一種水下穿戴式圖像聲納的結構及外觀設計

劉錦劍，范新剛

（上海船舶電子設備研究所，上海 201108）

0 引言

在進行水下軍事作戰、救援、打撈以及在水中設置的安全檢查與維修等水中作業過程中，潛水員的視野會受到周圍水流，水質的渾濁度的影響。如果水域黑暗且渾濁，潛水員很難清楚地觀察到周圍情況，對作業效果以及效率造成很大的影響[1-3]。因此，在水下作業時，需用到探測設備對環境進行探測。

目前國內外的小型聲納在使用過程中普遍存在以下問題：體積較大，潛水員只能手持在水下作業，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，使用時需從母船吊放到一定水深進行探測，不夠靈活，母船很難駛入到淺水域和礁石障礙物較多的水域，容易造成危險；換能器的指向性固定，不能較大幅度的俯仰；操作復雜、參數多，需要潛水員做很多操作才能完成最優設置，造成滯留水下時間過長，增大危險系數[4]。

因此，開發設計一種單兵的穿戴式圖像聲納可以有效地解決現存問題。目前國外的可進行潛水員配備的圖像聲納僅有Triech公司生產的Gemini 720ik圖像聲納，其主要使用在小型ROV等水下設備上。而國內僅有中國船舶重工集團公司七五零研究所開發的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]。本文主要對所研究的一種穿戴式圖像聲納的功能、結構外觀進行設計。

1 設備組成及功能

該穿戴式圖像聲納設備主要由換能器、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，通過近眼顯示模塊可以直接觀察到探測圖像，從而解放雙手獨立活動。該聲納設備也適于安裝在各種潛水器材和水下平臺上工作，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，當只需要巡航探測時，便可作為手持設備進行靈活的探測。

該圖像聲納結構緊湊，體積小。采用鎂鋁合金作為殼體材質，重量輕，操作方便。其工作頻率為900kHz，設置了距離和增益等可自復位的選擇旋鈕，可根據實際情況調節探測距離和輸出增益。適用與更多的水下環境。同時，鋰電池進行了模塊化設計，可以隨時水下插拔更換電池，滿足設備長時間使用。

2 換能器模塊

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

換能器模塊由兩個平面陣135°形成交叉組合陣，每個陣均為收發合置。根據單平面陣以波長間隔布陣（f=900kHz）。換能器單個陣的結構尺寸為106mm（長）×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節。當換能器模塊與潛水面罩連接時，通過萬向接頭連接，萬向接頭可方便潛水員在工作過程中隨時調整換能器的探測角度方位。換能器結構外觀如圖1所示。

圖1 換能器模塊結構圖

3 腰間盒及鋰電池模塊

腰間盒采用鎂鋁合金材質，表面陽極氧化后進行染色處理，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，同時還減輕了設備將近一半的重量。

腰間盒端蓋處設置有可選擇探測量程的自復位旋鈕，開關及增益調節自復位旋鈕，狀態指示燈，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，配有8芯的直角水密接插件與鋰電池模塊連接，可水下進行插拔，更換電池。該8芯水密接插件也是網絡傳輸接口，用于水下工作結束后在岸上進行數據同步傳輸。

其中，自復位旋鈕的結構是該腰間盒的設計核心，既要滿足功能選擇要求，又要保證水密性，同時還需兼顧水下撥動時的方面性和撥動時的手感。設計該自復位旋鈕采用V型滑槽和彈簧的配合結構，如圖2所示。當左右撥動旋鈕帽時，帶動旋轉軸左右旋轉，同時帶動自復位元器件的D型軸，在旋轉軸上加工有V型槽，左右旋轉旋鈕帽時，滑塊向上運動壓縮彈簧，當松開旋鈕帽時，彈簧回復，滑塊向下，旋轉軸跟隨自復位元器件也自復位。這樣就能滿足對探測距離、增益以及開關的選擇動作。

圖2 自復位開關結構圖

同時，軸上設置有旋轉密封圈，既能保證水密性，又能防止旋轉旋鈕帽時因為間隙而產生的撥動手感的不良感。

腰間盒端蓋與殼體之間設置有徑向密封和三角密封，led狀態指示燈，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，殼體厚度4mm，經過水壓試驗，滿足潛水員在最大水深60m的水下作業。腰間盒及鋰電池模塊結構外觀如圖3所示。

圖3 腰間盒及鋰電池模塊結構外觀圖

4 近眼顯示模塊

現代顯示技術中的微顯示技術與傳統的顯示技術相比有體積小、重量輕、耗電少、成本低、能實現大容量高清晰度顯示等突出優點[8-9]。

根據潛水員常用的潛水裝備，選用型號為INTERSPIRO的全閉式面罩。面罩外型如圖4所示。根據需求，設計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構。

圖4 INTERSPIRO的全閉式面罩

在潛水面罩的支架上安裝萬向接頭，近眼顯示模塊安裝在萬向接頭上，可以使得近眼顯示模塊在眼睛的觀測范圍內進行上下左右微調，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部光學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。可在透鏡前方形成適合潛水員觀測的視頻圖像，其視場角為45°，出瞳距離為20mm。將內部光學及電路用殼體進行水密封裝，形成近眼顯示模塊。

圖5 近眼顯示模塊安裝圖

圖6 近眼顯示模塊內部光學及電路板圖

5 結語

該水下穿戴式圖像聲納結構設計緊湊，采用分離式設計，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，增強了工作安全性和靈活性。同時供電采用外部模式，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，設計同時考慮了其適配性，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。而且設計時注重其美觀性、輕便性以及操作時的手感等。該水下穿戴式圖像聲納實物如圖7所示。

圖7 水下穿戴式圖像聲納實物圖