如何為水下機(jī)器人選擇二維成像聲吶：水下機(jī)器人在進(jìn)行水下飛行時(shí)主要依靠攝像頭和燈光來導(dǎo)航，雖然目前的攝像頭技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)能達(dá)到4K分辨率，但在渾濁的水下環(huán)境依然無法清晰成像，主要依靠水下聲吶成像技術(shù)來完成導(dǎo)航、搜尋、檢測等工作。
成像聲吶也稱為圖像聲吶，有很多種分類方法，我們主要聊聊根據(jù)波束數(shù)量的分類，常見為單波束聲吶（Single beam sonar）和多波束聲吶（Multibeam sonar），單波束聲吶要完成成像功能必須使用機(jī)械部件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描或者依靠平臺(tái)的移動(dòng)來完成，主要有單波束機(jī)械掃描聲吶（Mechanical imaging sonar）和側(cè)掃聲吶（Side scan sonar）如下圖所示；
(單波束機(jī)械掃描聲吶成像示意圖1左)
(單波束機(jī)械掃描聲吶成像示意圖1右
(側(cè)掃聲吶成像示意圖2)
單波束機(jī)械掃描聲吶是通過一個(gè)波束和旋轉(zhuǎn)云臺(tái)的機(jī)械旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的成像，根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度不同，可分為360°機(jī)械掃描聲吶和扇形機(jī)械掃描聲吶也稱為前視機(jī)械掃描聲吶。360°機(jī)械掃描成像聲吶一般垂直安裝在水下機(jī)器人頂部進(jìn)行導(dǎo)航避碰，如圖1右側(cè)所示，主要應(yīng)用于石油鉆井平臺(tái)導(dǎo)管架、橋墩柱子等復(fù)雜環(huán)境，這些環(huán)境要求操作手需要實(shí)時(shí)的了解水下機(jī)器人360°范圍內(nèi)的障礙物情況，注意這些環(huán)境所在區(qū)域的流速都較大或需要完成的工作較為復(fù)雜，一般需要觀察級(jí)及以上的水下機(jī)器人搭載。
如何為水下機(jī)器人選擇二維成像聲吶
在市場上我們還能見到一種用于管涵測量的360°掃描聲吶也稱為剖面聲吶，該聲吶主要水平安裝在水下機(jī)器人的前方或者后方，和用于導(dǎo)航避碰的成像聲吶的不同點(diǎn)在于波束類型不同，360°機(jī)械掃描聲吶的波束為扇形以Imagenex 881A為例，波束寬度為0.75°x20°，這一類型聲吶在垂直方向的開角通常會(huì)超過20°，可快速的得到目標(biāo)物影像和目標(biāo)物離掃描聲吶探頭的距離；而管涵剖面聲吶波束類型為錐型以Imagenex的831A為例，波束寬度為1.4°，這類聲吶可以形成剖面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過平臺(tái)的移動(dòng)可得到x、y、z三維坐標(biāo)，從而進(jìn)行精準(zhǔn)測量，主要用于缺陷、淤積檢測等，由于此類聲吶的體積不小，以831A為例直徑為79mm長度為273mm，一般需要觀察級(jí)及以上水下機(jī)器人搭載；
扇形機(jī)械掃描成像聲吶如圖1左側(cè)圖所示，通常扇形開角為120-130°，主要安裝在水下機(jī)器人前方，進(jìn)行導(dǎo)航避碰和水下檢測，呈現(xiàn)的成果如下圖：
大家可以注意到扇形機(jī)械掃描成像聲吶無論是360°掃描還是120°掃描，其呈現(xiàn)出來的結(jié)果類似。360°機(jī)械掃描聲吶主要用于復(fù)雜環(huán)境，狹小空間，而前視機(jī)械掃描聲吶主要應(yīng)用于開闊水域，有較好的測量范圍。隨著聲吶技術(shù)的發(fā)展和對測量精度的要求提高，單波束機(jī)械掃描聲吶越來越少被使用，多波束聲吶的出現(xiàn)解決了精度和效率的問題。
常見多波束聲吶主要有多波束測深/剖面聲吶和多波束圖像/前視聲吶。如下圖所示。
(
多波束測深/剖面成像示意圖3)
(多波束圖像/前視成像示意圖4)
如何為水下機(jī)器人選擇二維成像聲吶：
多波束測深/剖面成像聲吶和前面提到的剖面聲吶一致，主要用于水下地形測繪和剖面測量，有搭載到水下機(jī)器人上的版本，但更多的是船載版的，這里我們就不過多介紹。有一款360°多波束成像聲吶我們不得不提，如Teledyne marine的T2250-360和Imagenex DT360,這兩款設(shè)備和前面提到的831A類似主要用于管涵檢測，360°范圍內(nèi)一次性形成1000+點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過平臺(tái)的移動(dòng)可以得到三維坐標(biāo)，在通用三維成圖軟件中生成管涵的三維模型，可檢測量取10*10*10cm的缺陷大小。
可以看到剖面成果都有點(diǎn)云數(shù)據(jù)輸出，都可后處理生產(chǎn)直觀全面的圖像，并可以在軟件里進(jìn)行尺寸的量取和三維建模，只是點(diǎn)云數(shù)據(jù)的密度，分辨率不同。這類聲吶的換能器需要同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)波束，因此換能器尺寸不小，以DT360為例直徑152mm，長409mm需要觀察級(jí)及以上水下機(jī)器人搭載。
我們現(xiàn)在在市場上看的最多的就是多波束成像/前視聲吶以Blueprint D750d為例，如下圖所示，頻率的不同開角不同，水平開角可達(dá)130°，垂直開角可達(dá)20°，波束數(shù)量高達(dá)512個(gè)。
下圖影像是通過聲吶探頭的移動(dòng)來對水下地貌進(jìn)行探測，可清晰的發(fā)現(xiàn)障礙物，可完成搜尋，避障的工作。如果需要完成檢測工作，我們需要對靜態(tài)圖像進(jìn)行分析，軟件截取的靜態(tài)圖像由于扇形面積的限制，每次我們只能看到部分地貌，不直觀。
下圖影像是通過聲吶探頭的移動(dòng)來對水下地貌進(jìn)行探測，可清晰的發(fā)現(xiàn)障礙物，可完成搜尋，避障的工作。如果需要完成檢測工作，我們需要對靜態(tài)圖像進(jìn)行分析，軟件截取的靜態(tài)圖像由于扇形面積的限制，每次我們只能看到部分地貌，不直觀。
側(cè)掃聲吶軟件后處理軟件可以完成多個(gè)條帶的聲吶圖像拼接，形成一幅完整的影像圖，有利于確定缺陷或者目標(biāo)物所在位置，也可通過軟件進(jìn)行簡單的尺寸的量取，于是有公司就想到了利用后處理軟件拼接2D成像聲吶的圖像，他和側(cè)掃聲吶的圖像具備很多相似點(diǎn)，可回放、平面二維圖像、成像原理一致，但相對于側(cè)掃聲吶的拼接成像聲吶的拼接更難，難點(diǎn)主要在于數(shù)據(jù)的采集，側(cè)掃的工作原理決定了側(cè)掃的數(shù)據(jù)采集很規(guī)律，都是條帶形掃測，而成像聲吶主要由水下機(jī)器人搭載，數(shù)據(jù)的采集一般沒有規(guī)律可言，因此要想完成拼接，我們需要嚴(yán)格的按照一定的行進(jìn)路線、保持水下機(jī)器人一定的姿態(tài)來完成數(shù)據(jù)采集，我們就能得到如下的成像聲吶成果。
目前的多波束成像聲吶可以做到非常小的尺寸，還是以MD750d為例長125mm寬122mm高62mm，在水中重0.36kg，按這個(gè)尺寸大部分非專業(yè)級(jí)的水下機(jī)器人均可以搭載。
看到這里大家已經(jīng)比較清楚，根據(jù)應(yīng)用方向確定360°掃描成像聲吶還是扇形成像聲吶，是否需要后處理提供更加直觀高精度的成果，再根據(jù)水下機(jī)器人的級(jí)別也就是搭載能力來確定具體聲吶型號(hào)，當(dāng)然也需要考慮預(yù)算情況來選擇單波束還是多波束。
這是一篇科普性文章，對于石油、海洋科考等專業(yè)用戶來說聲吶的選擇沒有任何難度。我國水下機(jī)器人行業(yè)在國內(nèi)幾家生產(chǎn)廠家的帶動(dòng)下快速發(fā)展，很多用戶購買了或打算購買他們的消費(fèi)級(jí)、專業(yè)級(jí)或者工業(yè)級(jí)水下機(jī)器人來完成相關(guān)的工作，由于聲吶傳感器技術(shù)的發(fā)展，重量和尺寸也越來越小，無論哪種級(jí)別的水下機(jī)器人都有對應(yīng)的成像聲吶可搭載。是不是看到這里又有點(diǎn)迷糊，水下機(jī)器人的級(jí)別又是怎么定義的呢，請關(guān)注我公司公眾號(hào)
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