CN2775676Y - 水下目标自动定位*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水下目标自动定位***，主要水下电视装置、水下声波收发装置、水深探测装置、计算机***组成，其特征是水下电视装置中的水下电视探头、水下声波收发装置中的水下声波发射探头、水深探测装置中的水深传感器同时固定安装在一个沉入水体中的载体上，水下声波收发装置中的若干声波接收器间隔安装在与船只刚性相连并与之连动的支架上，支架位于水面或水面以下，从而使相应的声波接收器也位于水面或水面以下，各声波接收器也通过各自的传输线及其安装在船只上的声波控制器和计算机***相连。能自动确定水下目标在水面的投影位置，且准确、便捷。

Description

水下目标自动定位***

技术领域

本实用新型涉及一种水下目标自动定位***，尤其是一种适合于浑水、大流速水体、紊乱流态水体水域中对水下目标进行动态定位并实时给出水下目标在水面投影位置的水下目标自动定位***。

背景技术

目前，水下定位被广泛用于国防、水利建设、水工工程、打捞等领域，其常用的方法是通过声纳***和水下电视设备等进行定位。但在流速大、水体浑浊且流态紊乱的流动水体，如长江、黄河等大型河流中对水中的目标进行定位时，其测得的实际位置受水流的影响无法准确定位，尤其是其在水面的投影位置往往无法确定，致使实际操作时会产生较大的误差，影响工作效率。如在一种水中护坡铺排时，如果无法确定已铺排的边界，则可能影响待铺排与已铺排的正确搭接，轻则影响工程进度和效益，增加水下探测和补排的工作量，重则产生脱接等质量事故，只有当正确确定好待搭接边的水面投影位置时，才能准确搭接，而现有的水下定位***均采用声波发射与接收同时位于水底的方法进行，无法方便地找到水下目标并准确反映水下目标在水面的垂直投影位置，且随着水深的不断变化其精度急剧下降。此外，在深水或水文条件危险、恶劣的、蛙人无法到达的水域中进行查险堵漏、水下工程、打捞沉物时，也需要先找到确切的水下目标并对其在水面的垂直位置进行准确定位。凡此种种，只有对水下目标在水面的垂直投影进行准确定位后，通过计算或误差修正才能对水下目标进行准确的操作。而目前尚无一种简便、快速的可用于确定水下目标在水面垂直投影位置的自动定位***可供使用。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种水下目标自动定位***。

本实用新型的技术方案是：

一种水下目标自动定位***，主要水下电视装置、水下声波收发装置、水深探测装置、计算机***组成组成，水下电视装置主要由水下电视探头、视频控制器和显示装置组成，水下声波收发装置由水下声波发射探头、若干声波接收器和声波控制器组成，水深探测装置主要包括水深传感器和水深控制器，计算机***安装在船只上，其特征是水下电视装置中的水下电视探头、水下声波收发装置中的水下声波发射探头、水深探测装置中的水深传感器同时固定安装在一个沉入水体中的载体(铅鱼)上，该载体通过钢缆与船只上的钢缆传动装置相连，水下电视探头通过视频电缆与安装在船只上的视频控制器及显示装置相连，水深传感器通过水深传输线及水深控制器和计算机***相连，水下声波发射探头通过控制传输线与其安装在船只上的声波控制器相连；视频电缆、水深传输线、控制传输线均与船只上的电缆传动装置相连，水下声波收发装置中的若干声波接收器间隔安装在与船只刚性相连并与之连动的支架上，支架位于水面或水面以下，从而使相应的声波接收器也位于水面或水面以下，各声波接收器也通过各自的传输线及其安装在船只上的声波控制器和计算机***相连。

本实用新型的***中还采取了以下技术措施：

安装在支架上的声波接收器呈等间隔布置，其数量可为六个。

支架为直线状刚性结构或曲线状刚性结构。

支架与水面平行。

本实用新型的有益效果：

1、采用水下电视方式简便快速寻找并确定水下目标，降低成本和设置难度，满足动态定位要求。

2、首次通过收发分置和水面接收固定线阵解决了水下目标在水面投影位置的定位问题。

3、通过水深探测数据的引用，减小或消除声波在水体传播中的误差，能更精确反映目标垂直投影位置，定位准确度不受水深变化的影响。

4、适用于在各种水体中使用，尤其适合于在流速大、水体浑浊、流态紊乱严重的水体中的动态测量，如长江、黄河等大江大河中使用。

5、方法及***设备结构简单易行。接收线阵与船只连接固定，水下探头动作控制由辅助传动***完成，定位关系确定后可相应移动船只。

附图说明

图1是本实用新型的声波定位原理示意图。

图2是本实用新型和定位***结构示意图。

图3是本实用新型的软件流程框图。

图4是本实用新型的载体的结构示意图。

图5是本实用新型的的定位***中的载体、传动装置连接结构示意图。

图6是本实用新型的水下电视工作原理示意图。

图7是本实用新型实施例的定位***的结构框图。

图8是本实用新型在水下铰链深排施工中使用时的定位工作原理示意框图。

图9是本实用新型的沉排结构示意图。

图10是本实用新型实施例的接线原理示意框图。

图1～10中1为水下电视探头，2为显示装置，3为水下声波发射探头，4为声波接收器4，5为水深传感器，6为计算机***，7为安装船只，8为载体(铅鱼)，9为钢缆，10为吊钩，11为支架，12为位移操控架，13为钢缆导轮，14为钢缆绞车，15为尾翼，16为电缆滑轮，17为电缆收放轮毂，18为沉排，19为传输电缆，1′为视频控制器，3′为声波控制器，5′为水深控制器。B01为接收声系初至到时，B02表示接收声系道号，B03表示声波反射探头，B04表示接收声系，B05表示CG-400软件，B06表示电视水深控制器，B07表示电缆收放轮毂，B08表示电缆桶放，B09表示接收阵列对称中心，B10表示拟沉排下洲边沿，B11表示组合电缆，B12表示滑道小车，B13表示接收阵列，B14表示钢缆收放轮毂，B15表示钢缆及导轮，B16表示滑车导轨，B17表示声波纵波，B18表示水流方向，B19表示声波发射槽，B20表示铅鱼体，B21表示探头对准排体边沿，B22表示吊钩及电视探头槽，B23表示水深探头槽，B24表示已沉排上游边沿；B25表示沉排工作船，B26表示舱，B27表示1#声波接收阵，B28表示2#声波接收阵，B29表示已沉排排边沿，B30表示1#水下探测头，B31表示2#水下探测头，B32表示水下电视及深控制器后面板，B33表示电视电缆，B34表示水深输入，B35表示水深输入，36表示电视电缆，B37、B38表示视频输出，B39表示接收1，B40表示接收2，B41表示发射1，B42表示发射2，B43表示保险，B44表示声波控制器后面板，B45表示水下电视探头，B46表示发射探头，B47表示水深探头，B48表示接收场系，B49表示计算机后面板，B50表示电源，B51表示键盘，B52表示鼠标，B53表示音频，B54表示视频，B55表示显示器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

如图1～10所示。

一种水下目标自动定位***，如图2、4、5、6所示，主要水下电视装置、水下声波收发装置、水深探测装置、计算机***组成组成，水下电视装置主要由水下电视探头1、视频控制器1′和显示装置2组成，水下声波收发装置由水下声波发射探头3、六个声波接收器4(即一发六收***)和一个声波控制器3′组成、水深探测装置主要包括水深传感器5和水深控制器5′，计算机***6安装在船只7上，水下电视装置中的水下电视探头1、水下声波收发装置中的水下声波发射探头3、水深探测装置中的水深传感器5同时固定安装在一个沉入水体中的载体8(又可称为铅鱼)上，该载体8通过其上的吊钩10及钢缆9与船只7上的钢缆传动装置(如图5所示)相连，水下电视探头1通过视频电缆与安装在船只7上的视频控制器1′及显示装置相连，水深传感器5通过水深传输线与水深控制器5′和计算机***6相连，水下声波发射探头3通过控制传输线与基安装在船只7上的声波控制器3′相连；水下声波收发装置中的六个声波接收器4等间隔安装在与船只7刚性相连并与之连动的刚性的、直线结构的、与水面平行的支架11上，支架11位于水面或水面以下(以位于水面以下为最佳)，从而使相应的六个声波接收器4也位于水面或水面以下，六个声波接收器4通过各自的传输线及其安装在船只7上的声波控制器3′和计算机***6相连；视频电缆、水深传输线、控制传输线均与船只7上的电缆传动装置相连。

本实施例的钢缆传动装置(如图5)主要由位移操控架12、钢缆导轮13、钢缆绞车14组成，载体8通过钢缆9与位移操控架12相连，位移操控架12安装在与船只7侧面相连的导轨上，并能在导轨上移动，从而使载体8能沿船只7的前后方向移动，与载体8相连的钢缆9通过钢缆导轮13与钢缆绞车14相连，转动钢缆绞车14，通过钢缆导轮13带动钢缆9沿水深方向垂直移动，从而带动载体8作上下移动。

本实施例的电缆传动装置(如图5)由电缆滑轮16、电缆收放轮毂17组成，它的主要作用是与钢缆传动装置同步实现收放，它属于纯机械传动，利用现有技术即可实现，故不再叙述。

下面结合本实用新型在水工工程中的铰链沉排施工中的具体应用对本实用新型作进一步的说明。

如图7、8、9、10所示。

其中图7为根据本实用新型的方法和***所设计的具体的结构及信号走向结构框图，其中虚线L-L以下部分为在水中，以上部分除支架11及安装在其上的声波接收器4与船侧固定相连外，全部安装在船只7上。此外，图7中所示的铅鱼体即为本实用新型所述的载体8。

在堤防隐蔽工程(水工工程)建设中采用铰链沉排是一种行之有效的新型治河方法，在铰链沉排施工中使用了水上平拉连续沉排新工艺，提高了水下铰链沉排的工作效率和工程质量，目前已正式投入生产使用。

在江河中进行水下铰链沉排施工，水下地形变化、江水的流向及流速对施工都会产生影响。

传统的水下铰链沉排施工定位是由岸上测量控制，在断面上插上标杆，沉排船对准标杆进行施工。测量只能控制沉排船在水面上的位置。如果遇到水下地形变化，或流水影响，沉排的水下位置就会发生变化，排边在水面上的投影位置也发生了变化。这样按测量进行施工，可能导致重排、叠排或剪刀口等现象出现，不能保证铺排质量。

水下铰链沉排自动定位***，是在水上施工过程中，能够实时自动找到水底已沉排边的位置，控制沉排船对准排位，指导沉排船在准确位置铺排，保证前后两块沉排18的搭接宽度，提高铺排质量。

水下铰链沉排自动精确定位的技术关键主要有两点：一是找到已沉排边，二是确定已沉排边在水面的投影位置。水下铰链沉排施工是在流水场情况下工作，流水的冲力使水下沉排的位置发生变化，同时流水对一些物理场也会造成扭曲影响。为此，在选择地球物理方法时必须选择流水对其影响相对比较小的物理场法来进行检测已沉排边，以及采用多种地球物理方法综合应用来达到精确定位的目的。

水下铰链沉排自动定位***工作原理：

水下电视探头是光学摄像设备，通过视频传输电缆实时传递水下视频信息，观察水下电视探头视角范围内的图像，它的任务是在水下找到已沉排边。水深检测采用压力传感器检测探头所在位置的水压力通过电缆传输上来，转换为水深信息，它的任务是为声波检测提供参数设置依据及为沉排施工人员提供参考。声波法是采用水下发射、水面接收发射声波的直达波来确定已沉排边在水面的投影位置。水下电视探头1、水下声波发射头3、水深探头(即水深传感器5)为三位一体装置(组合在一个铅鱼体即载体8上)，相互配合完成水底探测任务，声波接收器4担任水面定位任务。

水下铰链沉排自动定位***的具体定位过程为：1)首先找到已沉排18的边缘(通过水下电视探头1)；2)在水面上找到水下排边在水面的投影位置；3)沉排船只7根据该水面的位置移位定位。为此，选择水下电视寻找已沉排边，选择一发六收的声波收发装置来完成第二个目标——找到水下排边在水面的投影位置，沉排船只7根据这个位置来定位。在定位过程中了解水深对于目标的快速确定和沉排施工都很重要的，故应选择能够实时检测水深的压敏式高精度水深探测装置，将他们综合利用，形成一个水下铰链沉排的自动定位***。

首先采用水下电视寻找已沉排的边界。由于流水的冲力，水下电视探头1下水后会发生位移，当它找到已沉排18的边界时，很难在水面确定排边在水下的准确位置(即已沉排18的边界)。因此，采用了一种受流水影响比较小、又能方便实现的地球物理方法——声波法来进行检测，准确定出它们的位置，以达到水下铰链沉排施工准确定位的目的。

声波在水中传播的速度V_P＝1500m/s左右，而江水的流速一般为1～2m/s(在水下铰链沉排施工的季节和靠岸边位置，特殊洪水流速2～3m/s)。

工作区域的水深为0～25m，声波传播的时间比较短，流水对检测声场的影响比较小，造成的位移误差为

Δd＝V_水速/V_波速＝1～3/1500

以最大流速3m/s计算，流水场造成的位移误差为2‰左右，按最大水深25m计算，位移误差为5cm，对控制沉排搭接宽度的影响可以忽略。

声波方法进行水下检测定位是将声波发射探头3与水下电视探头1安装在一起，当水下电视找到目标后，立即进行声波发射，在水面上采用由六个声波接收器4组成的线阵接收声系进行检测，检测到声波走时最短的位置，即为声波在水下发射的位置，即沉排的边界在水面的投影位置，以控制施工船的定位。

水深探头上的压力传感器5精确测定水深，实时提供水深数据给声波控制器5′作为数据窗口参数设置，以提高数据处理速度。

水下铰链沉排自动定位***工作方式是准确控制水下铰链沉排工作船位。控制水下铰链沉排工作船位的方法是：采用二点定一直线的方法来控制施工工作船位。工作原理框图如图8所示，在沉排工作船上的第二块排位的铰链位置(离排边2米处)，从船的两侧下放二个探测装置(即载体8)，当1#和2#水下电视探头1都找到已沉排18的边缘时，根据1#和2#声波接收器4的信号指示，移动沉排船只7的位置，使其对准排边位置，开始铺放铰链沉排。沉排工作船船长还可实时根据屏幕上的信息指示矫正船位。

水下声波定位原理如图1所示，声波接收发射装置在水底下的水下声波发射探头3定向向水面发射声波，施工船只7一侧的、能与船只7同步移动的由声波接收器4组成的直线状阵列接收声波信息。由于声波接收器线阵列是在2.0米长直线上均匀排列的六道声波接收器，同时接收发射声波，最早接收到声波信息的声波接收器4是离水下声波发射探头3(即已沉排边缘)最近的位置。因为声波的走时最短，即是说，声波发射探头3到声波接收器4的距离最近。当声波最短走时位于线阵的中心(如图1、12所示)时，发射探头(即已沉排边缘)处于线阵中心的正下方位置，也即为水下排边在水面的投影位置。将六个声波接收器4组成的线阵中点固定在待沉排需要与水下已沉排边界搭接的位置，调整施工船位，使之声波初至到时最小点于接收声系的中点，如图1所示，定位即成功。

水下铰链沉排自动定位***的所有信息由计算机控制，统一在显示器2屏幕上显示，其软件框图如图3所示。

在软件的控制下可在显示屏幕的左边和右边各显示一个***，屏幕上部为水下电视图像，中部为水深显示数值，下部为六个声波接收器接收到的初至时间。

水下电视工作原理及技术性能：

水下电视由水下电视探头1、传输电缆19、控制器1′、图像采集处理器、存储器、显示器等组成(如图6所示)。

水下电视探头1内置有高精度、宽频带的电视摄像机，并配置有特殊照明光源，能适应一般江河水中工作。水下电视探头1由地面控制器1′通过传输电缆供给电源，水下摄像机摄取的电视图像信号经由视频传输电缆送到地面，通过RS-232接口，被计算机图像采集器采集、处理后在显示器屏幕上显示。

本实用新型的水下电视装置可采用表1所示的水下电视装置，也可采用指标相近似的任一种水下电视装置。

                                                        表1

型号	SD-2型	SD-3型
			类型	彩色	黑白
清晰度(TVL)	470	600
			灵敏度(Lux)	1	0.003
视场角(°)	90°	90°
			镜头方式	定焦距，手动光圈，自动白平衡控制	定焦距，手动光圈，自动白平衡控制
工作深度(m)	100	200
			观测距离	清水1~3m，浑水0.1~0.3m	清水1~4m，浑水0.1~0.5m
照明光源	内置	内置
			白平衡	自动	自动
探头体积(mm)	Φ70×300(括照明灯)	Φ70×300

水下声波收发装置可采用六道声波仪，其工作原理及技术性能如下：

六道声波仪是一台一发六收的声波仪。一个发射通道，发射频率为30kHz左右的矩形脉冲波。六个声波接收器4同时接收水下发射探头3发出的声波。六道声波仪可与计算机相连，并通过计算机软件控制，本实施例采用了轮流工作的办法，控制二套水下声波发射器、水面声波接收器工作。

六道声波仪的技术指标：

A.超声波发射、接收通道

  发射通道：2道；

  接收通道：6道，交替工作为双6道

B.发射与接收性能

  发射通道：

  发射波形：矩形脉冲

  脉冲幅度：250伏、500伏、1000伏

  脉冲宽度：20μs～100μs

  接收通道：

  接收双6道，交替工作

  放大器增益：0dB～42dB(以6dB为增量可选)，可调

  频带宽度：600Hz～100KHz

  扫描时延：1～9999ms(默认值为1ms)

  输入方式：单端输入

  输入阻抗：≥20KΩ

C.采样

  点数：1k、2k、4k、8k、16k、32k点/道

  间隔：0.1μs～25.6μs，按0.1μs步进递增选择，每道单次

        发射，一次采集，历时1秒左右；

  采样及记录长度：间隔(0.1～25.6μs)×1k(2k、4k、8k、16k、

                  32k)

存储容量：32M字节，可存储1k长度的记录共16384道(4k长度

          的记录共4096道等)；

D.显示：240×128点带背光优质液晶图象显示器，能同时显示测试波形、参数、时标等

E.电源特性：AC 220V或DC 12V蓄电瓶

F.外形尺寸：300×260×115mm

G.重量：主机：2kg

        发射换能器：50g，线长≥80米

        接收换能器：15kg/套，线长≥50米

六道声波仪的数据处理功能：

六道声波仪的数据处理功能分为两部分。一部分为即时信号处理，另一部分为与计算机通讯信息处理。

即时信号处理有校零、背景噪声监测(续测)、频谱分析、波形增幅、减幅、左移、右移、坐标与波形变面积显示等功能。在声波仪的面板上有相应的功能键，直接在面板上进行操作来实现，仪器操作面板如图5所示。与计算机通讯信息处理的内容主要为：接收计算机的命令发射超声波；接收信息采样；根据水深确定信息窗口；自动判读声波初至时间；各道的初至时间送计算机作深一步处理及显示。

水深探测装置的工作原理及技术性能：

水深仪探测装置由水深传感器探头5、空气芯传输电缆、信号处理器、接口转换器等组成。水深传感器5是一个高精度的压敏式传感器。它将水的压力转换成电压信号，通过电缆传送到仪表中，转换成水的深度数字信息，在控制器5′仪表上显示。深度数字信息再通过接口转换器传送到计算机进行处理和显示。

水深仪的技术指标：

测量介质：非腐蚀液体

测量范围：0~50m

输入电压：DC 24V

输出信号：0~5V

综合精度：0.1％F.S

工作温度：-20°~85℃

温度漂移：0.02％F.S/℃

长期稳定性：≤±0.2％F.S/年

数字显示：4位数字显示，2位小数(99.99m)

接口转换：RS485→RS232

水下铰链沉排自动定位的软件框图如图3所示。

水下铰链沉排自动定位***的控制软件，它整合两路水下电视、声波定位和水深探测的综合监控功能。软件具有界面清洁，使用简单，指导性强的特点，软件流程图如图3所示。

软件要求的硬件配置：计算机CPU 1G以上，具有24Bit以上兼容显卡，两路串口，CG-400图像采集卡。

软件要求Win2000以上操作***，正确安装的图像卡及显卡驱动程序。

计算机的具体配置可为是：CPU是Intel pintium 4 2.4G、内存256M、硬盘60G(7200转)、64M DDR高性能3D图形显示卡、刻录机、FG560-XL 15″彩色液晶显示器、2个串口、DH-CG400彩色/黑白图像采集卡等，采用WinXp操作***，完全满足软件***的要求。

本应用例中的计算机信息采集、处理***将二路水下电视图像、二路水深、二路声波信息进行采集处理，同屏显示。从屏幕图像上观测已沉排的位置，从屏幕声波信息上确定施工船位，从屏幕显示的水深采取施工措施。

根据水下定位***的要求，计算机对两个***接收的水下电视图像信号、声波信号、检测点水深信号等，进行同屏显示，以图像、数字、曲线光标指示形式指导沉排施工船定位。

具体的试验：水下铰链沉排自动定位***经过联合安装调试后，进行了实用性试验，试验目标为检验***运行情况及检验***的定位精度。

水下铰链沉排自动定位***安装调试：

水下铰链沉排自动定位***的主机控制***安装在水下铰链沉排船的主控室内，各传输电缆通过管道进入沉排船下层的液压控制舱，钢丝绳和电缆的绞车安装在船舱内，电缆终端的组合探头再经过液压控制舱的窗口到船舷边的圆弧板下，悬挂在位移操控架12上，位移操控架12安装在圆弧板下的导轨上，由常规传动控制***控制组合探头(即载体8)的前后移动和升降，具体实施时的控制***接线框图如图10所示。声波接收线阵也安装在圆弧板下，声波接收线阵的中心位置，排边向内2m处，也就是沉排搭接的起点处，声波接收线阵安装在固定支架11上。经过多次试验改进，控制升降和位移已基本达到实用的要求。

水下电视与水深也可共用一个控制器，其后面板上的左边电视电缆和水深输入分别连接左路水下电视探头和水深探头，右边电视电缆和水深输入分别连接右路水下电视探头和水深探头。左路视频输出连接计算机视频VIDEO 1，右路视频输出连接计算机视频VIDEO 2。左路和右路水深输出共用一个RS-232串口，连接计算机COM 1口。声波仪后面板的发射2、接收2为左路，发射1、接收1为右路，两路共用一个RS-232串口连接计算机COM 2口，如图10所示。两路经安装调试后均已正常工作。

水下铰链沉排自动定位***软件经安装调试，运行正常。采集的水下电视图像清晰、水深数据正确、声波检测曲线直观，符合设计要求。水下铰链沉排自动定位***定位精度满足要求。

Claims (4)

1、一种水下目标自动定位***，主要水下电视装置、水下声波收发装置、水深探测装置、计算机***组成组成，水下电视装置主要由水下电视探头、视频控制器和显示装置组成，水下声波收发装置由水下声波发射探头、若干声波接收器和声波控制器组成，水深探测装置主要包括水深传感器和水深控制器，计算机***安装在船只上，其特征是水下电视装置中的水下电视探头、水下声波收发装置中的水下声波发射探头、水深探测装置中的水深传感器同时固定安装在一个沉入水体中的载体上，该载体通过钢缆与船只上的钢缆传动装置相连，水下电视探头通过视频电缆与安装在船只上的视频控制器及显示装置相连，水深传感器通过水深传输线及水深控制器和计算机***相连，水下声波发射探头通过控制传输线与其安装在船只上的声波控制器相连；视频电缆、水深传输线、控制传输线均与船只上的电缆传动装置相连，水下声波收发装置中的若干声波接收器间隔安装在与船只刚性相连并与之连动的支架上，支架位于水面或水面以下，从而使相应的声波接收器也位于水面或水面以下，各声波接收器也通过各自的传输线及其安装在船只上的声波控制器和计算机***相连。

2、根据权利要求1所述的水下目标自动定位***，其特征是安装在支架上的声波接收器呈等间隔布置。

3、根据权利要求2所述的水下目标自动定位***，其特征是所述的支架为直线状刚性结构或曲线状刚性结构。

4、根据权利要求1、2或3所述的水下目标自动定位***，其特征是所述的支架与水面平行。

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