一種海底可視化監(jiān)控裝置自動保存的

-.z海底可視化監(jiān)控裝置摘要海底可視化監(jiān)控裝置對海洋科學的開展有著極其重要的作用，它把采集到的物理數(shù)據轉換成圖形、圖像，并給數(shù)據賦予顏色，以及改變觀察角度等多種方式呈現(xiàn)海洋信息的各種特征。然而，實際生產過程中，海洋環(huán)境的信息量非常巨大，僅僅依靠一個簡單的攝像設備很難實現(xiàn)對海底多種信息的有效采集。因此，研究一套高效可行的海底可視化監(jiān)控技術顯得尤為重要。為了滿足深?？梢暬募夹g要求，對遠洋深海實現(xiàn)遠程、可視化監(jiān)控，開發(fā)研究的一套海底可視化監(jiān)控裝置，從深海攝像水下單元構造、深海攝像甲板單元框架設計、電源轉換模塊設計、通訊控制艙設計、海底照明設備選型、海底監(jiān)控設備選型、下潛深度信息采集、顯示界面與數(shù)據處理等8個方面分析和描述海底可視化監(jiān)控方案;該系統(tǒng)通過高精度的數(shù)據采集裝置，獲取安裝在深海監(jiān)控裝置上的水壓，水流，溫度，流量等傳感器的信息，實時顯示水下單元圖像信息、離底高度信息和相對于船體的位置信息，并可通過人機交互的方式發(fā)送信息，用多種通訊模塊將消息傳輸?shù)綌?shù)據采集中心，再通過同軸電纜或光電復合纜傳遞至Intranet,實現(xiàn)對遠洋深海實時監(jiān)控。關鍵詞：通訊控制；信息采集；監(jiān)控；接口設計；深海；電源轉換第1章緒論1.1論文的研究背景海洋是生命的搖籃，是交通的命脈，同時它蘊藏著豐富的礦產資源，生物資源。隨著全球經濟飛速開展，需求量不斷增加，陸地資源的日益短缺，海洋自愿的開發(fā)引起各國越來越多的重視。全球資源開發(fā)的重點已經逐漸轉向海洋。但是，海洋的環(huán)境復雜、惡劣，這對海底的勘探照成諸多困難，人們無法直接認識分析海底的地質特征和海底現(xiàn)象，往往需要進展大量的多學科海洋地質調查活動才能獲取海底信息，使得深海作為一個與人們未來開展密不可分的載體，卻從來都沒有被人們充分認識過。為了更好的認識海洋，更直觀的獲取海洋中的信息，各國專家也在傾盡全力探索。如今計算機軟件技術、多媒體技術和通用網絡技術飛速開展，“可視化〞這一概念就被提了出來，可視化系統(tǒng)可以讓調查人員如同親臨海底般，直接對海底的地形地貌進展目測觀察。同時，配合其他海洋技術的深海攝像系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對海底目標的定點取材和可視化采樣，更直觀的，更高效的獲取海洋中的信息，大大拓展海洋調查的功能，提高工作效率，更為直觀高效的特點讓海底可視化監(jiān)控系統(tǒng)在地質調查，海洋科考中占有很大地位?？梢暬径x為本來不可見的東西變成可見的圖形、圖像等視覺效果的過程，這個過程提供了靜態(tài)圖形顯示和動態(tài)數(shù)據分析和判斷，促進對事物的觀察和建立相關的概念。數(shù)據用圖像、圖形、二維、三維圖形與動畫等多種形式來表示，對其模式和相關關系進展可視化分析。由于科學的計算可以將計算結果用圖形的形式表現(xiàn)出來，因而許多難以理解的原理變得容易理解，許多繁雜的數(shù)據變得生動有趣?？梢暬梢员磉_的數(shù)據規(guī)律，變化和相關關系，目前已在各個學科中得到廣泛運用。1.2海底可視技術國內外開展現(xiàn)狀科學計算可視化自提出以來，在各工程和計算機領域得到了廣泛的應用和開展?？梢暬?Visualization)是指利用計算機圖形和圖像處理技術，將測量獲得的數(shù)值，圖像或者技術中涉及、產生的數(shù)字信息變得更為直觀、以圖形信息表現(xiàn)出來、隨著時間、空間變化的物理現(xiàn)象或物理量形象的呈現(xiàn)在研究者的面前，使他們能夠觀察、模擬和計算。近幾年計算機圖形學的飛速開展使得三維表現(xiàn)技術得以形成，這些三維表現(xiàn)技術使得人們能夠再現(xiàn)三維世界的物體，能夠用三維形體表現(xiàn)復雜信息，這種技術就是可視化技術。如今，主要臨近海洋的各個國家都在積極推進“海洋可視化〞的建立，如美國、俄羅斯、英、法、德等。自“海洋可視化〞設想被提出之后，以美國為代表的興旺國家已經對海洋的研究開展了大量的工作。很多海洋機構都作為重要成員參加了聯(lián)邦政府機構數(shù)字地球工作組等組織。目前支持海洋數(shù)據仿真和可視化的平臺系統(tǒng)主要有美國的GoogleOcean、WorldWind、EV-Globle等。2009年初，Google公司推出GoogleOcean，與GoogleEarth相比，主要增加了海洋信息的支持，是一款面向公眾用戶的海洋應用軟件系統(tǒng)。Google公司與NODC、美國國家地理、世界自然保護聯(lián)盟等機構合作，獲取了全球*圍的與海洋相關的地理、環(huán)境、歷史、人文等各類豐富的海洋信息，借助衛(wèi)星和海洋探測技術。能夠讓用戶看到虛擬的世界各地海洋和海底全貌。系統(tǒng)提供良好的信息交互接口，普通用戶可以上傳信息，提高了交互能力和用戶參與度。WorldWind是由NASA阿莫斯研究中心的科研人員開發(fā)的開放源代碼平臺。通過一系列演示動畫來模擬全球季節(jié)變遷、大洋溫度變化、颶風動態(tài)等全球活動。WorldWind還包含shape數(shù)據，如全部的國界、經緯線等以及其他參考測層，還具有將接收來自GPS的數(shù)據并在三維地球上顯示的能力。EV-Globle是具有自主知識產權的新一代海量空間信息效勞平臺，由國遙新天地開發(fā)的，主要實現(xiàn)了對海洋相關的應用，涉及動態(tài)海水仿真、海洋要素可視化等，包括模擬真實的海水效果和海洋不同深度的環(huán)境數(shù)據進展可視化表達，在海洋軍事、海洋環(huán)境監(jiān)測、海上鉆井平臺管理等領域也取得了一定的應用效果?！吧詈？梢暬曄到y(tǒng)是依據數(shù)字海洋的概念并結合我國對數(shù)字海洋建立戰(zhàn)略的部署而設計的，主要是為了實現(xiàn)了多種海洋要素的可視化，包括海底、水體、水面等，提供海洋現(xiàn)象的可視化表達。該系統(tǒng)采用數(shù)據傳輸和存儲技術、數(shù)據融合同化技術、各類海洋應用模型等技術，把多源海洋數(shù)據轉換成可理解的信息。1.2.1國外海洋可視化的研究進度20世紀60年代后，海洋數(shù)據和信息極為豐富，造成“數(shù)據與信息爆炸〞。美國海洋學家Manley與動態(tài)圖形軟件學家Tallet合作，并且討論物理海洋數(shù)據和化學海洋數(shù)據的真三維建模和可視化。1996年FAO出版的漁業(yè)技術討論集，指出海洋漁業(yè)數(shù)據庫的時空變化、模糊環(huán)境、統(tǒng)計變量制圖等方法。1999年Taylor安定Francis出版的MarineandCoastalgeographicalInformationSystem一書，內容包含海洋數(shù)據的表達，分析和可視化。海底可視技術可以直接觀測海底地形地貌、生物群落、外表沉積物的調查手段。目前國內外用于海底攝像1.2.2國內海洋可視化的研究進度二十世紀90年代初，陳述彭院士就竭力倡導海洋GIS的研究與開發(fā)，并提出“以海岸線為基鏈的全球數(shù)據庫〞的設想。90年代中，我國開展的海岸帶空間應用系統(tǒng)預研究，國家海洋信息系統(tǒng)以累積的海洋數(shù)據資料，對大量海洋數(shù)據進展管理和開發(fā)。力**現(xiàn)深?？梢暬?。1.3課題研究目的和意義海底可視化作為一種有效認識海洋和研究海洋的方法，在數(shù)字海洋中得到廣泛的應用，為高效解釋和處理分析海洋數(shù)據提供了一種不一樣的途徑；豐富海洋信息交流的手段，信息交流不再局限于文字和語言，可以采取直接的圖形、圖像、動畫等可視化信息提醒數(shù)據的本質和性質特征；提供視覺計算與及時信息反響技術使人們能對中間計算結果進展解釋，及時發(fā)現(xiàn)錯誤。海底可視化監(jiān)控可以顯示海洋內部屬性,幫助提醒海洋生物魚類的生活環(huán)境和行為,可以發(fā)現(xiàn)海洋生物棲息地和調查勘探海洋資源。如，通過對海洋溫度和海洋鹽度的可視化分析，能夠發(fā)現(xiàn)海洋中強冷池或者高鹽度的區(qū)域，通常此區(qū)域會聚集大量海洋捕食者〔包括無脊椎動物和浮游魚〕?；谕话l(fā)事件發(fā)生地風場流場，漁場，溫度場等背景，實時檢測信息，建立各類海洋突發(fā)事件應急預案，可實現(xiàn)可視化動態(tài)表達。利用海洋數(shù)據資源，集成海洋數(shù)值模擬，GIS空間分析模型，海洋現(xiàn)象可視化表達等各類海洋科研應用模型，研發(fā)虛擬海洋科研體驗場，為科學研究一共虛擬化平臺。1.4本文研究方法與目標第一章對國內外海底可視技術開展背景、現(xiàn)狀進展回憶和展望，分析了國內外海洋可視化研究進度,課題的研究目的與意義，包括對海洋虛擬現(xiàn)實環(huán)境構建的支持，真實環(huán)境下海洋數(shù)據可視化的實現(xiàn)等等，以及主流科學可視化方向的體繪制和流線繪制技術。簡要介紹了本文涉及和實現(xiàn)的針對海洋三維圖形可視化引擎i4Ocean的主要研究內容和目標。第二章詳細介紹i4Ocean引擎的設計目標和系統(tǒng)架構。引擎采用適合海洋應用需求的模型—視圖—適配器—特效〔Model-View-Adapter-Effect〕框架模式搭建底層架構，實現(xiàn)了界面、交互、功能和特效的封裝。i4Ocean核心模塊主要包括內資源管理、場景管理、渲染流程管理和交互管理四大功能模塊，為用戶和開發(fā)者提供實時交互的三維海陸一體真實環(huán)境搭建，多維多源海洋數(shù)據可視化的根本功能。最后，講解了使用引擎快速搭建海洋可視化仿真的平臺和擴展用戶功能的步驟。第三章介紹了引擎的海洋數(shù)據時空模型和海洋可編程特效的實現(xiàn)。引擎針對海洋數(shù)據的多源多時態(tài)特點，將其劃分為海洋時空對象和海洋特征對象，并在引擎中進展抽象表達。另外，為了支持復雜海洋場景特效和海洋數(shù)據可視化繪制效果，引擎提供了一種基于文件的特效管理方式。用戶可以創(chuàng)立和修改自己的特效文件，使用時引擎自動加載這些文件并在繪制對象渲染過程中使用。第四章介紹在引擎支持下，海洋數(shù)據三維動態(tài)可視化的關鍵技術實現(xiàn)。第二章第一節(jié)海底可視化監(jiān)控系統(tǒng)的水下框架設計針對海底攝像系統(tǒng)的安裝環(huán)境與具體的技術需求，本次海底攝像系統(tǒng)將充分利用不銹鋼和光電復合纜的特性實現(xiàn)海底攝像系統(tǒng)的水下攝像需求和光纖通訊，具體方案如圖主要包括：2.1下潛深度和防水耐壓處理由于水下各部件的水深指標和價格有一定的對應關系，深度越深，對各部件的防水耐壓性能要求越高，各部件防水耐壓投入本錢越高，因此，從性能，價格和需求三方面綜合考慮下本套系統(tǒng)下潛深度定為6000m級。這樣既能滿足大洋科考的要求，又能獲得較高的性價比。6000m的海水壓力將到達60MPa,為了保證水下框架系統(tǒng)中各元部件，電子電路正常運行，按照實際功能設計制作了3個封閉的耐壓電子倉〔電源倉、數(shù)據采集與控制倉、通訊控制倉〕并提供必要的光電接口與光電復合纜、水下攝像頭、照明燈、高度計等水下部件的對接，同時倉內元器件和電路板的安裝也重點考慮了在沖擊震動環(huán)境下的適應能力。2.2光電復合纜接口設計如圖一所示,深海攝像系統(tǒng)船上單元的纜端接口需要將電源轉換模塊以及光纖通訊模塊對接，而水下單元的纜端接口因為涉及承重、水密、耐壓以及供電和通訊的要求，需要用到堅實的材料。圖一光纖通訊是本套海底攝像系統(tǒng)的核心和最重要的環(huán)節(jié)，由于光纖在信號傳輸中的優(yōu)勢，可將水下攝像頭所采集的海底圖像不經過壓縮處理直接傳到海上甲板單元，同時在光纖傳輸中甲板單元和水下單元的各類測控信號不會受到影響。由于甲板單元和水下單元的測控信號均采用電信號進展數(shù)據采集，控制和通訊，因此光纖通訊設計的關鍵是選擇適宜的光端機進展光電轉換，尤其是水下單元所用的光端機因為長時間工作在較低的低溫環(huán)境并且伴隨震動沖擊，為了防止托體和海底撞擊造成的光纖連接端故障采用多纖備份設計方案。及時在一條光纖通路完全故障的情況下也能實現(xiàn)光纖通路的快速切換，保證了視頻信號和測控信號遠距離傳輸?shù)目煽啃浴?.3攝像設備的選型由于本次攝像設備要求在下潛深度定為6000m級海水壓力將到達60MPa,而且要求海底高精度的圖片質量,因此選擇了5m*圍內可快速自動聚焦的彩色攝像頭3只，清晰度為560Line/0.1lu*,與單個攝像頭相比，多個攝像頭可以實現(xiàn)不同角度的海底攝像，便于形成立體圖像，為后期計算機圖像成像創(chuàng)造可能；560line的清晰度在不經過壓縮處理存儲文件大小約為2GB，完全滿足計算機后期圖像處理的要求。攝像設備供電電源：交流AC100~240V，50/60Hz，<300W〔24-36VDC直流電源輸入型可選〕，視頻輸出制式：PAL或NTSC，攝像設備電源由攝像設備背后控制箱控制，控制箱提供電源信號處理，視頻輸出，各種推進器測試和傳感器控制，信息日期時間等顯示字符視頻疊加。2.4水下照明燈選型水下照明燈水下照明燈的光源形式主要有兩種，分為鹵素型和LED型，鹵素光源雖然在一樣功率下很難到達LED光源的亮度，但由于鹵素光譜較LED光源寬，能獲得更加逼真的彩色圖像，因此深海攝像中選擇了3盞鹵素照明燈。拖體距海底6000m左右拖曳式前進時，鹵素照明燈即可獲得較好的照度效果，而使用3盞照明燈從不同的角度入射，也可在一定程度上消除陰影。2.5水下高度計選型深海高度計是用來探測設備距離海底的高度，以保證設備正常平安的著地，信息采集更為全面,如本系統(tǒng)的深海陸地信息采集需要工作在預定的海底高度進展正常的探測作業(yè)，所以深海高度計是深海探測作業(yè)必不可少的一個傳感器設備。本系統(tǒng)用到的高度計是基于單波束水下測距聲納的工作原理而設計的。高度計選用TRITECH的PA500.PA500是一款高性能的電子設備聲納分析儀器,可以提供準確的高度距離測量.PA500采用發(fā)送和接收數(shù)字合成技術,極大的提高了測量的動態(tài)*圍,并且可以同時提供數(shù)字和模擬兩種不同的輸出方式.PA500最小量程為0.01米,最大量程200米,滿足工程的要求,主要技術參數(shù)如下:表3PA500主要技術參數(shù)通訊協(xié)議RS232/RS485數(shù)字分辨率1mm模擬分辨率0.025%測量*圍6000m長度160mm空氣中重量1kg水中重量0.8kgPA500開啟后通過RS232接口不斷發(fā)送數(shù)據，格式為***.**m/r/n(*=0~9)。ARM嵌入系統(tǒng)單獨開啟一個線程專門接收該高度計信號。2.5.1水下高度計安裝位置本次定位系統(tǒng)包含兩個局部一局部安裝在海面船只甲板單元，安裝在甲板單元的收發(fā)器〔transducer〕,另一局部為應答器，安裝在水下框架內部海底分布如下列圖：t:換能器；R1，R2，R3：測量距離；圖海底定位示意圖由上圖所示，本套海底定位系統(tǒng)甲板單元由3個以上換能器組成，換能器的陣型為三角形或四邊形,組成聲基陣。換能器之間的距離一般為10m左右,換能器之間的相互關系可以準確測定,組成聲基陣的坐標系,基陣坐標系與船坐標系的相互關系可由常規(guī)測量方法確定。短基線系統(tǒng)的測量方式是由一個換能器發(fā)射,所有換能器接收,得到一個斜距觀測值與不同于這個觀測值的多個斜距值,系統(tǒng)根據基陣相對船坐標系的固定關系,配外部傳感器觀測值,如GPS、MRU、Gyro提供的船的位置、姿態(tài)、船艏向值,計算得到目標的大地坐標。2.5.2水下高度計使用頻率通常定位系統(tǒng)的頻率選擇是根據使用的*圍和要求的精度來確定,一般情況下頻率越高精度越高。如表2所示定位系統(tǒng)的頻率和作用距離的關系。表2頻率波段與作用距離頻率分類頻率*圍最大作用距離低頻-LF〔lowfrequncy〕8～16kHz>10km中頻—MF(mediumfrequency)18～36kHz2～3km高頻—HF(highfrequency)30～60kHz1.5km超高頻-EHF(e*trahighfrequency)50~110KHz<1km2.5.3定位精度與誤差分析描述高度定位系統(tǒng)的定位精度有很多種,比方絕對測量精度、復測量精度、相對測量精度、分辨率等。影響定位精度的誤差因素有多種,如水面定位系統(tǒng)、船體測量設備、船艏向測量設備的測量誤差、環(huán)境噪聲的影響、系統(tǒng)測角和測距等。本次高度定位系統(tǒng)采用聲學的定位，定位精度可由以下公式評估:σ2USBL=Rσ2θ+Rσ2GYRO+Rσ2＆+Rσ2MRU+σ2R+σ2GPS式中,σUSBL為超短基線的總誤差;σθ為水平角測量誤差;σGYRO為電羅經測量誤差;σ＆為超短基線仰角測量誤差;σMRU為姿態(tài)傳感器測角誤差;σR為超短基線測距誤差;σGPS為水面船只GPS測量誤差;R為測量斜距。水深〔m〕圖不同測量精度的姿態(tài)傳感器產生的定位誤差