端面的外置云台上，磁力仪(29)被拖曳于ROV平台的后方五到十米处；超短基线声信标(21)位于ROV平台的上端面。
3.根据权利要求1所述的基于ROV平台的水下文物集成探测装置，其特征在于，所述甲板装置(1)和水下集成探测装置(2)通过脐带缆(3)连接。
4.根据权利要求3所述的基于ROV平台的水下文物集成探测装置，其特征在于，所述母船(11)上安装有电缆绞车(13)，脐带缆(3)缠绕在电缆绞车(13)上。
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