一种水下穿戴式图像声纳的结构及外观设计

刘锦剑，范新刚

（上海船舶电子设备研究所，上海 201108）

0 引言

在进行水下军事作战、救援、打捞以及在水中设置的安全检查与维修等水中作业过程中，潜水员的视野会受到周围水流，水质的浑浊度的影响。如果水域黑暗且浑浊，潜水员很难清楚地观察到周围情况，对作业效果以及效率造成很大的影响[1-3]。因此，在水下作业时，需用到探测设备对环境进行探测。

目前国内外的小型声纳在使用过程中普遍存在以下问题：体积较大，潜水员只能手持在水下作业，双手被占用，极大限制了潜水员在水下的工作效率；大多采用电缆供电，使用时需从母船吊放到一定水深进行探测，不够灵活，母船很难驶入到浅水域和礁石障碍物较多的水域，容易造成危险；换能器的指向性固定，不能较大幅度的俯仰；操作复杂、参数多，需要潜水员做很多操作才能完成最优设置，造成滞留水下时间过长，增大危险系数[4]。

因此，开发设计一种单兵的穿戴式图像声纳可以有效地解决现存问题。目前国外的可进行潜水员配备的图像声纳仅有Triech公司生产的Gemini 720ik图像声纳，其主要使用在小型ROV等水下设备上。而国内仅有中国船舶重工集团公司七五零研究所开发的TKIS-I头盔式图像声纳，但需要潜水员佩戴头盔，舒适度大为降低[5]。本文主要对所研究的一种穿戴式图像声纳的功能、结构外观进行设计。

1 设备组成及功能

该穿戴式图像声纳设备主要由换能器、腰间盒、锂电池盒以及配备近眼显示的潜水面罩组成。换能器及近眼显示模块安装在潜水面罩上，腰间盒及锂电池盒装配在潜水服上，潜水员携带下水，通过近眼显示模块可以直接观察到探测图像，从而解放双手独立活动。该声纳设备也适于安装在各种潜水器材和水下平台上工作，而且腰间盒顶部还配有换能器的安装接口，可将换能器直接安装在腰间盒上，当只需要巡航探测时，便可作为手持设备进行灵活的探测。

该图像声纳结构紧凑，体积小。采用镁铝合金作为壳体材质，重量轻，操作方便。其工作频率为900kHz，设置了距离和增益等可自复位的选择旋钮，可根据实际情况调节探测距离和输出增益。适用与更多的水下环境。同时，锂电池进行了模块化设计，可以随时水下插拔更换电池，满足设备长时间使用。

2 换能器模块

为了适应不同水文环境和多样化的水下任务，提高声纳的探测距离和分辨率，对换能器的综合性能，如声源级、指向性、灵敏度等性能要求越来越高[6]。换能器是声纳系统的重要组成部分，其性能直接决定了声纳系统的性能[7]。

换能器模块由两个平面阵135°形成交叉组合阵，每个阵均为收发合置。根据单平面阵以波长间隔布阵（f=900kHz）。换能器单个阵的结构尺寸为106mm（长）×16mm（厚），外壳为铝合金整体加工成型，最后连接128芯屏蔽电缆用聚氨酯进行整体灌封，保证水密性。换能器安装处配有快速接头，可适配于潜水面罩，也可适配于腰间盒上成为手持式图像声纳。同时快速接头的连接杆上有均匀分布的小齿，可使换能器阵面上下俯仰调节。当换能器模块与潜水面罩连接时，通过万向接头连接，万向接头可方便潜水员在工作过程中随时调整换能器的探测角度方位。换能器结构外观如图1所示。

图1 换能器模块结构图

3 腰间盒及锂电池模块

腰间盒采用镁铝合金材质，表面阳极氧化后进行染色处理，既保证了壳体的刚度和硬度，耐腐蚀方面也比铝合金有所提高，同时还减轻了设备将近一半的重量。

腰间盒端盖处设置有可选择探测量程的自复位旋钮，开关及增益调节自复位旋钮，状态指示灯，与换能器连接的线缆硫化头，与近眼显示模块连接的Hdmi线缆硫化头。同时，配有8芯的直角水密接插件与锂电池模块连接，可水下进行插拔，更换电池。该8芯水密接插件也是网络传输接口，用于水下工作结束后在岸上进行数据同步传输。

其中，自复位旋钮的结构是该腰间盒的设计核心，既要满足功能选择要求，又要保证水密性，同时还需兼顾水下拨动时的方面性和拨动时的手感。设计该自复位旋钮采用V型滑槽和弹簧的配合结构，如图2所示。当左右拨动旋钮帽时，带动旋转轴左右旋转，同时带动自复位元器件的D型轴，在旋转轴上加工有V型槽，左右旋转旋钮帽时，滑块向上运动压缩弹簧，当松开旋钮帽时，弹簧回复，滑块向下，旋转轴跟随自复位元器件也自复位。这样就能满足对探测距离、增益以及开关的选择动作。

图2 自复位开关结构图

同时，轴上设置有旋转密封圈，既能保证水密性，又能防止旋转旋钮帽时因为间隙而产生的拨动手感的不良感。

腰间盒端盖与壳体之间设置有径向密封和三角密封，led状态指示灯，线缆硫化头以及水密接插件与腰间盒端盖之间，锂电池盒端盖与锂电池盒壳体之间，均有径向和断面密封圈。同时，壳体厚度4mm，经过水压试验，满足潜水员在最大水深60m的水下作业。腰间盒及锂电池模块结构外观如图3所示。

图3 腰间盒及锂电池模块结构外观图

4 近眼显示模块

现代显示技术中的微显示技术与传统的显示技术相比有体积小、重量轻、耗电少、成本低、能实现大容量高清晰度显示等突出优点[8-9]。

根据潜水员常用的潜水装备，选用型号为INTERSPIRO的全闭式面罩。面罩外型如图4所示。根据需求，设计了安装换能器及近眼显示模块的面罩支架，支架可安装在面罩上而不破坏面罩的闭式结构。

图4 INTERSPIRO的全闭式面罩

在潜水面罩的支架上安装万向接头，近眼显示模块安装在万向接头上，可以使得近眼显示模块在眼睛的观测范围内进行上下左右微调，满足不同潜水员的不同瞳距要求，图5所示为近眼显示模块安装图。如图6所示，其中近眼显示模块内部光学及电路单元包含组合透镜、供电传输控制板、OLED微型显示器以及Hdmi传输线缆等，组合透镜由上下棱镜，中间夹着的半反半透膜，下部的曲面透镜胶合而成。可在透镜前方形成适合潜水员观测的视频图像，其视场角为45°，出瞳距离为20mm。将内部光学及电路用壳体进行水密封装，形成近眼显示模块。

图5 近眼显示模块安装图

图6 近眼显示模块内部光学及电路板图

5 结语

该水下穿戴式图像声纳结构设计紧凑，采用分离式设计，各部分分别安装在潜水员腰间及面罩上，从而解放了潜水员的双手，增强了工作安全性和灵活性。同时供电采用外部模式，适配各种容量的电池，可直接水下插拔更换电池模块。在满足水密要求的前提下，设计同时考虑了其适配性，既能满足潜水员的佩戴要求，也能满足水下潜器的安装要求。而且设计时注重其美观性、轻便性以及操作时的手感等。该水下穿戴式图像声纳实物如图7所示。

图7 水下穿戴式图像声纳实物图