一种水听器阵列的三维坐标标定系统的制作方法

本发明实施例涉及三维坐标标定技术领域，更具体地，涉及一种水听器阵列的三维坐标标定系统。

背景技术：

水听器又称水下传声器，是一种把水下声信号转换为电信号的换能器。根据作用原理、换能原理、特性及构造等的不同，有声压、振速、无向、指向、压电、磁致伸缩、电动(动圈)等水听器之分。水听器与传声器在原理、性能上有很多相似之处，但由于传声媒质的区别，水听器必须有坚固的水密结构，且须采用抗腐蚀材料的不透水电缆等。

水听器通常由多个基元组成水听器阵列进行应用，随着水听器阵列中基元数目的增加，水听器阵列受到大尺寸空间测量空间的影响，对于其中各个基元的坐标标定准确性不高，从而导致水听器阵列在生产和安装过程中产生的随机误差缺乏及时的修正，从而使得水听器阵列的测量性能降低。

目前，水听器阵列安装时，为了将水听器阵列安装成一条直线，需提供一定的拉力使阵列成为一条直线。在对阵列进行加力时，无法对阵列所实施的拉力进行量化，导致每次阵列安装时，拉力不一致，探头的位置就会发生变化，需重新进行三维测量，效率低，实施难度大。

水听器阵列内部，水听器探头会随着阵列的整体受力发生变化。在阵列安装过程中，随着受力的不同，水听器探头会在保护管内发生位置上的变化，如果将测量的反光点粘贴在保护管上，则根据阵列受力的不同，保护管上的反光点无法真实的反应探头的实际位置，三维测量出来的结果和实际探头位置存在随机误差，难以满足测量需求。

同时，水听器阵列在阵列支撑空间框架内的安装方式，是由若干条阵列组成的内部双圆锥形态或外围圆柱形形态。在对水听器在阵列进行三维测量的过程中，这些阵列安装结构相互之间存在遮挡，导致拍摄时出现漏点的情况，为了重新拍照补充漏点，需要花费大量时间。

水听器阵列进行三维测量时，测量设备与水听器阵列保持一定的距离，才能满足测量条件。由于阵列支撑空间框架结构尺寸较大，在进行测量时，无法从框架底端、顶端这两个角度对水听器阵列进行测量，在后期软件拟合时，这两个角度往往出现加大范围的漏点情况，此种漏点无法补测，在拟合时人工参与工作量较大，时间较长，且参与拟合的人员需对阵列支撑空间框架以及阵列有一定的认识，设备的适用性不够。

因此，目前对水听器阵列进行三维测量的过程中，在对阵列进行加力时，无法对阵列所实施的拉力进行量化，导致每次阵列安装时，拉力不一致，水听器探头会在保护管内发生位置上的变化，如果将测量的反光点粘贴在保护管上，则根据阵列受力的不同，保护管上的反光点无法真实的反应探头的实际位置。同时，阵列安装结构相互之间存在遮挡，导致拍摄时出现漏点，尤其是无法从框架顶部和底部这两个角度对水听器阵列进行测量，从而漏掉对水听器阵列的顶部和底部的测量。这些问题都会影响水听器阵列的测量性能，导致水听器阵列测量不准确且测量效率低。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种水听器阵列的三维坐标标定系统，该系统包括：水听器阵列、阵列支撑空间框架和三维坐标测量装置，水听器阵列与阵列支撑空间框架连接，阵列支撑空间框架用于支撑水听器阵列，三维坐标测量装置用于测定水听器阵列的三维坐标；水听器阵列与阵列支撑空间框架之间的连接处设有第一锁紧装置和第二锁紧装置，第一锁紧装置分别与水听器阵列和阵列支撑空间框架直接连接，第二锁紧装置分别与水听器阵列和阵列支撑空间框架直接连接；第一锁紧装置的长度可调，第二锁紧装置的长度固定。

优选地，第一锁紧装置的两端分别为第一临时拉伸环和第二临时拉伸环，第一锁紧装置通过第一临时拉伸环与水听器阵列连接，第一锁紧装置通过第二临时拉伸环与阵列支撑空间框架连接；第二锁紧装置的两端分别为第一固定拉伸环和第二固定拉伸环，第二锁紧装置通过第一固定拉伸环与水听器阵列连接，第二锁紧装置通过第二固定拉伸环与阵列支撑空间框架连接。

优选地，水听器阵列包括多个水听器探头，水听器探头的探头骨架包括骨架本体、第一反光环和第二反光环；骨架本体的两端分别设有一个凸起，凸起的截面与骨架本体的截面平行，凸起的截面面积小于骨架本体的截面面积；凸起的表面设有外螺纹，第一反光环和第二反光环的内表面分别设有与外螺纹匹配的内螺纹，第一反光环与骨架本体一端的凸起连接，第二反光环与骨架本体另一端的凸起连接；其中，第一反光环和第二反光环的外表面均粘贴有反光点或反光粉。

优选地，水听器阵列的头部和尾部分别与阵列支撑空间框架连接，阵列支撑空间框架的顶端与水听器阵列的顶端连接，阵列支撑空间框架的底部与水听器阵列的底部连接。

优选地，三维坐标测量装置包括摄影测量装置和三维扫描装置。

优选地，三维扫描装置包括激光扫描器和成像计算机。

优选地，阵列支撑空间框架两端的结构件等比分割。

优选地，阵列支撑空间框架的材料包括钢。

优选地，水听器阵列为光纤水听器阵列。

本发明实施例提供了一种水听器阵列的三维坐标标定系统，在水听器阵列方面，对现有的水听器阵列及其安装方式进行重新设计，在水听器阵列和阵列支撑空间框架之间设置长度可调的第一锁紧装置和长度固定的第二锁紧装置，该系统在安装时，首先通过第一锁紧装置将水听器阵列与阵列支撑空间框架连接，使得水听器阵列的姿态成为一条直线；然后通过第二锁紧装置将水听器阵列与阵列支撑空间框架连接，使得水听器阵列的位置固定，由此使得水听器阵列与阵列支撑空间之间呈直线固定连接，在对水听器阵列进行加力时，能对水听器阵列提供定量的拉力数据，使得每次水听器阵列安装时拉力一致，从而使得水听器中探头的位置保持不变，提高对水听器阵列的三维坐标标定准确性和效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的水听器阵列与阵列支撑空间框架连接处的结构示意图；

图2为本发明实施例的水听器探头的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前对水听器阵列进行三维测量过程中，阵列安装结构相互之间存在遮挡，导致拍摄时出现漏点，尤其是无法从框架顶部和底部这两个角度对水听器阵列进行测量，从而漏掉对水听器阵列的顶部和底部的测量。同时，在对阵列进行加力时，无法对阵列所实施的拉力进行量化，导致每次阵列安装时，拉力不一致，水听器探头会在保护管内发生位置上的变化，如果将测量的反光点粘贴在保护管上，则根据阵列受力的不同，保护管上的反光点无法真实的反应探头的实际位置。这些问题都会影响水听器阵列1的测量性能，导致水听器阵列测量不准确且测量效率低。

图1为本发明实施例的水听器阵列与阵列支撑空间框架连接处的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供一种水听器阵列的三维坐标标定系统，该系统包括：水听器阵列1、阵列支撑空间框架2和三维坐标测量装置3，水听器阵列1与阵列支撑空间框架2连接，阵列支撑空间框架2用于支撑水听器阵列1，三维坐标测量装置3用于测定水听器阵列1的三维坐标。水听器阵列1与阵列支撑空间框架2之间的连接处设有第一锁紧装置4和第二锁紧装置5，第一锁紧装置4分别与水听器阵列1和阵列支撑空间框架2直接连接，第二锁紧装置5分别与水听器阵列1和阵列支撑空间框架2直接连接；第一锁紧装置4的长度可调，第二锁紧装置5的长度固定。

具体地，将水听器阵列1安装在阵列支撑空间框架2上，通过阵列支撑空间框架2支撑起水听器阵列1，将三维坐标测量装置3与水听器阵列1保持一定距离，通过三维坐标测量装置3测量水听器阵列1的三维坐标进行测定。

进一步地，水听器阵列1安装时，需要给水听器阵列1一定的拉力，将水听器阵列1的一端固定，将水听器阵列1的另一端用锁紧装置进行拉伸，使阵列的态势成为一条直线。常规安装方法一般仅采用临时锁紧装置将水听器阵列1和阵列支撑空间相连，当水听器阵列1和阵列支撑空间链接后取下临时锁紧装置，该过程中由于临时锁紧装置无法提供定量的拉力数据，因此临时锁紧装置的状态呈随机状态，因此无法保证水听器阵列1的态势成为一条直线。由此，水听器阵列1会随着整体受力的变化，而导致三维坐标也随之变化。

本发明实施例在水听器阵列1和阵列支撑空间框架2之间设置长度可调的第一锁紧装置4和长度固定的第二锁紧装置5，水听器阵列1在安装时，首先通过第一锁紧装置4将水听器阵列1与阵列支撑空间框架2连接，使得水听器阵列1的姿态成为一条直线；然后通过第二锁紧装置5将水听器阵列1与阵列支撑空间框架2连接，使得水听器阵列1的位置固定，由此使得水听器阵列1与阵列支撑空间之间呈直线固定连接，在对水听器阵列1进行加力时，能对水听器阵列1提供定量的拉力数据，使得每次水听器阵列1安装时拉力一致，从而使得水听器中探头的位置保持不变，提高对水听器阵列1的三维坐标标定准确性和效率。

基于上述实施例，第一锁紧装置4的两端分别为第一临时拉伸环和第二临时拉伸环，第一锁紧装置4通过第一临时拉伸环与水听器阵列1连接，第一锁紧装置4通过第二临时拉伸环与阵列支撑空间框架2连接；第二锁紧装置5的两端分别为第一固定拉伸环和第二固定拉伸环，第二锁紧装置5通过第一固定拉伸环与水听器阵列1连接，第二锁紧装置5通过第二固定拉伸环与阵列支撑空间框架2连接。

具体地，第一锁紧装置4通过第一临时拉伸环与水听器阵列1连接，并通过第二临时拉伸环与阵列支撑空间框架2连接，从而使得第一锁紧装置4的长度可调；第二锁紧装置5通过第一固定拉伸环与水听器阵列1连接，并通过第二固定拉伸环与阵列支撑空间框架2连接，从而使得第二锁紧装置5的长度固定。当水听器阵列1和阵列支撑空间框架2连接之后，将第一锁紧装置4取下，仅通过第二锁紧装置5将水听器阵列1和阵列支撑空间框架2连接。

本发明实施例在水听器阵列1安装初始阶段，通过两端为临时拉伸环、长度可调的第一锁紧装置4将水听器阵列1和阵列支撑空间框架2连接，使得水听器阵列1的姿态呈直线，然后再通过两端为固定拉伸环、长度固定的第二锁紧装置5将水听器阵列1和阵列支撑空间框架2连接，使得水听器阵列1能固定安装，由此使得水听器阵列1能保持直线固定在阵列支撑空间框架2上。

基于上述实施例，图2为本发明实施例的水听器探头的结构示意图，如图2所示，水听器阵列1包括多个水听器探头，水听器探头的探头骨架包括骨架本体6、第一反光环和第二反光环；骨架本体6的两端分别设有一个凸起，凸起的截面与骨架本体的截面平行，凸起的截面面积小于骨架本体的截面面积；凸起的表面设有外螺纹，第一反光环和第二反光环的内表面分别设有与外螺纹匹配的内螺纹，第一反光环与骨架本体一端的凸起连接，第二反光环与骨架本体另一端的凸起连接；其中，第一反光环和第二反光环的外表面均粘贴有反光点或反光粉。

本发明实施例鉴于传统的水听器阵列1安装时，水听器阵列1会随着整体受力的变化，而导致三维坐标也随之变化，尤其是导致水听器探头会在保护管内发生位置的变化，如果将反光点粘贴在保护管上，则根据水听器阵列1受力的不同，保护管上的反光点无法真实的反应水听器的探头的位置，测量出来的探头位置和探头实际位置存在随机误差，难以满足测量需求。因此水听器探头的骨架在设计时，应充分考虑反光点的安装位置需求，将反光点粘贴在水听器探头的骨架上，就避免了水听器阵列1的保护管上的反光点无法真实反映水听器探头位置的情况。

具体地，水听器探头的骨架在设计时，应充分考虑反光点的安装位置需求。鉴于常规测量方式，在三维测量时出现的异常情况，在进行结构设计时，将三维测量用的反光点粘贴在水听器骨架上，这样就避免了水听器阵列1保护管上的反光点无法真实反应探头位置的情况。若将常规反光贴直接粘贴在骨架上，则人工投入较大，且由于人工粘贴时粘贴公差无法保证，所以在设计骨架时，单个骨架由三部分组成，一个是骨架本体6，另外两个是反光环。首先在骨架的两头设计两个台阶，台阶上设计有外螺纹结构，螺纹宽度大于6mm，而反光环表面粘贴反光点或者反光粉，内部设计为内螺纹，在阵列成阵时，将反光环跟随骨架等一起安装，当阵列组装完成后，将反光环通过内外螺纹与骨架连接，这样反光环的粘贴可和阵列生产相隔离，且反光环安装借助精密加工的螺纹完成，将人工安装的公差控制在机械精加工的规定范围内，且加工误差小于0.1mm。

基于上述实施例，水听器阵列1的头部和尾部分别与阵列支撑空间框架2连接，阵列支撑空间框架2的顶端与水听器阵列1的顶端连接，阵列支撑空间框架2的底部与水听器阵列1的底部连接。

具体地，由于低频声音信号在水中传输的波长较长，空间测量系统需提供较大的尺寸来完成信号测量，阵列支撑空间框架2结构设计时，应充分考虑三维测量时的拍摄角度和结构件的相互遮挡问题，首先在设计阵列支撑空间框架2阵列安装结构时，阵列支撑空间框架2顶端的阵列安装结构应处于水听器阵列1的顶部，而底部阵列安装结构应处于水听器阵列1的底端，这样拍摄人员在进行拍摄时，尽量将水听器探头上的反光点面对测量系统，可避免顶部、底部的安装结构对反光点的遮挡，降低拍摄角度的需求，避免漏点的发生。

基于上述实施例，三维坐标测量装置3包括摄影测量装置和三维扫描装置。

本发明实施例中的三维坐标测量装置3分为两类，一类为摄影测量装置，另外一类为三维扫描装置。以上两部分全部采用非接触的方式对设备进行三维坐标测量。摄影测量用于大面积大范围的三维坐标测量，而扫描系统则适用于设备密集度较高场合使用。

在水听器阵列组成的大尺寸空间测量系统中，头部和尾部之间，阵列之间，探头之间的距离较大，适合采用摄影系统进行测量，效率高；而水听器阵列的中间部分，具有密度大、相邻探头间距小密度大，阵列间距小等特点，采用摄影测量装置，拍摄照片时相互遮挡严重，漏点情况突出，耗时耗力，此时采用近距离扫描系统，则可以细致的对这部分探头进行坐标测量，效率高、准确度高。

进一步地，摄影测量装置用于对较大面积的设备、部件进行远距离拍照系统，能够在1～20米的测量距离范围内保持0.025mm/m的超高精度计量精度。测量系统是通过同一相机拍摄的多张相片，计算出物体表面上多个特征点的三维坐标。

表1

具体地，表1为摄影测量装置的内容清单，如表1所示，摄影测量装置在进行三维测量时，用双面胶将编码片粘贴到阵列支撑空间框架的相关位置处，主要针对于前后两次测试时的转角位置。在阵列支撑空间框架上粘贴定位标记点，这些标记点用来对体积阵整理框架进行标记扫描。在阵列支撑空间框架的固定位置放置标定比例尺，左右两端放置两个升降云梯，方便对阵列支撑空间框架及水听器阵列进行多角度测量。

基于上述实施例，三维扫描装置包括激光扫描器和成像计算机。

常用的三维扫描技术根据传感的方式不同，分为接触式和非接触式两种。接触式的采用探测器直接接触物体表面，通过探测器反馈回来的光电信号转换为数字面型信息，从而实现物体面型的扫描和测量。接触式测量系统具有较高的准确性和可靠性，配合测量软件，可快速准确的测量出物体的基本几何形状，缺点是，测量费用较高，探头容易磨损，对于测量一些内部元件具有先天的缺陷，且探头在测量时，接触探头的力将使探头尖端部分与被测物体之间发生局部变形而影响测量结果。非接触式的测量系统采用光电方法对曲面的三维形状进行快速测量，常用的有：激光扫描、结构光扫描和工业ct等方式。

表2

具体地，表2为三维扫描装置的内容清单，如表2所示，考虑到水听器阵列的结构较为复杂，选择激光扫描方式对水听器阵列的中间部分进行扫描，通过激光发生器发生光线到水听器阵列表面，采用传感器在另外一侧观测变形的光线，通过调节光刀变形还原水听器阵列的三维信息。三维扫描时，扫描主机连接计算机，打开运行扫描软件，用扫描主机对准水听器阵列表面进行扫描，计算机通过扫描软件即可识别出水听器阵列的表面轮廓以及关键点的三维坐标，三维扫描装置进行现场扫描。

基于上述实施例，阵列支撑空间框架两端的结构件等比分割。

具体地，水听器阵列安装结构在设计时，考虑焊接等实际操作问题，应对阵列支撑空间框架两端的结构件进行适当的等比分割，避免因为不均匀分割导致中间，空间阵列之间间距不同，增加拍摄难度。

进一步地，为了保证水听器阵列的稳定，用于支撑水听器阵列的阵列支撑空间框架应采用钢性较好的材料完成，避免因为阵列支撑空间框架的钢度不够而使水听器阵列变形。因此，阵列支撑空间框架的材料包括钢。

需要说明的是，目前，光纤水听器阵列能适用于远距离、大范围的水下检测，因此应用广泛，本发明实施例中的水听器阵列为光纤水听器阵列。

本发明实施例提供了一种水听器阵列的三维坐标标定系统，在水听器阵列方面，对现有的水听器阵列及其安装方式进行重新设计，在水听器阵列和阵列支撑空间框架之间设置长度可调的第一锁紧装置和长度固定的第二锁紧装置，该系统在安装时，首先通过第一锁紧装置将水听器阵列与阵列支撑空间框架连接，使得水听器阵列的姿态成为一条直线；然后通过第二锁紧装置将水听器阵列与阵列支撑空间框架连接，使得水听器阵列的位置固定，由此使得水听器阵列与阵列支撑空间之间呈直线固定连接，在对水听器阵列进行加力时，能对水听器阵列提供定量的拉力数据，使得每次水听器阵列安装时拉力一致，从而使得水听器中探头的位置保持不变，提高对水听器阵列的三维坐标标定准确性和效率。

以上所描述的装置及设备等实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。