一種水下穿戴式圖像聲納的結(jié)構(gòu)及外觀設(shè)計(jì)

劉錦劍，范新剛

（上海船舶電子設(shè)備研究所，上海 201108）

0 引言

在進(jìn)行水下軍事作戰(zhàn)、救援、打撈以及在水中設(shè)置的安全檢查與維修等水中作業(yè)過(guò)程中，潛水員的視野會(huì)受到周?chē)鳎|(zhì)的渾濁度的影響。如果水域黑暗且渾濁，潛水員很難清楚地觀察到周?chē)闆r，對(duì)作業(yè)效果以及效率造成很大的影響[1-3]。因此，在水下作業(yè)時(shí)，需用到探測(cè)設(shè)備對(duì)環(huán)境進(jìn)行探測(cè)。

目前國(guó)內(nèi)外的小型聲納在使用過(guò)程中普遍存在以下問(wèn)題：體積較大，潛水員只能手持在水下作業(yè)，雙手被占用，極大限制了潛水員在水下的工作效率；大多采用電纜供電，使用時(shí)需從母船吊放到一定水深進(jìn)行探測(cè)，不夠靈活，母船很難駛?cè)氲綔\水域和礁石障礙物較多的水域，容易造成危險(xiǎn)；換能器的指向性固定，不能較大幅度的俯仰；操作復(fù)雜、參數(shù)多，需要潛水員做很多操作才能完成最優(yōu)設(shè)置，造成滯留水下時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，增大危險(xiǎn)系數(shù)[4]。

因此，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一種單兵的穿戴式圖像聲納可以有效地解決現(xiàn)存問(wèn)題。目前國(guó)外的可進(jìn)行潛水員配備的圖像聲納僅有Triech公司生產(chǎn)的Gemini 720ik圖像聲納，其主要使用在小型ROV等水下設(shè)備上。而國(guó)內(nèi)僅有中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司七五零研究所開(kāi)發(fā)的TKIS-I頭盔式圖像聲納，但需要潛水員佩戴頭盔，舒適度大為降低[5]。本文主要對(duì)所研究的一種穿戴式圖像聲納的功能、結(jié)構(gòu)外觀進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 設(shè)備組成及功能

該穿戴式圖像聲納設(shè)備主要由換能器、腰間盒、鋰電池盒以及配備近眼顯示的潛水面罩組成。換能器及近眼顯示模塊安裝在潛水面罩上，腰間盒及鋰電池盒裝配在潛水服上，潛水員攜帶下水，通過(guò)近眼顯示模塊可以直接觀察到探測(cè)圖像，從而解放雙手獨(dú)立活動(dòng)。該聲納設(shè)備也適于安裝在各種潛水器材和水下平臺(tái)上工作，而且腰間盒頂部還配有換能器的安裝接口，可將換能器直接安裝在腰間盒上，當(dāng)只需要巡航探測(cè)時(shí)，便可作為手持設(shè)備進(jìn)行靈活的探測(cè)。

該圖像聲納結(jié)構(gòu)緊湊，體積小。采用鎂鋁合金作為殼體材質(zhì)，重量輕，操作方便。其工作頻率為900kHz，設(shè)置了距離和增益等可自復(fù)位的選擇旋鈕，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)探測(cè)距離和輸出增益。適用與更多的水下環(huán)境。同時(shí)，鋰電池進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，可以隨時(shí)水下插拔更換電池，滿足設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間使用。

2 換能器模塊

為了適應(yīng)不同水文環(huán)境和多樣化的水下任務(wù)，提高聲納的探測(cè)距離和分辨率，對(duì)換能器的綜合性能，如聲源級(jí)、指向性、靈敏度等性能要求越來(lái)越高[6]。換能器是聲納系統(tǒng)的重要組成部分，其性能直接決定了聲納系統(tǒng)的性能[7]。

換能器模塊由兩個(gè)平面陣135°形成交叉組合陣，每個(gè)陣均為收發(fā)合置。根據(jù)單平面陣以波長(zhǎng)間隔布陣（f=900kHz）。換能器單個(gè)陣的結(jié)構(gòu)尺寸為106mm（長(zhǎng)）×16mm（厚），外殼為鋁合金整體加工成型，最后連接128芯屏蔽電纜用聚氨酯進(jìn)行整體灌封，保證水密性。換能器安裝處配有快速接頭，可適配于潛水面罩，也可適配于腰間盒上成為手持式圖像聲納。同時(shí)快速接頭的連接桿上有均勻分布的小齒，可使換能器陣面上下俯仰調(diào)節(jié)。當(dāng)換能器模塊與潛水面罩連接時(shí)，通過(guò)萬(wàn)向接頭連接，萬(wàn)向接頭可方便潛水員在工作過(guò)程中隨時(shí)調(diào)整換能器的探測(cè)角度方位。換能器結(jié)構(gòu)外觀如圖1所示。

圖1 換能器模塊結(jié)構(gòu)圖

3 腰間盒及鋰電池模塊

腰間盒采用鎂鋁合金材質(zhì)，表面陽(yáng)極氧化后進(jìn)行染色處理，既保證了殼體的剛度和硬度，耐腐蝕方面也比鋁合金有所提高，同時(shí)還減輕了設(shè)備將近一半的重量。

腰間盒端蓋處設(shè)置有可選擇探測(cè)量程的自復(fù)位旋鈕，開(kāi)關(guān)及增益調(diào)節(jié)自復(fù)位旋鈕，狀態(tài)指示燈，與換能器連接的線纜硫化頭，與近眼顯示模塊連接的Hdmi線纜硫化頭。同時(shí)，配有8芯的直角水密接插件與鋰電池模塊連接，可水下進(jìn)行插拔，更換電池。該8芯水密接插件也是網(wǎng)絡(luò)傳輸接口，用于水下工作結(jié)束后在岸上進(jìn)行數(shù)據(jù)同步傳輸。

其中，自復(fù)位旋鈕的結(jié)構(gòu)是該腰間盒的設(shè)計(jì)核心，既要滿足功能選擇要求，又要保證水密性，同時(shí)還需兼顧水下?lián)軇?dòng)時(shí)的方面性和撥動(dòng)時(shí)的手感。設(shè)計(jì)該自復(fù)位旋鈕采用V型滑槽和彈簧的配合結(jié)構(gòu)，如圖2所示。當(dāng)左右撥動(dòng)旋鈕帽時(shí)，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸左右旋轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)自復(fù)位元器件的D型軸，在旋轉(zhuǎn)軸上加工有V型槽，左右旋轉(zhuǎn)旋鈕帽時(shí)，滑塊向上運(yùn)動(dòng)壓縮彈簧，當(dāng)松開(kāi)旋鈕帽時(shí)，彈簧回復(fù)，滑塊向下，旋轉(zhuǎn)軸跟隨自復(fù)位元器件也自復(fù)位。這樣就能滿足對(duì)探測(cè)距離、增益以及開(kāi)關(guān)的選擇動(dòng)作。

圖2 自復(fù)位開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

同時(shí)，軸上設(shè)置有旋轉(zhuǎn)密封圈，既能保證水密性，又能防止旋轉(zhuǎn)旋鈕帽時(shí)因?yàn)殚g隙而產(chǎn)生的撥動(dòng)手感的不良感。

腰間盒端蓋與殼體之間設(shè)置有徑向密封和三角密封，led狀態(tài)指示燈，線纜硫化頭以及水密接插件與腰間盒端蓋之間，鋰電池盒端蓋與鋰電池盒殼體之間，均有徑向和斷面密封圈。同時(shí)，殼體厚度4mm，經(jīng)過(guò)水壓試驗(yàn)，滿足潛水員在最大水深60m的水下作業(yè)。腰間盒及鋰電池模塊結(jié)構(gòu)外觀如圖3所示。

圖3 腰間盒及鋰電池模塊結(jié)構(gòu)外觀圖

4 近眼顯示模塊

現(xiàn)代顯示技術(shù)中的微顯示技術(shù)與傳統(tǒng)的顯示技術(shù)相比有體積小、重量輕、耗電少、成本低、能實(shí)現(xiàn)大容量高清晰度顯示等突出優(yōu)點(diǎn)[8-9]。

根據(jù)潛水員常用的潛水裝備，選用型號(hào)為INTERSPIRO的全閉式面罩。面罩外型如圖4所示。根據(jù)需求，設(shè)計(jì)了安裝換能器及近眼顯示模塊的面罩支架，支架可安裝在面罩上而不破壞面罩的閉式結(jié)構(gòu)。

圖4 INTERSPIRO的全閉式面罩

在潛水面罩的支架上安裝萬(wàn)向接頭，近眼顯示模塊安裝在萬(wàn)向接頭上，可以使得近眼顯示模塊在眼睛的觀測(cè)范圍內(nèi)進(jìn)行上下左右微調(diào)，滿足不同潛水員的不同瞳距要求，圖5所示為近眼顯示模塊安裝圖。如圖6所示，其中近眼顯示模塊內(nèi)部光學(xué)及電路單元包含組合透鏡、供電傳輸控制板、OLED微型顯示器以及Hdmi傳輸線纜等，組合透鏡由上下棱鏡，中間夾著的半反半透膜，下部的曲面透鏡膠合而成?？稍谕哥R前方形成適合潛水員觀測(cè)的視頻圖像，其視場(chǎng)角為45°，出瞳距離為20mm。將內(nèi)部光學(xué)及電路用殼體進(jìn)行水密封裝，形成近眼顯示模塊。

圖5 近眼顯示模塊安裝圖

圖6 近眼顯示模塊內(nèi)部光學(xué)及電路板圖

5 結(jié)語(yǔ)

該水下穿戴式圖像聲納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，采用分離式設(shè)計(jì)，各部分分別安裝在潛水員腰間及面罩上，從而解放了潛水員的雙手，增強(qiáng)了工作安全性和靈活性。同時(shí)供電采用外部模式，適配各種容量的電池，可直接水下插拔更換電池模塊。在滿足水密要求的前提下，設(shè)計(jì)同時(shí)考慮了其適配性，既能滿足潛水員的佩戴要求，也能滿足水下潛器的安裝要求。而且設(shè)計(jì)時(shí)注重其美觀性、輕便性以及操作時(shí)的手感等。該水下穿戴式圖像聲納實(shí)物如圖7所示。

圖7 水下穿戴式圖像聲納實(shí)物圖