CN101149436A

CN101149436A - 超宽覆盖多波束测深侧扫声纳装置

Info

Publication number: CN101149436A
Application number: CNA2007101445638A
Authority: CN
Inventors: 李海森; 周天; 么彬; 樊世斌; 魏玉阔; 陈宝伟; 刘文政; 刘晓
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2007-11-06
Filing date: 2007-11-06
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2027-11-06
Also published as: CN100541229C

Abstract

本发明提供的是一种超宽覆盖多波束测深侧扫声纳装置。它包括水上分机1、水下分机2以及连接二者的电缆11和12；水上分机1以一台嵌入式一体化工控机5为主，结合了信号处理系统6、左侧信号采集与预处理系统7、右侧信号采集与预处理系统8以及左侧信号调理系统9、右侧信号调理系统10；水下分机2由左侧声学仓3和右侧声学仓4组成，右侧声学仓4与左侧声学仓3完全相同，左右对称安装。本发明能够获得超宽覆盖水底地形地貌信息，极大地提高了海洋测绘效率及测量精度；生成数字测深数据和侧扫图像等成果图，使系统具备微地貌与小目标探测能力。

Description

超宽覆盖多波束测深侧扫声纳装置

(一)技术领域

本发明涉及的是一种测量装置，具体地说是一种声纳测量装置。

(二)背景技术

随着现代科学技术的进展，人们通过空间遥测技术获得了人类居住的地球上陆地部分较为精细的地形地貌，并据此指导人们改造自然，开发各种陆路资源为人类社会发展服务。但我们对约占地球表面积71％的水底地形地貌以及大量江河湖泊的水下地形地貌的了解却远未达到人们期望的程度，究其原因是测量对象被浩瀚的水体阻隔，而穿透水体获取水底信息需要借助地形地貌探测设备。

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，直至当前最先进的多波束测深侧扫声纳系统，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或者多波束测深仪。

单波束测深仪向测量船正下方单波束发射探测超声波，然后单波束接收水底散射回波，通过测量发射与接收信号二者之间的时间差来测出水体深度，但不能给出地貌信息。为了避免测量船纵、横摇的影响，要求比较宽的单波束通常在±10°左右，这导致测量精度较低；并且其根本的缺陷是：每次只能给出测量船正下方的水体深度，为了比较全面的了解水域信息，用单波束测量水深必须大大减小两条测线的间距，这导致了人力、物力的极大浪费。这种极低的测量效率直接导致了测量成本的提高，而且得到的测量结果也不能实现全覆盖测量。这两方面的限制决定了单波束测深仪已经不适合当前社会繁多水事活动迫切需求。

多波束测深仪利用发射换能器阵实现探测超声波的宽覆盖发射，并且利用多通道接收换能器线阵在空间形成多个波束，同时接收来自多个方位的水底散射回波信号。估计每个方位水底散射回波信号的到达时刻，并通过计算它与发射时刻之间的时间差得到各个方位水体的深度信息。目前现有的多波束测深仪存在两个性能上的主要缺陷：首先，它只能得到水底的地形信息，即只具备测深功能，而不能输出用于微地貌与小目标探测的侧扫图像；其次，采用的发射基阵阵型不能够实现超宽覆盖以实现高效率探测。

国外不同国家近年来已发展了多种型号的多波束测深侧扫声纳系统，比较先进的美国Simrad公司的EM3002、德国Atlas公司的Fansweep 30等。从系统结构来看，它们均在水下分机中集成了一些电路，从而减小了水上分机的规模；从水上分机的构成来看，它们没有采用一体机的设计方案，水上分机规模较大，因而系统的便携性不强；从技术特点来看，为了实现超宽覆盖，EM3002采用了双侧“V”型布放的Mill’s交叉阵，这种阵型利用窄条线阵进行发射，其能量随着覆盖扇面的展宽而减弱，导致了边缘回波质量低；Fansweep 30采用了马蹄型基阵，具有宽覆盖优势，但工艺复杂成本高，不利于推广使用。

我国是海洋资源大国，海洋中丰富的矿产资源是满足我国人民生活需要和发展经济的重要支柱，但我国却不是海洋开发强国。其最重要的原因就是我国与国际上在水下地形地貌探测设备水平上的差距使得我国在资源勘探、大陆架划界等许多方面受制于他人。由于进口国外高性能多波束测深侧扫声纳系统的价格昂贵，并且使用、维护等多有不便，种种客观事实清楚表明了我国对自主知识产权的超宽覆盖多波束测深侧扫声纳系统的强烈需求。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种超宽覆盖，多通道接收、成本低、效率高的超宽覆盖多波束测深侧扫声纳装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明超宽覆盖多波束测深侧扫声纳装置的组成包括：水上分机1、水下分机2以及连接二者的电缆11和12；水上分机1以一台嵌入式一体化工控机5为主，结合了信号处理系统6、左侧信号采集与预处理系统7、右侧信号采集与预处理系统8以及左侧信号调理系统9、右侧信号调理系统10，其中，工控机5与信号处理系统6之间相互电信号连接，左侧信号调理系统9、左侧信号采集与预处理系统7之间电信号连接，右侧信号调理系统10、右侧信号采集与预处理系统8之间电信号连接，信号采集与预处理系统7、8分别与信号处理系统6电信号连接；水下分机2由左侧声学仓3和右侧声学仓4组成，左侧声学仓3主要包括：左侧信号产生系统13、左侧信号发射系统14、左侧多通道多条发射换能器线阵15、左侧信号放大与滤波系统16以及左侧多通道接收换能器线阵17，其中，左侧信号产生系统13、左侧信号发射系统14、左侧多通道多条发射换能器线阵15依次电信号连接，左侧多通道接收换能器线阵17与左侧信号放大与滤波系统16之间电信号连接，右侧声学仓4与左侧声学仓3完全相同，左右对称安装。

本发明还可以包括：

1、水上分机1与水下分机2之间通过电缆连接，其中，信号处理系统6、电缆11与左侧信号产生系统13、右侧信号产生系统18依次电信号连接；左侧多通道接收换能器线阵17、左侧信号放大与滤波系统16、电缆12与左侧信号调理系统9依次电信号连接；右侧信号放大与滤波系统16、右侧信号放大与滤波系统21、电缆12与右侧信号调理系统10依次电信号连接。

2、信号处理系统6的组成包括：PCI接口控制器23、DSP处理器24、DSP处理器25、DSP处理器26、DSP处理器27、DSP处理器28、DSP处理器29、DSP处理器30、逻辑控制器31、逻辑控制器32、逻辑控制器33以及串口扩展模块34；其中，PCI接口控制器23与逻辑控制器33相互间电信号连接；DSP处理器30、逻辑控制器33相互间电信号连接；串口扩展模块34与DSP处理器30电信号连接；逻辑控制器31与DSP处理器24、DSP处理器25、DSP处理器26、逻辑控制器33相互间电信号连接；逻辑控制器32与DSP处理器27、DSP处理器28、DSP处理器29、逻辑控制器33相互间电信号连接。

3、左侧信号采集与预处理系统7的组成包括：逻辑控制器34、DSP处理器35、海量存储器36、FIFO存储器组37以及模数转换器组38；其中，逻辑控制器34和逻辑控制器31、DSP处理器35相互间电信号连接；逻辑控制器34和海量存储器36电信号连接；模数转换器组38、FIFO存储器组37和逻辑控制器34依次电信号连接。

4、左侧信号调理系统9的组成包括依次电信号连接的带通滤波器组48、可变增益放大器组47、带通滤波器组46、固定增益放大器组45以及带通滤波器组44。

5、左侧信号放大与滤波系统16的组成包括依次电信号连接的固定增益放大器组50和带通滤波器组49。

6、左侧信号产生系统13的组成包括依次电信号连接的温湿度传感器52和逻辑控制器51；逻辑控制器51和DSP处理器30相互连接。

7、左侧信号发射系统14的组成包括依次电信号连接的功率放大器组53和与多通道多条发射换能器线阵15进行匹配的阻抗匹配器组54组成。

各部分的作用分别说明如下：

在嵌入式一体化工控机5上运行的系统实时显示控制软件，通过PCI接口控制器23，利用鼠标或键盘分别输入工作参数和控制命令至信号处理系统6上的逻辑控制器33，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；还可以实时显示并存储从数据处理系统6传送来的辅助测量设备的输出信息、解算出的水底地形地貌信息以及生成的数字测深数据和侧扫图像等成果图。

DSP处理器30通过PCI接口控制器23和DSP处理器33接收嵌入式一体化工控机5传送的控制命令和工作参数、通过串口扩展模块34实时读取并存储辅助设备的测量信息、根据获取的测量母船姿态信息控制信号产生系统13产生正确的探测信号、提供整个系统的同步工作脉冲。逻辑控制器31完成与DSP处理器24、DSP处理器25、DSP处理器26、逻辑控制器33以及逻辑控制器34相互间的数据交互；逻辑控制器32完成与DSP处理器27、DSP处理器28、DSP处理器29、逻辑控制器33以及逻辑控制器39相互间的数据交互；逻辑控制器33产生嵌入式一体化工控机5通过PCI接口控制器23访问DSP处理器30、逻辑控制器31和逻辑控制器32内部存储资源需要的时序逻辑；DSP处理器24、DSP处理器25、DSP处理器26基于逻辑控制器31传送来的预处理后的声基阵左侧数据完成地貌信息解算并生成数字测深数据和侧扫图像等成果图；DSP处理器27、DSP处理器28、DSP处理器29基于逻辑控制器32传送来的预处理后的声基阵右侧数据完成地貌信息解算并生成数字测深数据和侧扫图像等成果图。

逻辑控制器51接收由DSP处理器30通过电缆11传送给左侧信号产生系统13的命令控制码、工作参数以及系统同步信号，并从事先存储在逻辑控制器51内部存储单元内的探测波形数据中选择正确的数据送出，产生功率可控的180千赫兹的方波填充脉冲信号，然后经过功率放大器组53进行功率放大，在功率放大器组53和多通道多条发射换能器线阵15之间还有阻抗匹配器组54，其功能就是利用匹配电感与左侧多通道多条发射换能器线阵15很好的匹配，从而得到更高的电-声转换效率。温湿度传感器52可以实时采集左侧声学仓内的温度和湿度信息，并送回嵌入式一体化工控机5用以监控左侧声学仓3的工作状况。

左侧信号放大与滤波系统16中的固定增益放大器组50，具有高输入阻抗、低输出阻抗和很高的增益带宽积，同时还具有极低的噪声，具有固定增益，通过前端匹配电阻与多通道接收换能器线阵17进行阻抗匹配，从而无失真地接收目标回波信号；而带通滤波器组49则是用来选择系统工作频带内的回波信号。

左侧信号调理系统9中的带通滤波器组48是利用运算放大器构建的有源二阶带通滤波器组，在信号接收频带内起伏较小，通带内外的抑制比达到40dB。用来滤除信号通过电缆12从水下分机2的左侧声学仓3向水上分机1传输而引入的噪声；可变增益放大器组47对信号进行自动增益控制AGC控制；带通滤波器组46对经过AGC控制的信号进行滤除噪声处理；固定增益放大器组45也是一个具有固定增益的放大器组，进一步放大信号；信号经过调理后，送入模数转换器组38之前经过带通滤波器组44进一步滤除噪声。

左侧信号采集与预处理系统7中的模数变换器组38采集来自左侧信号调理系统9调理后的信号，逻辑控制器34按照一定的采样频率读取模数转换器组38内的数字信号并存入FIFO存储器组37，DSP处理器35通过逻辑控制器34将FIFO存储器组37内的数据及时读出并根据此数据控制可变增益放大器组47以进行系统的AGC控制；逻辑控制器34将原始数据存入海量存储器36，并作简单的预处理后传入逻辑控制器31以作进一步处理。

多通道多条发射换能器线阵15、20由两条或两条以上的多通道线阵平行布放构成，为了使线阵具有束控能力，每条线阵有间距均匀的多个传感器组成，传感器个数和间距根据系统指标要求而定。此组合声基阵的特征在于多条发射线阵平行放置，每条发射线阵的法线方向与基阵面的法线方向存在一定夹角。为了避免相邻探测扇面间水底散射声信号的相互干扰，每条线阵发射的超声波探测信号频率各不相同。每条发射线阵的空间覆盖扇面大小取决于发射频率和线阵宽度。利用这样放置的多条线阵组合可实现声基阵的超宽覆盖指向性，并且工艺简单、成本低、重量轻。多通道接收换能器线阵17、22与发射线阵垂直布放，由多条一般在一百条左右间距均匀的陶瓷窄条晶片拼接组成，从而在垂直于载体航向方向上形成高分辨力的窄接收指向性，晶片间距和晶片条数根据系统参数而定。

本发明的工作原理是：

多波束宽覆盖地形地貌探测系统的水上分机1安装在水面测量母船上或者水下作业潜器上，水下分机2位于水下。当系统在作业水域内工作时，接通系统的电源，根据作业水域的大致情况，通过显示控制软件设定系统的工作参数，并装载入系统，然后启动系统开始工作。双侧信号产生系统13、18产生频率为方波填充的超声波探测脉冲，分别通过双侧信号发射系统14、19放大，经由双侧的多通道多条发射换能器线阵15、21把电信号转换成声信号发射到水中传送出去，发射功率根据实际情况自动控制，发射出去的声波经由目标反射散射回来，双侧的多通道接收换能器线阵17、22分别把接收到的左右侧声信号转换为电信号，经过信号放大与滤波系统16、21初步放大滤波后传送给信号调理系统9、10进行进一步的调理，然后将调理后的信号送至信号采集与预处理系统7、8，继而将双侧信号的预处理结果送至信号处理系统6，结合辅助设备的测量信息采用本发明的实时信号处理软件系统解算出水下地形地貌信息并生成数字测深数据和侧扫图像等成果图，并通过PCI控制器23送至嵌入式一体化工控机5实时显示并存储。

本发明的优点是：采用一体机作为多波束测深侧扫声纳系统的水上分机部分，提高了系统的便携性；采用了新颖的基阵形式，能够简单、低成本地能够获得超宽覆盖水底地形地貌信息，极大地提高了海洋测绘效率及测量精度；生成数字测深数据和侧扫图像等成果图，使系统具备微地貌与小目标探测能力。本系统可以用于海底资源勘察、水下障碍物探测与沉物打捞，在保障水上交通运输安全、航道疏竣、抗洪抢险、以及水下导航与定位场合具有应用前景，还可以应用于水底电缆铺设、港口码头建设、江河湖泊与水库容量预测评估、桥墩泥沙淤积测量、甚至水下考古调查等众多应用场合。

(四)附图说明

图1超宽覆盖多波束测深侧扫声纳系统的结构原理框图；

图2超宽覆盖多波束测深侧扫声纳系统的分系统结构框图；

图3超宽覆盖多波束测深侧扫声纳系统信号产生系统电路框图；

图4超宽覆盖多波束测深侧扫声纳系统的信号采集与预处理系统的电路原理图；

图5超宽覆盖多波束测深侧扫声纳系统信号处理系统电路框图；

图6超宽覆盖多波束测深侧扫声纳系统实时信号处理软件系统框图；

图7超宽覆盖多波束测深侧扫声纳系统发射阵和接收阵示意图；

图8左右声学仓安装示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

多通道多条发射换能器线阵15和多通道接收换能器线阵17相互垂直封装在左侧声学仓内，多通道多条发射换能器线阵20和多通道接收换能器线阵22相互垂直封装在右侧声学仓内，多通道多条发射换能器线阵15、20分别由3条平行放置的线阵组成，每条线阵均有56个通道以束控。声学仓安装在船龙骨下方或者舷侧，为了保证探测效果，安装时，从减少航行噪声机械传导噪声和螺旋浆噪声、减少或避开气泡层等方面考虑，声学仓尽量选择安装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，水下分机2由左侧声学仓3、右侧声学仓4组成，两个声学仓在载体两侧对称安装，与垂直方向夹角分别为±50°。多通道多条发射换能器线阵15、20中轴线指向船行方向，多通道接收换能器线阵17、22的中轴线垂直于船行方向。DSP处理器30采用美国AD公司的TigerSharc-201，PCI接口控制器23采用的是PLX公司的PLX9656，固定增益放大器组48采用的是AD公司的AD8066，可变增益放大器组47采用的是AD公司的AD7945，逻辑控制器31采用的是ALTERA公司的EP2S30，模数变换器组38选用的是AD公司的AD7865。

由220V AC或48V DC给系统上电后，信号处理系统6、信号采集与预处理系统7、8和信号产生系统13、18上的DSP处理器和逻辑控制器分别引导各自程序，进入待机状态。启动水上分机1内的显示控制软件，进行参数设置。发射声功率以分贝dB为单位20dB内连续可调，探测脉冲长度0.15ms、0.25ms、0.5ms、1ms四档可调，探测周期0.05s、0.2s、0.5s、1s四档可调。

完成工作参数设置后，发送启动命令使多波束宽覆盖地形地貌探测系统开始工作，工作流程为：信号产生系统13、18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14、19以设置的功率将超声波探测脉冲信号发射出去。信号放大与滤波系统16、21和信号调理系统9、10在信号发射系统13、18的探测信号发射完毕后开始接收。同时，信号采集与预处理系统7、8开始采集、开关门计算、AGC控制以及信号变换，并且分别将原始数据存入海量存储器36、41；然后将经变换后的数据送入逻辑控制器31、32进行预处理，继而由DSP处理器24、DSP处理器25和DSP处理器26完成左侧水底地形地貌信息的解算、DSP处理器27、DSP处理器28和DSP处理器29完成左侧水底地形地貌信息的解算并生成双侧的数字测深数据和侧扫图像等成果图。关门后，DSP处理器30通过逻辑控制器33将实时采集的辅助设备测量信息经由逻辑控制器31送入DSP处理器24、DSP处理器25、DSP处理器26，DSP处理器27、DSP处理器28和DSP处理器29用以对解算结果作修正。修正结束后，将各自内部的计算结果和辅助设备测量信息分别通过逻辑控制器31、32经由逻辑控制器33和PCI接口控制器23传送至嵌入式一体化工控机5显示并存储。

Claims

1.一种超宽覆盖多波束测深侧扫声纳装置，它包括水上分机(1)、水下分机(2)以及连接二者的电缆(11)和(12)；其特征是：水上分机(1)以一台嵌入式一体化工控机(5)为主体，结合了信号处理系统(6)、左侧信号采集与预处理系统(7)、右侧信号采集与预处理系统(8)以及左侧信号调理系统(9)、右侧信号调理系统(10)，其中，工控机(5)与信号处理系统(6)之间相互电信号连接，左侧信号调理系统(9)、左侧信号采集与预处理系统(7)之间电信号连接，右侧信号调理系统(10)、右侧信号采集与预处理系统(8)之间电信号连接，信号采集与预处理系统(7)、(8)分别与信号处理系统(6)电信号连接；水下分机(2)由左侧声学仓(3)和右侧声学仓(4)组成，左侧声学仓(3)主要包括：左侧信号产生系统(13)、左侧信号发射系统(14)、左侧多通道多条发射换能器线阵(15)、左侧信号放大与滤波系统(16)以及左侧多通道接收换能器线阵(17)，其中，左侧信号产生系统(13)、左侧信号发射系统(14)、左侧多通道多条发射换能器线阵(15)依次电信号连接，左侧多通道接收换能器线阵(17)与左侧信号放大与滤波系统(16)之间电信号连接，右侧声学仓(4)与左侧声学仓(3)完全相同，左右对称安装。

2.根据权利要求1所述的超宽覆盖多波束测深侧扫声纳装置，其特征是：水上分机(1)与水下分机(2)之间通过电缆连接，其中，信号处理系统(6)、电缆(11)与左侧信号产生系统(13)、右侧信号产生系统(18)依次电信号连接；左侧多通道接收换能器线阵(17)、左侧信号放大与滤波系统(16)、电缆(12)与左侧信号调理系统(9)依次电信号连接；右侧信号放大与滤波系统(16)、右侧信号放大与滤波系统(21)、电缆(12)与右侧信号调理系统(10)依次电信号连接。

3.根据权利要求2所述的超宽覆盖多波束测深侧扫声纳装置，其特征是：信号处理系统(6)的组成包括：PCI接口控制器(23)、DSP处理器(24)、DSP处理器(25)、DSP处理器(26)、DSP处理器(27)、DSP处理器(28)、DSP处理器(29)、DSP处理器(30)、逻辑控制器(31)、逻辑控制器(32)、逻辑控制器(33)以及串口扩展模块(34)；其中，PCI接口控制器(23)与逻辑控制器(33)相互间电信号连接；DSP处理器(30)、逻辑控制器(33)相互间电信号连接；串口扩展模块(34)与DSP处理器(30)电信号连接；逻辑控制器(31)与DSP处理器(24)、DSP处理器(25)、DSP处理器(26)、逻辑控制器(33)相互间电信号连接；逻辑控制器(32)与DSP处理器(27)、DSP处理器(28)、DSP处理器(29)、逻辑控制器(33)相互间电信号连接。

4.根据权利要求3所述的超宽覆盖多波束测深侧扫声纳装置，其特征是：左侧信号采集与预处理系统(7)的组成包括：逻辑控制器(34)、DSP处理器(35)、海量存储器(36)、FIFO存储器组(37)以及模数转换器组(38)；其中，逻辑控制器(34)和逻辑控制器(31)、DSP处理器(35)相互间电信号连接；逻辑控制器(34)和海量存储器(36)电信号连接；模数转换器组(38)、FIFO存储器组(37)和逻辑控制器(34)依次电信号连接。

5.根据权利要求4所述的超宽覆盖多波束测深侧扫声纳装置，其特征是：左侧信号调理系统(9)的组成包括依次电信号连接的带通滤波器组(48)、可变增益放大器组(47)、带通滤波器组(46)、固定增益放大器组(45)以及带通滤波器组(44)。

6.根据权利要求5所述的超宽覆盖多波束测深侧扫声纳装置，其特征是：左侧信号放大与滤波系统(16)的组成包括依次电信号连接的固定增益放大器组(50)和带通滤波器组(49)。

7.根据权利要求6所述的超宽覆盖多波束测深侧扫声纳装置，其特征是：左侧信号产生系统(13)的组成包括依次电信号连接的温湿度传感器(52)和逻辑控制器(51)；逻辑控制器(51)和DSP处理器(30)相互连接。

8.根据权利要求7所述的超宽覆盖多波束测深侧扫声纳装置，其特征是：左侧信号发射系统(14)的组成包括依次电信号连接的功率放大器组(53)和与多通道多条发射换能器线阵(15)进行匹配的阻抗匹配器组(54)组成。