УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ПОДВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ

Полезная модель относится к средствам подводного наблюдения и предназначена для получения изображений объектов, находящихся на дне водоемов или в толще воды, и контроля их положения в пространстве.
Необходимость визуализации объектов, находящихся в воде, возникает при проведении практически любых подводных работ, как связанных с осмотром подводных конструкций и объектов, со строительством подводных сооружений, так и с поиском затонувших объектов во время поисково-спасательных мероприятий и слежением за акваторией. Существует два способа получения изображений подводных объектов: оптический и акустический. Каждый из них имеет ограничения по области применения.
Возможность использования оптического способа получения изображений, реализуемого, например, с помощью подводных телевизионных камер, определяется наличием источников света и загрязненностью воды. Условия видимости в воде позволяют увидеть объекты на расстоянии обычно не превышающем 2,5 м. В мутной воде некоторых пресноводных водоемов расстояние оптической видимости уменьшается до 0,1 м.
Акустический способ получения изображения подводного объекта реализуется с помощью звуковизора. В настоящее время разработан целый ряд моделей звуковизоров, отличающихся между собой как способами формирования диаграммы направленности излучающей и приемной антенн, так и методами обработки полученной информации и построения изображения. Существуют звуковизоры, в которых изображение формируется путем сравнения между собой сигналов с выходов акустических приемников, расположенных в фокальной плоскости акустической линзы. Разрешение такой антенны зависит от соотношения между размером изображения и размером элементарного приемника. Другой способ формирования изображения (аналогичен способу, применяемому в гидролокаторах) - излучение и прием акустических сигналов антеннами с управляемой пространственной ориентацией характеристики направленности. Разрешение будет зависеть от ширины главного лепестка характеристики направленности.
Как в случае использования акустической линзы, так и в случае антенны с управляемой диаграммой направленности возможна реализация звуковизора с получением трехмерного или двумерного изображения. В настоящее время наибольшее распространение получили двумерные звуковизоры с разрешением по углу и дистанции. Устройства BlueView [1], в которых реализуется прием акустических сигналов с помощью одномерной антенной решетки с управляемой путем взвешенного суммирования сигналов с отдельных элементов диаграммой направленности, работают на частотах 450 кГц и 900 кГц, при этом дальность их действия составляет до 150 м, а разрешение по углу 1°. В устройствах DIDSON [2] используется цилиндрическая акустическая линза. При габаритных размерах, сравнимых с размерами упоминавшихся выше устройств BlueView, они работают на более высоких частотах, имеют более высокое разрешение по углу (0,3°) и дистанции (до 2,5 мм), но меньшую дальность действия (до 50 м).
Наиболее близким к предлагаемому устройству является 2D звуковизор [3] с рабочей частотой 450 кГц, антенной в виде дуги окружности длиной 45°, состоящей из 48 элементов. Разрешение звуковизора по углу составляет 1°, по дистанции 2,5 см.
К недостаткам данного устройства и тех, которые упоминались выше, следует отнести то, что получаемое с помощью звуковизора изображение отличается от привычного оптического образа объекта. Это связано как с различием механизмов рассеяния звука и света на объектах, с трудностями создания звуковых полей, позволяющих получить разрешение, аналогичное оптическому, со значительными искажениями, возникающими при прохождении звука через фокусирующие системы. Отличие акустического изображения от оптического затрудняет если не идентификацию объекта, то выявление его особенностей, приводя к дополнительным затратам при проведении работ по обследованию подводного объекта.
Целью изобретения является создание устройства, позволяющего обнаруживать объекты, находящиеся в толще воды или на дне мелководных водоемов, контролировать их положение в пространстве в режиме реального времени и выявлять и идентифицировать их особенности.
Поставленная цель достигается за счет того, что устройство, состоящее из соединенных кабелем подводного и бортового блоков, содержащее в составе подводного блока гидроакустическую антенну, выполненную с возможностью формирования диаграммы направленности путем суммирования сигналов с отдельных элементов и работы в режимах излучения и приема, блок формирования сигналов на входе элементов гидроакустической антенны в режиме излучения и блок обработки сигналов с выходов элементов антенны в режиме приема, а в составе бортового блока - блок управления, визуализации и архивирования акустического изображения и блок питания, снабжено включенными в состав подводного блока видеокамерой и осветителем, а в состав бортового блока - блоком питания осветителя, платой видеозахвата, входы которой соединены с выходами видеокамеры и блока управления, визуализации и архивирования, а выход - с одним из входов блока управления, и навигатором GPS/ГЛОНАС, выход которого подключен к другому входу блока управления, визуализации и архивирования. При этом последний выполнен с возможностью одновременного вывода на экран акустического и оптического изображений и наложения карты местности на акустическое изображение, а корпус подводного блока имеет обтекаемую форму, снабжен хвостовиком-стабилизатором и штангой для опускания с борта маломерного судна, узлы крепления которых к корпусу выполнены с возможностью регулирования угла между горизонтальной плоскостью и направлением наибольшей чувствительности элементов гидроакустической антенны, совпадающим с осью объектива видеокамеры.
Существенными и отличными от наиболее близкого аналога признаками заявляемого устройства являются следующие:
1. Наличие подводной видеокамеры и подводного осветителя, предназначенных для получения оптического изображения подводного объекта, является новым по отношению к прототипу. Он известен из других технических решений, например, подводная телевизионная камера вместе с подводным осветителем используются для глубоководной подводной съемки в условиях малой освещенности. В данном случае видеокамера в совокупности с подводным осветителем позволяют при приближении к исследуемому объекту на расстояние, определяемое оптической прозрачностью воды, получать оптическое изображение объекта одновременно с акустическим, проводить более достоверную идентификацию и дополнительное, более подробное, обследование обнаруженного с помощью звуковизора объекта в любое время суток, что дает возможность сократить время и снизить затраты при проведении работ по обследованию подводного объекта.
2. Использование навигатора GPS/ГЛОНАС с возможностью наложения карты местности на акустическое изображение позволяет управлять поисками и уточнять положение обнаруженного подводного объекта.
3. Придание корпусу подводного блока обтекаемой формы и снабжение его хвостовиком-стабилизатором и штангой для опускания с борта маломерного судна позволяют стабилизировать положение подводного блока в пространстве, уменьшая шумы и увеличивая углового разрешение изображений.
Функциональная схема устройства приведена на фиг.1. Устройство, состоящее из соединенных кабелем подводного 1 и бортового 2 блоков, содержит размещенные в подводном блоке 1 гидроакустическую антенну 3, выполненную с возможностью работы в режиме излучения и приема, и формирования диаграмм направленности в обоих режимах, подводную телевизионную камеру 4 и подводный осветитель 5. Вход и выход гидроакустической антенны 3 подключены, соответственно, к выходу блока формирования сигналов в режиме излучения 6, и входу блока обработки сигналов в режиме приема 7, находящимся в подводном блоке 1. В бортовом блоке 2 расположены плата видеозахвата 8 входы которой соединены с выходом подводной видеокамеры 4 и одним из выходов блока управления, визуализации и архивирования 9, а выход - с одним из входов блока управления 9, к другим входам которого подсоединены выходы блока обработки сигналов с гидроакустической антенны в режиме приема 7 и размещенного в бортовом блоке навигатора GPS/ГЛОНАС 10, а к выходам - вход блока формирования сигналов в режиме излучения 6, второй вход платы видеозахвата 8, и подводный осветитель 5. Блок управления, визуализации и архивирования 9 выполнен с возможностью одновременного вывода на экран акустического и оптического изображения и наложения карты местности на акустическое изображение. Электрическое питание всех устройств осуществляется от блока питания 11 через блок управления 9, питание подводного осветителя - от отдельного блока питания 12. На фиг.2 приведено схематическое изображение корпуса 13 подводного блока 1, который имеет обтекаемую форму, снабжен хвостовиком-стабилизатором 14 и штангой 15 для опускания с борта маломерного судна.
Устройство работает следующим образом.
Подводный блок 1 опускается на штанге с борта судна или крепится на подводном носителе. В зависимости от предполагаемой дистанции до объекта, его размера и расположения, выбирается сектор обзора и определяется частота кадров (быстродействие) звукового изображения. Полученное изображение выводится на дисплей блока управления, визуализации и архивирования 9. После идентификации объекта, определении его положения относительно подводного блока по времени прихода и углу прихода отраженного акустического импульса (положение подводного блока контролируется с помощью навигатора GPS/ГЛОНАС 10) и принятии решения о необходимости получения оптического изображения объекта, включается подводная видеокамера 4 и подводный осветитель 5. Подводный блок 1 подводится к исследуемому объекту на расстояние оптической видимости. Процесс перемещения подводного блока 1 в направлении исследуемого объекта непрерывно контролируется с помощью навигатора GPS/ГЛОНАС 10, а дополнительный контроль расстояния до объекта осуществляется по времени прихода отраженного акустического импульса и акустическому изображению объекта, чьи размеры и вид меняются соответствующим перемещению образом. При достижении расстояния, на котором объект виден с достаточным качеством с помощью подводной видеокамеры, производится осмотр объекта с ее помощью. Полученные в процессе проведения работ изображения архивируются.
Результаты испытаний устройства показали, что при работе гидроакустической антенны на частоте 1500 кГц дальность обнаружения составляет не менее 30 м, разрешение по углу 0,5 град., быстродействие, в зависимости от дистанции, от 6 до 16 кадров в секунду.
На фиг.3 приведены полученные с помощью предлагаемого устройства акустическое (справа) и оптическое (слева) изображения объекта, представлявшего собой модель куба. Объект располагался на расстоянии 4 м от устройства, глубина погружения устройства и объекта - 3 м.
Предлагаемое изобретение позволяет повысить эффективность подводных работ, связанных с осмотром подводных конструкций и объектов, со строительством подводных сооружений, слежением за акваторией и поиском затонувших объектов во время поисково-спасательных мероприятий и сделать более достоверным их результаты.
Литература.
1. High Definition Imaging Sonar. http://www.blueviewtech.com/?page=products.
2. DIDSON Unibody Standard and Long Range. http://www.soundmetrics.com/PRODUCTS/PRUNI/productUNI.html.
3. Лекомцев В.М., Титаренко Д.В. Цифровой 2D-звуковизор. Научная конференция, посвященная 100-летию со дня рождения А.В.Римского-Корсакова. Москва, 2010 г., стр.162-163.