CN100447531C - 便携式多波束测深仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种便携式多波束测深仪，它包括水上控制处理分机、收发合置换能器阵和收发转换电路；其中，水上控制处理分机主要由工控机、可编程信号源、信号发射系统、信号调理系统、信号采集与处理系统、显示器和海量存储器组成。本发明它利用多通道换能器阵和预成多波束技术，一次测量可以得到多点的水深数据，从而快速、准确的获得海底地形、地貌等信息，提高了测量的准确性和工作效率，换能器基阵采用船舷悬挂的方式从而具有便于安装和使用的便携式特性。本发明可广泛用于浅海和内陆湖泊江河的水下地形测量，适用于海洋工程、海道测量、海洋资源调查、打捞救生、港口建设、水库测量、抗洪抢险以及知道河道疏浚、水上安全航行等。

Description

便携式多波束测深仪

(一)技术领域

本发明涉及探测领域，具体涉及的是一种多波束测深仪。

(二)背景技术

随着科学技术不断发展，人类的活动空间已经基本上达到了世界的每一个角落。由于地球上70％以上的面积都被水体覆盖，其中包括海洋、江河湖泊和水库等，因此很多科学和工程领域都涉及到对水下地形的测量，例如水下施工、港口建设、航道测量等。

国外从上个世纪中期就开始研制水下地形探测设备，经过几十年的发展更迭，从开始的单波束测深仪，到后来的多波束测深仪，已形成了系列化的产品以满足用户的不同需求。而在国内，目前能够查阅到的关于水下地形探测设备的资料、专利以及产品，涉及的基本都是单波束测深仪(单频或双频)。这种原型诞生于上个世纪50年代的测深仪的出现曾经为人类开发利用海洋和江河湖泊带来极大的便利，但在今天，它们的缺陷已大大限制了我国社会日益频繁的水事活动。

单波束测深仪的工作原理为：向测量船正下方发射探测超声波，通过测量发射与接收声波之间的时间差来测量水深。单波束测深仪的根本缺陷在于，每次只能给出测量船正下方的水深，因此只能实现“点-线”测量，在大面积测量时效率很低。另外，为了避免测量船纵、横摇的影响，单波束测深仪要求比较宽的波束(通常在±10°左右)，这也导致测量精度较低。由于上述这两方面的限制决定了单波束测深仪已经不适合当前繁多水事活动迫切需求。

多波束测深理论是上个世纪八十年代初提出的，其将传统的“点-线”测量，扩展为“线-面”，从而极大地提高了测量效率。由于多波束测深仪采用了预成多波束技术，因此波束角都相对较窄，再加上先进的新好处理方法，可以大大提高的测量精度。

由于我国的水下地形测量技术与设备的研制大大落后于西方国家，因此目前国内所适用的多波束测量设备主要以进口国外的水下地形探测设备为主，然而这些设备价格昂贵，并且安装、使用和维护等多有不便，种种客观事实清楚表明了我国对便于安装、使用的低成本水下地形探测设备的强烈需求。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种可以便利的携带到不同水域进行水下地形测量的低成本、高效率、便于安装和使用的便携式多波束测深设备。

本发明的目的是这样实现的：它包括水上控制处理分机1、收发合置换能器阵2和收发转换电路3，所述的水上控制处理分机1由工控机8、可编程信号源4、信号发射系统5、信号调理系统7、信号采集与处理系统6、显示器9、海量存储器10和辅助测量设备接口11组成；其中，工控机8、可编程信号源4、信号发射系统5与收发转换电路3依次电信号连接；收发转换电路3与信号调理系统7、信号采集与处理系统6、工控机8、海量存储器10依次电信号连接；信号采集与处理系统6与辅助测量设备接口11电信号连接；工控机8与显示器9之间电信号连接；收发转换电路3与换能器阵2之间电信号连接。

本发明还有这样一些特征：

1、所述的可编程信号源4由数字信号处理器DSP13、总线控制器12、数模变换器14和波形整形电路15组成；其中，总线控制器12、数字信号处理器DSP13、数模变换器14与波形整形电路15依次电信号连接；

2、所述的信号采集与处理系统6由总线接口控制器16、高速存储器17、中央逻辑控制器24、模数变换器25、自动增益控制器26、数据采集DSP23、数据处理DSP1、数据处理DSP2、数据处理DSP3、数据处理DSP4和辅助设备数据采集与系统控制DSP20组成；其中，总线接口控制器16与高速存储器17、中央逻辑控制器24之间依次电信号连接；总线接口控制器16又与辅助设备数据采集与系统控制DSP20、辅助测量设备接口11之间依次电信号连接：辅助设备数据采集与系统控制DSP20与中央逻辑控制器24电信号连接；数据采集DSP23、数据处理DSP1、数据处理DSP2、数据处理DSP3、数据处理DSP4与高速存储器17之间电信号连接；数据采集DSP23、模数变换器25、自动增益控制器26之间电信号连接；同时数据处理DSP1、数据处理DSP2、数据处理DSP3和数据处理DSP4构成并行处理网络；

3、所述的收发合置换能器阵2是由等间距多通道换能器组成的均匀线阵，安装方式采用船底龙骨固定或船舷悬挂。

本发明利用多通道收发合置换能器阵和预成多波束技术，解决了一个测量周期内得到多个水深数据(21个)问题，大大提高测量效率；利用回波信号的能量中心检测大大提高了测量的精度；利用先进的信号处理器和大规模进程电路使得系统具有体积小、重量轻、便于安装和使用的特点。

其中，水上控制处理分机1完成对整个系统运行的控制，信息的实时采集处理、显示及存储。水上控制处理分机1由工控机8、可编程信号源4、信号发射系统5、信号调理系统7、信号采集与处理系统6、显示器9、海量存储器10和辅助测量设备接口11组成；其中，工控机8、可编程信号源4、信号发射系统5与收发转换电路3依次采用电信号连接；收发转换电路3与信号调理系统7、信号采集与处理系统6、工控机8、海量存储器10依次采用电信号连接；信号采集与处理系统6与辅助测量设备接口11采用电信号连接；工控机8与显示器9之间电信号连接；收发转换电路3与换能器阵2之间采用电信号连接。

收发合置换能器阵2是由等间距多通道换能器组成的均匀线阵，其通道数由探测指标的要求决定，其安装方式可采用船底龙骨固定或船舷悬挂。其结合收发转换电路3，在发射探测信号时，将电信号转换为声波发射出去，而在接收水底回波时，将声信号转换为电信号，传给水上控制处理分机1。

可编程信号源4的任务是接收工控机8的工作参数和控制命令，并产生脉冲宽度和发射周期可调的探测脉冲波形，其组成包括：数字信号处理器DSP 13、总线控制器12、数模变换器14和波形整形电路15组成；其中，总线控制器12、DSP13、数模变换器14与波形整形电路15依次采用电信号连接，另外其所产生的信号形式、脉冲宽度、脉冲间隔可通过程序控制。

信号发射系统5完成探测脉冲信号的功率放大和发射，并与收发合置换能器阵2进行阻抗匹配。

信号调理系统7完成对由收发合置换能器阵2所获得的多通道水底回波进行调理，主要包括信号的方法和滤波。

信号采集与处理系统6的任务是完成对信号调理系统7送来的信号进行采集和处理、接收工控机3给出的控制命令并实时设置系统工作参数、产生协调整个系统工作的同步信号，其构成包括：总线接口控制器16、高速存储器17、中央逻辑控制器24、模数变换器25、自动增益控制器26、数据采集DSP23、数据处理DSP1、数据处理DSP2、数据处理DSP3、数据处理DSP4和辅助设备数据采集与系统控制DSP20组成；其中，总线接口控制器16与高速存储器17、中央逻辑控制器24之间依次采用电信号连接；总线接口控制器16又与辅助设备数据采集与系统控制DSP20、辅助测量设备接口11之间依次采用电信号连接；辅助设备数据采集与系统控制DSP20与中央逻辑控制器24采用电信号连接；数据采集DSP23、数据处理DSP1、数据处理DSP2、数据处理DSP3、数据处理DSP4与高速存储器17之间采用电信号连接；数据采集DSP23、模数变换器25、自动增益控制器26之间采用电信号连接；同时数据处理DSP1、数据处理DSP2、数据处理DSP3和数据处理DSP4构成并行处理网络。

本发明的工作原理是：

便携式多波束测深仪安装在水面测量船上，换能器阵2位于水下。当测量船在作业水域内开始测量时，便携式多波束测深仪操作人员，根据作业海区的大致情况，通过显示控制软件设定系统的工作参数，并通过控制软件启动系统开始工作。可编程信号源4产生频率为180千赫兹的CW脉冲，通过信号发射系统5放大，经由换能器阵2把电信号转换成声信号发射到水中传送出去，发射出去的声波被水底反射散射回来，换能器阵2把接收到的声信号转换为电信号，传送给信号调理系统7，继而将调理后的信号送至信号采集与处理系统6进行采集和处理，从而获取探测范围内的多点水深数据，并经由计算机总线传给工控机8，在显示器9上实时显示出观测到的各种信息，同时将这些信息存入海量存储器10。

本发明的优点是：将传统的“点-线”测量升级“线-面”测量，能够高效、准确的获取水深数据，从而形成二维或三维水下地形图。它利用多通道换能器阵和预成多波束技术，一次测量可以得到多点的水深数据，从而快速、准确的获得海底地形、地貌等信息，提高了测量的准确性和工作效率，另外它采用了大规模集成电路技术使得自身体积大大减小，换能器基阵可以采用船舷悬挂的方式从而具有便于安装和使用的便携式特性。本发明可广泛用于浅海和内陆湖泊江河的水下地形测量，适用于海洋工程、海道测量、海洋资源调查、打捞救生、港口建设、水库测量、抗洪抢险以及知道河道疏浚、水上安全航行等。

(四)附图说明

图1是便携式多波束测深仪的结构原理框图；

图2是便携式多波束测深仪的分系统结构框图；

图3是便携式多波束测深仪自动增益控制电路原理图。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的具体说明：

结合图1-2，本发明包括水上控制处理分机1、收发合置换能器阵2和收发转换电路3，所述的水上控制处理分机1由工控机8、可编程信号源4、信号发射系统5、信号调理系统7、信号采集与处理系统6、显示器9、海量存储器10和辅助测量设备接口11组成；其中，工控机8、可编程信号源4、信号发射系统5与收发转换电路3依次电信号连接；收发转换电路3与信号调理系统7、信号采集与处理系统6、工控机8、海量存储器10依次电信号连接；信号采集与处理系统6与辅助测量设备接口11电信号连接；工控机8与显示器9之间电信号连接；收发转换电路3与换能器阵2之间电信号连接。所述的可编程信号源4由数字信号处理器DSP13、总线控制器12、数模变换器14和波形整形电路15组成；其中，总线控制器12、DSP13、数模变换器14与波形整形电路15依次电信号连接；所述的信号采集与处理系统6由总线接口控制器16、高速存储器17、中央逻辑控制器24、模数变换器25、自动增益控制器26、数据采集DSP23、数据处理DSP1、数据处理DSP2、数据处理DSP3、数据处理DSP4和辅助设备数据采集与系统控制DSP20组成；其中，总线接口控制器16与高速存储器17、中央逻辑控制器24之间依次电信号连接；总线接口控制器16又与辅助设备数据采集与系统控制DSP20、辅助测量设备接口11之间依次电信号连接；辅助设备数据采集与系统控制DSP20与中央逻辑控制器24电信号连接；数据采集DSP23、数据处理DSP1、数据处理DSP2、数据处理DSP3、数据处理DSP4与高速存储器17之间电信号连接；数据采集DSP23、模数变换器25、自动增益控制器26之间电信号连接；同时数据处理DSP1、数据处理DSP2、数据处理DSP3和数据处理DSP4构成并行处理网络；所述的收发合置换能器阵2是由等间距多通道换能器组成的均匀线阵，安装方式采用船底龙骨固定或船舷悬挂。

其中，各部分的作用分别说明如下：

在工控机8上运行的系统实时显示控制软件，通过计算机总线，利用鼠标或键盘分别输入工作参数和控制命令至可编程信号源4上的DSP13和信号采集与处理系统6上的辅助设备数据采集与系统控制DSP20，控制命令包括：启动命令、暂停命令、停止命令，工作参数包括：脉冲长度、发射功率级、探测周期；还可以实时显示从数据采集与处理系统6传送来的多点水深数据，并将这些信息存入海量存储器10。

所述的可编程信号源4通过程序控制所产生的信号形式、脉冲宽度和脉冲间隔；可编程信号源4上的DSP13通过总线控制接收来自工控机8的工作参数和控制命令，产生采样信号，通过数模变换器14、波形整形电路15和收发转换电路3将电信号送至换能器阵2，再由换能器2将电信号转变为声信号传入水中。信号源最终所产生的信号形式为200千赫兹的单频填充脉冲信号。

经过一段发射混响持续时间后，收发转换电路3将状态变为接收，水底回波通过换能器阵2、收发转换电路3进入信号调理系统7进行预放大和滤波之后，通过自动增益控制电路26进入模数变换器25，信号采集与处理系统6上的数据采集DSP23通过模数变换器25采集每个通道的回波数据，并监视回波的幅度，根据回波幅度的大小不同调整自动增益控制器26的放大量将回波的幅度控制在合适的量级。数据采集DSP23将有效的回波数据分给由数据处理DSP1、数据处理DSP2、数据处理DSP3数据处理DSP4组成的并行处理网络进行深度估计，并将处理结果通过中央路基控制器24存入高速存储器17中，工控机8通过总线接口控制器16将水深数据读回在显示器9上显示，并同时将测量结果存入海量存储器10中，从而完成一次测量。辅助测量设备接口11与姿态传感器和GPS系统相连为测量提供导航定位和在西姿态信息。

收发合置换能器阵2采用8个陶瓷窄条晶片拼接组成。形成8°×60°的发射指向性，以及8°×2.5°的接收指向性。

本发明的换能器阵2安装在船龙骨下方或者舷侧，为了保证探测效果，安装时，换能器阵2的中轴线尽量与水面平行。从减少航行噪声(机械传导噪声和螺旋桨噪声)、减少或避开气泡层等方面考虑，换能器阵2尽量选择在船舶航行时产生水花最小及船体颠簸、摇摆幅度也最小的地方，一般在离船艏三分之一至五分之二的位置，而且吃水深度不应超过龙骨的深度。系统中所有的DSP都采用美国TI公司的TMS320VC5416-160MHz，可编程信号源4的总线接口控制器12采用的是TI公司的PCI2040，数模变换器14采用的是AD公司的AD7945，波形整形电路15中的滤波器采用AD公司的运算放大器AD8066构成，信号采集与处理系统6中的总线接口控制器16采用的是AMCC公司的S5933，中央逻辑控制器24采用的是ALTERA公司的EPM3512，模数变换器25选用的是AD公司的AD7865，信号调理系统7中的预放和滤波器采用AD公司的运算放大器AD8066构成，自动增益控制电路26采用AD公司的乘法数模转换器AD7945实现。

由220VAC或48VDC给系统上电后，可编程信号源4和信号采集与处理系统6分别引导程序，进入待机状态，启动水上控制处理分机1内的显示控制软件，进行参数设置。发射声功率(标准、强)两档可调，探测脉冲长度(0.25ms、0.5ms、1ms、2ms)四档可调，探测周期(0.25s、0.5s、1s、2s)四档可调。

完成工作参数设置后，按启动命令使便携式多波束测深仪开始工作，工作流程为：信号源4按照设定的工作参数产生对应的探测信号，通过信号发射系统5以一定的功率发射出去。信号调理系统7在信号发射系统5的探测信号发射完毕后开始接收。同时，信号采集与处理系统6中的数据采集DSP23开始采集，并送入由数据处理DSP1、数据处理DSP2数据处理DSP3和数据处理DSP4组成的并行处理网络进行深度估计，从而得到多点的水深数据，工控机8通过总线接口控制器16读回水深数据，并在显示器9上显示，同时将测量结果存入海量存储器10。

结合图3，本发明采用了大规模集成电路进行电路控制，仅以自动增益控制电路为例，图中U7为锁存器，选用元件型号为SN7416543，用于锁存增益控制码；U8、U9、U10为四与门，选用元件型号为SN74LV08A，用于将增益控制码与一方波信号进行与运算输出具有一定频率的增益码至乘法DA进行增益控制。本发明中其它部分的控制电路均可采用现有技术实现，这里就不一一细举。

Claims (4)

1.一种便携式多波束测深仪，它包括水上控制处理分机(1)、收发合置换能器阵(2)和收发转换电路(3)，其特征在于所述的水上控制处理分机(1)由工控机(8)、可编程信号源(4)、信号发射系统(5)、信号调理系统(7)、信号采集与处理系统(6)、显示器(9)、海量存储器(10)和辅助测量设备接口(11)组成；其中，工控机(8)、可编程信号源(4)、信号发射系统(5)与收发转换电路(3)依次电信号连接；收发转换电路(3)与信号调理系统(7)、信号采集与处理系统(6)、工控机(8)、海量存储器(10)依次电信号连接；信号采集与处理系统(6)与辅助测量设备接口(11)电信号连接；工控机(8)与显示器(9)之间电信号连接；收发转换电路(3)与换能器阵(2)之间电信号连接。

2.根据权利要求1所述的便携式多波束测深仪，其特征在于所述的可编程信号源(4)由数字信号处理器DSP(13)、总线控制器(12)、数模变换器(14)和波形整形电路(15)组成；其中，总线控制器(12)、数字信号处理器DSP(13)、数模变换器(14)与波形整形电路(15)依次电信号连接。

3.根据权利要求1所述的便携式多波束测深仪，其特征在于所述的信号采集与处理系统(6)由总线接口控制器(16)、高速存储器(17)、中央逻辑控制器(24)、模数变换器(25)、自动增益控制器(26)、数据采集DSP(23)、数据处理DSP1(18)、数据处理DSP2(19)、数据处理DSP3(21)、数据处理DSP4(22)和辅助设备数据采集与系统控制DSP(20)组成；其中，总线接口控制器(16)与高速存储器(17)、中央逻辑控制器(24)之间依次电信号连接；总线接口控制器(16)又与辅助设备数据采集与系统控制DSP(20)、辅助测量设备接口(11)之间依次电信号连接；辅助设备数据采集与系统控制DSP(20)与中央逻辑控制器(24)电信号连接；数据采集DSP(23)、数据处理DSP1(18)、数据处理DSP2(19)、数据处理DSP3(21)、数据处理DSP4(22)与高速存储器(17)之间电信号连接；数据采集DSP(23)、模数变换器(25)、自动增益控制器(26)之间电信号连接；同时数据处理DSP1(18)、数据处理DSP2(19)、数据处理DSP3(21)和数据处理DSP4(22)构成并行处理网络。

4.根据权利要求1所述的便携式多波束测深仪，其特征在于所述的收发合置换能器阵(2)是由等间距多通道换能器组成的均匀线阵，安装方式采用船底龙骨固定或船舷悬挂。

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