本發(fā)明涉及一種水下文物集成探測裝置，屬于水下探測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于ROV平臺的水下文物集成探測裝置。

背景技術(shù)：

水下文物探測是水下文化遺產(chǎn)調(diào)查、發(fā)掘、保護、研究與開發(fā)的基礎(chǔ)。目前我國水下文物保護存在一系列亟需解決的問題：水下文物保護工作起步較晚，探測保護技術(shù)尚處于初始階段，水下文物的家底依然不夠清晰，這已成為水下文物保護事業(yè)發(fā)展的瓶頸之一；水下文物盜掘、盜撈、倒賣等不法行為依然猖獗，非法打撈在掠走大批文物的同時，往往伴隨著粗暴、野蠻的工作方式，給水下文物遺存造成嚴重破壞；隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，我國經(jīng)濟布局進一步向海濱地區(qū)集聚，濱海或海島旅游業(yè)及各類濱海經(jīng)濟區(qū)漸次提出，涉海用海項目急劇增多，在很大程度上比內(nèi)陸地區(qū)更為嚴重地威脅到海洋自然遺產(chǎn)和海洋文化遺產(chǎn)的安全；境外人員蓄意盜撈、破壞我國水下文物，將給我國的海洋權(quán)益帶來嚴重威脅。

在國家海洋戰(zhàn)略布局和國際海洋技術(shù)大發(fā)展的背景下，我們迫切需要運用現(xiàn)代海洋探測技術(shù)對我國海域水下文化遺產(chǎn)進行系統(tǒng)的探測和保護，形成現(xiàn)代化規(guī)范化的水下文化遺產(chǎn)探測保護技術(shù)體系。

然而，和陸地考古相比，水下文物的探測面臨很大的環(huán)境困難和技術(shù)難題。在陸地考古工作很容易解決的尋找、定位問題在海上卻是難以克服的障礙。茫茫大海，要準確的找到水下文物，無異于大海撈針，這些狀況促使水下探測工作要借助現(xiàn)代科學裝備和方法。陸地上的常用地球物理勘探學中，除了磁法、聲吶法，常用的還有電法、地震法和重力等方法。這些方法在陸地考古勘探中都獲得了不少成功的應用實例，也逐步被應用于水下文物探測中。特別是海底目標物探測技術(shù)有了長足的進步。

然而，目前專門用于水下考古的水下機器人系統(tǒng)還不成熟，現(xiàn)有水下文物探測技術(shù)多以單種類技術(shù)出現(xiàn)，而具備信息融合和信息交互系統(tǒng)的高集成度水下探測系統(tǒng)還未出現(xiàn)。因此，本集成探測裝置的研發(fā)和使用，對我國水下文化遺產(chǎn)的探測、保護與管理提供技術(shù)支撐有著十分重要的意義，為我國水下考古揭開新的篇章。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述不足，本發(fā)明提出一種基于ROV平臺的水下文物集成探測裝置。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下：一種基于ROV平臺的水下文物集成探測裝置，主要由甲板裝置和水下集成探測裝置組成，甲板裝置和水下集成探測裝置相連；所述甲板裝置主要由母船、ROV控制臺、GPS系統(tǒng)和超短基線收發(fā)器組成，GPS系統(tǒng)和超短基線收發(fā)器安裝在母船上，GPS系統(tǒng)和超短基線收發(fā)器均與ROV控制臺相連；

所述水下集成探測裝置包括ROV平臺及集成在ROV平臺上的超短基線聲信標、多波束聲吶、側(cè)掃聲吶、淺剖儀和磁力儀；ROV平臺上自帶照明系統(tǒng)、高清攝像頭和電氣系統(tǒng)；

所述電氣系統(tǒng)包括電源管理電路、主控接口板和多路復用器；

所述超短基線聲信標、多波束、側(cè)掃聲吶、淺剖儀、磁力儀均與多路復用器相連，多路復用器與主控接口板連接，多路復用器與ROV控制臺相連；

所述高清攝像頭、ROV平臺的推進器、電源管理電路均與主控接口板相連，電源管理電路為水下集成探測裝置提供電源，主控接口板通過電源管理電路控制超短基線聲信標、多波束聲吶、照明系統(tǒng)、高清攝像頭、側(cè)掃聲吶、淺剖儀、磁力儀和ROV平臺的推進器的上電和掉電；

所述超短基線收發(fā)器與超短基線聲信標通過無線進行通訊。

進一步的，所述多波束聲吶位于ROV平臺的前端面的上部，側(cè)掃聲吶位于ROV平臺的下端面前方，淺剖儀位于ROV平臺的下端面后方，高清攝像頭位于ROV平臺的前端面的外置云臺上，磁力儀被拖曳于ROV平臺的后方五到十米處；超短基線聲信標位于ROV平臺的上端面。

進一步的，所述甲板裝置和水下集成探測裝置通過臍帶纜連接。

進一步的，所述母船上安裝有電纜絞車，臍帶纜纏繞在電纜絞車上。

本發(fā)明的有益效果如下：

1.本發(fā)明在ROV平臺上集成磁力儀、多波束、側(cè)掃聲吶、淺剖儀和高清攝像頭等多傳感器，其中磁力儀用來測定探測區(qū)域的磁異常值，粗略確定水下文物的位置；淺剖儀描繪水底地層的剖面結(jié)構(gòu)，用來探測埋于泥面以下文物位置；側(cè)掃聲吶以及多波束聲吶提供高分辨率水下聲學圖像，結(jié)合高清攝像頭來探測泥面上文物的位置。這種以多傳感器融合的方式代替以往單種類傳感器探測方式，能夠?qū)崿F(xiàn)水下文物精準化、高效化的實時探測，提高水下文物考古作業(yè)的探測效率。

2.本發(fā)明采用網(wǎng)絡(luò)接口方式實現(xiàn)側(cè)掃聲吶、多波束和淺剖儀與上位機的數(shù)據(jù)通信，替代以往的串口傳輸方式，不僅接口方便，而且大大提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。

3.本發(fā)明用于水下文物的探測裝置，適用于水下長時間、大數(shù)據(jù)量的信息采集。母船上的發(fā)電機通過臍帶纜給ROV以及水下多傳感器進行供電，能夠保障多傳感器進行長時間的數(shù)據(jù)采集工作，并確保了數(shù)據(jù)的可靠性和連續(xù)性。

4.本發(fā)明所采用的多個傳感器，均可根據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)議在ROV控制臺上對探測數(shù)據(jù)進行解析和圖像顯示，實現(xiàn)水下文物的直觀表現(xiàn)，并可進行數(shù)據(jù)存儲和過程回放。

5.本發(fā)明獲得的海底探測數(shù)據(jù)，均可用于后續(xù)數(shù)據(jù)分析處理，主要包括聲吶圖像和攝像頭圖像的特征融合，實現(xiàn)水下文物的精確表現(xiàn)。本發(fā)明可以廣泛用于海洋、湖泊等水下文物的考古探測，也可用于管線探測和海底打撈以及海底目標物的測量和分類。

附圖說明

為了更清楚的說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹。

圖1是基于ROV平臺的水下文物集成探測裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是基于ROV平臺的水下文物集成探測裝置電氣系統(tǒng)組成示意圖；

圖3是基于ROV平臺的水下文物集成探測裝置功能框圖；

圖中：甲板裝置1、水下集成探測裝置2、臍帶纜3、圓柱形電子艙4、O型環(huán)5、母船11、ROV控制臺12、電纜絞車13、GPS系統(tǒng)14、超短基線收發(fā)器15、超短基線聲信標21、多波束22、照明系統(tǒng)23、高清攝像頭24、側(cè)掃聲吶25、淺剖儀26、電氣系統(tǒng)27、電纜28、磁力儀29、電源管理電路271、主控接口板272、多路復用器273。

具體實施方式

結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步描述。

如圖1-3所示，一種基于ROV平臺的水下文物集成探測裝置，主要由甲板裝置1和水下集成探測裝置2組成，甲板裝置1通過臍帶纜3和水下集成探測裝置2進行交換信息并為水下集成探測裝置提供電源；所述母船11上安裝有電纜絞車13，臍帶纜3纏繞在電纜絞車13上；所述甲板裝置1主要由母船11、ROV控制臺12、GPS系統(tǒng)14和超短基線收發(fā)器15組成，GPS系統(tǒng)14和超短基線收發(fā)器15安裝在母船11上，GPS系統(tǒng)14和超短基線收發(fā)器15均與ROV控制臺12相連；ROV控制臺12通過串口與GPS系統(tǒng)14連接，完成GPS系統(tǒng)14的數(shù)據(jù)采集，獲得母船11的位置信息。

所述水下集成探測裝置2包括ROV平臺及集成在ROV平臺上的超短基線聲信標21、多波束聲吶22、側(cè)掃聲吶25、淺剖儀26和磁力儀29；ROV平臺上自帶照明系統(tǒng)23、高清攝像頭24和電氣系統(tǒng)27。

本發(fā)明以水下ROV平臺為載體集成聲光磁系統(tǒng)，建立水下ROV精細探測系統(tǒng)，實現(xiàn)水下文物的可視化、精細化的實時探測。其中超短基線收發(fā)器15和超短基線聲信標21以及GPS系統(tǒng)實現(xiàn)ROV平臺的準確定位，磁力儀29實現(xiàn)水下文物位置的粗略估計，淺剖儀26描繪水底地層的剖面結(jié)構(gòu)，探測埋于泥面以下文物位置。多波束聲吶22掃描ROV平臺的前部，側(cè)掃聲吶25掃描ROV平臺的下部，結(jié)合高清攝像頭，對泥面以上的文物進行精確定位。通過多傳感器的協(xié)同作業(yè)，實現(xiàn)水下文物高精準、高效率的探測。

電氣系統(tǒng)27裝在ROV平臺的圓柱形電子艙4內(nèi)，所述電氣系統(tǒng)27包括電源管理電路271、主控接口板272和多路復用器273；

多路復用器273通過串口與磁力儀29連接，完成磁力儀29的控制和數(shù)據(jù)采集。

多路復用器273通過以太網(wǎng)口與多波束22連接，完成多波束22的控制和數(shù)據(jù)采集。

多路復用器273通過以太網(wǎng)口與側(cè)掃聲吶25連接，完成側(cè)掃聲吶25的控制和數(shù)據(jù)采集。

多路復用器273通過以太網(wǎng)口與淺剖儀26連接，完成淺剖儀26的控制和數(shù)據(jù)采集。

多路復用器273通過視頻接口與主控接口板272連接，讀取主控接口板272處理后的信號并傳遞給ROV控制臺。

主控接口板272與高清攝像頭24連接，并完成高清攝像頭24的控制和數(shù)據(jù)采集。

主控接口板272的輸入/輸出接口與推進器連接，完成ROV平臺的操控。

電源管理電路271為水下集成探測裝置2提供電源，主控接口板272通過電源管理電路271控制超短基線聲信標21、多波束聲吶22、照明系統(tǒng)23、高清攝像頭24、側(cè)掃聲吶25、淺剖儀26、磁力儀29和ROV平臺的推進器的上電和掉電；

多路復用器273將多路信號合并到一條光纖信號中通過臍帶纜3傳送給ROV控制臺，實現(xiàn)ROV控制臺與水下多傳感器的雙工通訊。所述臍帶纜包括三根光纖線和六根電源線，三根光纖線和六根電源線的外層為聚酯薄膜包裹層，在此層的外層為凱夫拉編制層，凱夫拉編制層外部為聚氨酯層，最外層為浮體層，聚氨酯層提供電纜密封和物理保護，浮體層提供浮力和物理保護。所述多路復用器將多路信號合并到一條光纖信號中通過臍帶纜傳送給ROV控制臺，實現(xiàn)ROV控制臺與水下多傳感器的雙工通訊。

ROV平臺的主體架構(gòu)是高科技復合材料，頂部為合成浮塊。復合材料的架構(gòu)不但可以抗腐蝕還可以緩解外部的撞擊，同時該架構(gòu)也是裝載其他部件的平臺。ROV平臺的主體架構(gòu)裝配有4個推進器，兩個水平安裝，控制ROV的前進、后退和轉(zhuǎn)向。另外兩個垂直側(cè)傾安裝，控制ROV的上、下和側(cè)向移動。四個推進器都采用不銹鋼齒輪卡環(huán)固定。

多波束聲吶22位于ROV平臺的前端面的上部，掃描ROV平臺前方的區(qū)域，采集到的聲吶圖像數(shù)據(jù)集成在多路復用器上，通過光纖臍帶纜3傳送到ROV控制臺，ROV控制臺通過以太網(wǎng)口讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)多波束數(shù)據(jù)協(xié)議對數(shù)據(jù)進行解析、顯示并存儲，方便后續(xù)多傳感器的圖像融合。

側(cè)掃聲吶25位于ROV平臺的下端面前方，安裝在一個兩端與水平成一定角度的鈦合金支架上。掃描ROV平臺正下方的區(qū)域，采集到的聲吶圖像數(shù)據(jù)集成在多路復用器273上，通過光纖臍帶纜3傳送到ROV控制臺，ROV控制臺通過以太網(wǎng)口讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)側(cè)掃聲吶25數(shù)據(jù)協(xié)議對數(shù)據(jù)進行解析、顯示并存儲，方便后續(xù)多傳感器的圖像融合。為了提高聲吶圖像質(zhì)量，側(cè)掃聲吶的工作頻率可以隨時由ROV控制臺設(shè)置。

淺剖儀26安裝于ROV平臺的下端面后方，描繪水底地層的剖面結(jié)構(gòu)，采集到的信號集成在多路復用器273上，通過光纖臍帶纜3傳送到ROV控制臺，ROV控制臺通過以太網(wǎng)口讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)淺剖儀數(shù)據(jù)協(xié)議對數(shù)據(jù)進行解析、顯示并存儲，方便后續(xù)多傳感器的圖像融合。

高清攝像頭24安裝在ROV的外置云臺上，描繪ROV平臺前方的區(qū)域。信號經(jīng)過主控接口板的解析集成在多路復用器273上，通過光纖臍帶纜3傳送到ROV控制臺，ROV控制臺根據(jù)視頻信號格式對數(shù)據(jù)進行顯示和存儲，方便后續(xù)提取特征，與聲吶傳感器進行特征級融合。

磁力儀29被拖曳于ROV后方五到十米處，以減小ROV以及搭載傳感器造成的磁干擾。磁力儀29采集到的數(shù)據(jù)集成在多路復用器273上，通過光纖臍帶纜3傳送到ROV控制臺，ROV控制臺通過串口讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)磁力儀標準數(shù)據(jù)協(xié)議對數(shù)據(jù)進行解析、顯示并存儲，方便后續(xù)進行磁等值線的繪制及磁異常解析。

超短基線聲信標21位于ROV平臺的上端面，方便超短基線定位系統(tǒng)的聲通信。超短基線收發(fā)器14發(fā)射聲波信號至超短基線聲信標21，聲信標21在接收到詢問信號后,發(fā)射區(qū)別于詢問信號的響應信號，超短基線收發(fā)器14收到響應信號后將數(shù)據(jù)傳到ROV控制臺，ROV控制臺為上位機，可以為計算機，經(jīng)ROV控制臺上現(xiàn)有的軟件處理后得到水下目標的相對方位和距離。

照明系統(tǒng)23由照明燈左和照明燈右組成，為光學成像系統(tǒng)提供照明。

一般情況下，基于ROV平臺的水下文物集成探測裝置使用磁力儀進行較大范圍的檢測，根據(jù)后期數(shù)據(jù)處理后的平面等值線圖的平面形態(tài)、位場數(shù)據(jù)等結(jié)果，圈定磁性體大致范圍，而后通過側(cè)掃聲吶25、多波束聲吶22、高清攝像頭24和淺剖儀26進行更為精確的檢測，對異常點進行定位。其中，側(cè)掃聲吶25和多波束聲吶22可以獲得高分辨率水下聲學圖像，結(jié)合高清攝像頭24獲得的高清影像實現(xiàn)泥面以上文物位置的探測，而淺剖儀26可以穿透地層，獲得水底地層的剖面結(jié)構(gòu)，探測埋于泥面以下文物的位置。通過對側(cè)掃聲吶25、多波束聲吶22、高清攝像頭24和淺剖儀26的位置信息分析，結(jié)合多波束輸出的傾斜和搖擺數(shù)據(jù)即可知道ROV平臺與異常點的相對位置；同時，甲板裝置1通過超短基線定位系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)可知ROV平臺相對于母船的相對位置信息，結(jié)合甲板裝置1的GPS數(shù)據(jù)，通過計算可知ROV平臺的絕對位置；再結(jié)合ROV平臺與異常點的相對位置，即可獲得水底異常點的絕對位置。

本發(fā)明實施例中，ROV平臺可以采用Shark Marine公司的SEA-WOLF-5ROV，但不限于此；多波束聲吶22采用前視聲吶，可以采用美國BlueView公司的P900-130型多波束前視聲吶，其工作頻率為900kHz，但不限于此；側(cè)掃聲吶25可以采用Klein System UUV-3500，其工作頻率分為100kHz和400kHz兩種，可通過甲板裝置1設(shè)置，但不限于此；磁力儀29可以采用Marine Magnet ics公司的Explorer，但不限于此；淺地層剖面儀26可以采用美國Benthos的Chirp III，但不限于此；超短基線21可以采用德國EvoLogics公司的S2CR USBL超短基線水下定位系統(tǒng)，但不限于此；GPS全球定位系統(tǒng)14可以采用美國Trimble公司的SPS855定位系統(tǒng)，但不限于此。

O型環(huán)5用于ROV中所有連接口的密封，密封之前涂一層薄薄的硅樹脂潤滑劑。