CN103557843B - 一种紧凑型水下微地形测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高性能、高效率的紧凑型水下微地形测量仪，包括水下接收分机、水下发射分机以及连接二者的电缆，其中，水下接收分机包括多通道接收换能器阵、多通道信号调理装置、信号采集预处理及存储装置、数据处理与通讯装置；水下发射分机包括信号产生装置、信号发射装置以及多通道发射换能器阵其采用了特别设计的多通道发射换能器阵和高性能的多通道接收换能器阵，结合高效先进的信号处理算法，能够获得超宽覆盖海底微地形信息、提高了仪器的可靠性和灵活性、改善仪器的性能成本比，极大地提高了海洋测绘效率。本发明还可广泛用于水上交通安全保障、航道疏浚、抗洪抢险、以及水下定位导航与定位、海底电缆铺设等众多应用场合。

Description

一种紧凑型水下微地形测量仪

技术领域

本发明涉及水下探测领域，具体涉及一种水下微地形信息高效获取的紧凑型测量仪器。

背景技术

二十一世纪是海洋世纪，对水下地形的高效遥测是海洋资源探测、海洋工程、航道勘查等领域人类水上活动的必需条件。而穿透水体获取水下地形信息主要借助于声学探测设备。

国外从上个世纪中期就开始研制水下地形探测声学设备，经过几十年的发展更迭，从开始的单波束测深仪，到现在的多波束测深仪，已形成了系列化的产品以满足用户的不同需求；在国内，目前能够查阅到的关于水下地形探测设备的资料、专利以及产品也包括了单波束测深仪和多波束测深仪两类。

单波束测深仪的工作原理为：向测量船正下方发射单波束探测声波，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，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。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)，这导致测量精度较低。由于上述这两方面的原因决定了单波束测深仪已经不适合当前繁多水事活动的迫切需求。

多波束测深仪的工作原理为：向测量船正下方发射宽覆盖扇面的探测声波，通过测量发射与垂直于船行方向的扇面内许多个角度接受声波之间的时间差来同时获取宽条带上的多个水深点，其将传统的“点-线测量”扩展为“线—面测量”，从而极大地提高了测量效率。

我国是海洋大国却不是海洋强国，最重要的原因之一是我国的水下地形测量等技术和设备大大落后于西方国家。进口国外高性能多波束测深仪存在价格昂贵、使用维护不便等众多弊端。因此，研制具有自主知识产权的高性能多波束测深仪势在必行。

国内关于多波束测深仪系统设计方面的专利，目前只有两项：“便携式多波束测深仪(ZL200610151239.4)”和“多波束宽覆盖海底地形地貌探测装置(ZL200610151240.7)”，依据这两项专利研制的相关产品已在国内市场获得了推广和应用，较好满足了部分用户的需求。但随着用户对设备性能要求的提高，电子技术的发展，这两项专利产品暴露出一些不足，如：采用了水下分机和水上分机的分体结构，不仅增加了数据传输的负担，并且设备体积庞大，不便于携带安装使用；采用一体化工控机进行系统控制，灵活性差；采用了多个DSP处理器进行并行数据处理，不仅增大了电路的体积、功耗以及数据传输的风险，而且性能成本比低；采用均匀发射弧阵不利于实现超宽覆盖测量等。

本发明中拟对这些不足之处进行进一步创新改进，以提升新专利产品的性能，更好地满足国内用户的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种高性能、高效率的紧凑型水下微地形测量仪。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种紧凑型水下微地形测量仪，包括：第一电缆、水下接收分机、水下发射分机以及连接水下接收分机和水下发射分机的第二电缆，水下接收分机包括多通道接收换能器阵、多通道信号调理采集及存储装置、数据处理与通讯装置；水下发射分机包括信号产生装置、信号发射装置以及多通道发射换能器阵，其中，第一电缆、数据处理与通讯装置、第二电缆、信号产生装置、信号发射装置和多通道发射换能器阵依次电信号连接；多通道接收换能器阵、多通道信号调理采集及存储装置与数据处理与通讯装置依次电信号连接。

所述的数据处理与通讯装置由网络通讯模块、第一逻辑控制器、第一DSP处理器、第二DSP处理器、第二逻辑控制器和第三逻辑控制器组成，其中，第一逻辑控制器分别和第一DSP处理器、第二DSP处理器、第二逻辑控制器、第三逻辑控制器、第四逻辑控制器电信号连接；第二逻辑控制器、第一DSP处理器和第一逻辑控制器依次电信号连接；第三逻辑控制器、第二逻辑控制器和第一逻辑控制器依次电信号连接；第一逻辑控制器和网络通讯模块相互间电信号连接。

所述的多通道信号调理采集及存储装置由第四逻辑控制器、模数转换器组、固定增益放大器组、带通滤波器组、可变增益放大器组、带通滤波器组和海量存储器组成，其中，带通滤波器组、可变增益放大器组、带通滤波器组、固定增益放大器组、模数转换器组和第四逻辑控制器依次电信号连接；第四逻辑控制器和海量存储器电信号连接。

所述的信号产生装置由第五逻辑控制器组成。

所述的信号发射装置由功率管驱动器组、功率放大器组和阻抗匹配器组组成，其中，功率管驱动器组、功率放大器组和阻抗匹配器组依次电信号连接。

所述的多通道发射换能器阵是由多通道、等间距的非均匀加权弧形阵元组成的弧阵。

所述的多通道接收换能器阵是由多通道、等间距方形阵元组成的均匀线阵。

本发明利用多通道发射非均性弧形换能器阵实现探测超声波的超宽覆盖，高效先进的信号处理方法完成对海底水下微地形信息的高精度获取，创新的一体化组成架构保证了仪器的紧凑型和性能的可靠性。

其中，第一电缆不仅给水下接收分机和水下发射分机提供电源，而且还下行传输辅助设备(姿态传感器、声速仪等产品)的测量信息、用户通过通用计算机上运行的控制软件设定的工作参数和控制命令，并且可以上行传输微地形测量结果至通用计算机实时显示和存储；

水下接收分机的任务包括：多通道接收换能器阵完成目标散射回波信号由声信号到电信号的转换；多通道信号调理采集及存储装置完成对转换后的电信号的滤波、放大、采集和存储；数据处理与通讯装置产生协调水下接收分机和水下发射分机工作的同步信号、实时解算水下微地形信息并上行传输、接收第一电缆下行传输的工作参数和控制命令，并通过第二电缆转发至控制水下发射分机；

水下发射分机的任务包括：信号产生装置根据工作参数和控制命令产生探测信号；信号发射装置完成探测信号的放大，并根据多通道发射换能器阵的性能参数进行阻抗匹配；驱动多通道发射换能器阵将匹配后的大功率电信号转换为声信号辐射到水中。

本发明的有益效果是：能够获得超宽覆盖海底微地形信息，提高了仪器的可靠性和灵活性，改善了仪器的性能成本比，极大地提高了海洋测绘效率。本发明可以广泛用于水上交通安全保障、航道疏浚、抗洪抢险、以及水下定位导航与定位、海底电缆铺设、障碍物探测与沉物打捞、水库容量预测、堤坝桥墩泥沙淤积测量，甚至水下考古调查等众多应用场合。

附图说明

图1是本发明所述的紧凑型水下微地形测量仪的结构原理框图。

图2是本发明所述的紧凑型水下微地形测量仪的分装置结构框图。

图3是本发明所述的紧凑型水下微地形测量仪的信号采集预处理及存储装置的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明所述的紧凑型水下微地形测量仪的具体实施方案：

结合图1，本发明所述的紧凑型水下微地形测量仪，包括：第一电缆1、水下接收分机2、水下发射分机3、以及连接水下接收分机2、水下发射分机3的第二电缆4，水下接收分机2主要由多通道接收换能器阵7、多通道信号调理采集及存储装置6、数据处理与通讯装置5组成；水下发射分机3主要由信号产生装置8、信号发射装置9以及多通道发射换能器阵10组成，其中，第一电缆1、数据处理与通讯装置5、第二电缆4、信号产生装置8、信号发射装置9和多通道发射换能器阵10依次电信号连接；多通道接收换能器阵7、多通道信号调理采集及存储装置6与数据处理与通讯装置5依次电信号连接。

结合图2，所述的数据处理与通讯装置5由网络通讯模块11、第一逻辑控制器12、第一DSP处理器13、第二DSP处理器14、第二逻辑控制器15和第三逻辑控制器16组成，其中，第一逻辑控制器12分别与第一DSP处理器13、第二DSP处理器14、第二逻辑控制器15、第三逻辑控制器16电信号连接；第二逻辑控制器15、第一DSP处理器13和第一逻辑控制器12依次电信号连接；第三逻辑控制器16、第二逻辑控制器15和第一逻辑控制器12依次电信号连接；第一逻辑控制器12和网络通讯模块11相互间电信号连接；所述的多通道信号调理采集及存储装置6由第四逻辑控制器17、模数转换器组18、固定增益放大器组19、带通滤波器组20、可变增益放大器组21、带通滤波器组22和海量存储器23组成，其中，带通滤波器组22、可变增益放大器组21、带通滤波器组20、固定增益放大器组19、模数转换器组18和第四逻辑控制器17依次电信号连接；第四逻辑控制器17和海量存储器23电信号连接；所述的信号产生装置8由第五逻辑控制器24组成；所述的信号发射装置9由功率管驱动器组25、功率放大器组26和阻抗匹配器组27组成，其中，功率管驱动器组25、功率放大器组26和阻抗匹配器组27依次电信号连接；所述的多通道发射换能器阵10是由多通道、等间距的非均匀加权弧形阵元组成的弧阵；所述的多通道接收换能器阵7是由多通道、等间距方形阵元组成的均匀线阵。

其中，各部分的作用分别说明如下：

在通用计算机上运行的仪器实时显示控制软件，利用鼠标或键盘分别输入工作参数和控制命令，并实时获取辅助测量设备的测量数据，通过第一电缆1，发送至数据处理与通讯装置5上的网络通讯模块11，并由第一逻辑控制器12进行转发至第一DSP处理器13、第二DSP处理器14、第二逻辑控制器15、第三逻辑控制器16以及信号产生装置8上的第五逻辑控制器24。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、发射声源级、探测周期、深度范围、增益曲线类型；还可以实时显示辅助测量设备的输出信息、解算出的水下微地形信息，并将这些信息存入通用计算机的硬盘存储器。

第一逻辑控制器12负责通过第一电缆1下行传输的控制命令、工作参数以及辅助测量设备数据的接收，根据获取的母船姿态信息通过第二电缆4向控制信号产生装置8上的第五逻辑控制器24发送探测信号产生要求，提供水下接收分机2和水下发射分机3的同步工作脉冲。第二逻辑控制器15和第三逻辑控制器16功能相同，根据接收到的工作参数对接收到从第四逻辑控制器17发送来的多通道采集数据，进行波束形成和滤波算法，其中第二逻辑控制器15完成左侧波束形成和滤波算法、第三逻辑控制器16完成右侧波束形成和滤波算法；第一DSP处理器13和第二DSP处理器14功能相同，其中第一DSP处理器13根据接收到的工作参数对第二逻辑控制器15发送的左侧波束形成结果进行左侧微地形信息解算，第二DSP处理器14根据接收到的工作参数对第二逻辑控制器16发送的右侧波束形成结果进行右侧微地形信息解算，第一逻辑控制器12接收到左、右侧微地形信息后，通过网络通讯模块11和第一电缆1上行传输结果至通用计算机进行显示和存储。

多通道信号调理采集及存储装置6中的带通滤波器组22和20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了40dB，用来滤除信号中的噪声；可变增益放大器组21对信号进行放大(放大倍数可调)；固定增益放大器组19是一个固定增益达20dB的放大器组，进一步放大信号；模数转换器组18采集来自固定增益放大器组19输出的模拟信号；第四逻辑控制器17负责产生控制模数转换器组18正常工作的时序，并将采集到的数据存入海量存储器23，同时还根据工作参数提供可变增益放大器组21需要的放大倍数。

信号产生装置8中的第五逻辑控制器24根据接收到的工作参数产生200kHz的方波信号，通过信号发射装置9中的功率管驱动器组25进行升压和电流驱动后，通过功率放大器组26进行功率放大，在功率放大器组26和多通道发射换能器阵10之间还有阻抗匹配器组27，其功能就是利用匹配电感和电阻与多通道发射换能器阵10进行很好的匹配，从而得到更高的电—声转换效率。

所述的多通道发射换能器阵10由27条陶瓷晶片粘贴在非均匀弧形底座上拼接组成，每条有50个独立通道，形成了1°×150°的发射指向性；多通道接收换能器阵7由120条陶瓷窄条晶片拼接而成，即120个独立接收通道，形成了20°×1°的接收指向性。二者合成了在150度宽幅盖范围内的1°×1°的高分辨力指向性。其中，多通道发射换能器阵10和多通道接收换能器阵7的通道数由探测指标的要求决定。

本发明的水下接收分机2和水下发射分机3相互垂直近距离放置，利用设计的法兰结构将二者固定，并安装在船龙骨下方或者舷侧。为了保证探测效果，从降低航行噪声(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，应尽量选择安装在船舶航行时产生水花最小及船体颠簸、摇摆幅度也较小的地方，一般在船艏三分之一至五分之二的位置，并且吃水深度不应超过龙骨的深度。多通道发射换能器阵10的中轴线指向船行方向，多通道接收换能器阵7的中轴线垂直于船行方向。第一DSP处理器13和第二DSP处理器14采用美国TI公司的TMS320C6748ZWT4E，模数转换器组18采用多片ADI公司的AD7657BSTZ-1，第一逻辑控制器12、第二逻辑控制器15、第三逻辑控制器16、第四逻辑控制器17、第五逻辑控制器24采用ALTERA公司的EP4CGX150DF27C7。

结合图3，本发明采用了集成电路进行电路控制，仅以12通道数据采集电路为例，其中AD1、AD2为6通道模数转换器AD7657BSTZ-1，另外还有运放AD8066以及一些电阻、电容等小器件，系统共需10个相同部分实现120通道数据采集。而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。

本发明的工作原理是：紧凑型水下微地形测量仪的水下发射分机2和水下发射分机3安装在水下，通过第一电缆1和搭载在水面测量母船或者水下作业潜器上的通用计算机连接；当使用本发明仪器在作业水域内工作时，给仪器提供电源，根据作业区域的大致情况，通过运行于通用计算机上的显示控制软件设定并装载仪器的工作参数，然后启动仪器开始工作。水下接收分机2中数据处理与通讯装置5接收第一电缆1下行传输的工作参数并通过第二电缆4转发至控制水下发射分机3，根据同步信号控制信号产生装置8产生具有一定时间间隔的、频率为200千赫兹的CW脉冲，通过信号发射装置9放大，经由多通道发射换能器阵10把电信号转换成声信号辐射到水中传送出去，该声信号经由目标散射回水下接收分机2，其中的多通道接收换能器阵7把接收到声信号转换为电信号，经过多通道信号调理采集及存储装置6进行滤波、自动及固定增益放大等调理，并将调理后的模拟信号变换为数字信号进行存储并同时送至数据处理与通讯装置5，结合辅助设备的测量数据结算出水下微地形信息，并通过第一电缆1送至通用计算机实时显示和存储。

Claims (6)

1.一种紧凑型水下微地形测量仪，包括：第一电缆（1）、水下接收分机（2）、水下发射分机（3）以及连接水下接收分机（2）和水下发射分机（3）的第二电缆（4）；所述的水下接收分机（2）包括：多通道接收换能器阵（7）、多通道信号调理采集及存储装置（6）和数据处理与通讯装置（5）；所述的水下发射分机（3）包括：信号产生装置（8）、信号发射装置（9）和多通道发射换能器阵（10），其中，第一电缆（1）、数据处理与通讯装置（5）、第二电缆（4）、信号产生装置（8）、信号发射装置（9）和多通道发射换能器阵（10）依次电信号连接；多通道接收换能器阵（7）、多通道信号调理采集及存储装置（6）与数据处理与通讯装置（5）依次电信号连接；所述的多通道发射换能器阵（10）由27条陶瓷晶片粘贴在非均匀弧形底座上拼接组成，每条有50个独立通道，形成1o×150o的发射指向性，使得多通道发射换能器阵（10）成为由多通道、等间距的非均匀加权弧形阵元组成的弧阵。

2.根据权利要求1所述的紧凑型水下微地形测量仪，其特征在于：所述的数据处理与通讯装置（5）由网络通讯模块（11）、第一逻辑控制器（12）、第一DSP处理器（13）、第二DSP处理器（14）、第二逻辑控制器（15）和第三逻辑控制器（16）组成，其中，第一逻辑控制器12分别和第一DSP处理器（13）、第二DSP处理器（14）、第二逻辑控制器（15）、第三逻辑控制器（16）、第四逻辑控制器（17）电信号连接；第二逻辑控制器（15）、第一DSP处理器（13）和第一逻辑控制器（12）依次电信号连接；第三逻辑控制器（16）、第二逻辑控制器（15）和第一逻辑控制器（12）依次电信号连接；第一逻辑控制器（12）和网络通讯模块（11）相互间电信号连接。

3.根据权利要求1紧凑型水下微地形测量仪，其特征在于：所述的多通道信号调理采集及存储装置（6）由第四逻辑控制器（17）、模数转换器组（18）、固定增益放大器组（19）、带通滤波器组（20）、可变增益放大器组（21）、带通滤波器组（22）和海量存储器（23）组成，其中，带通滤波器组（22）、可变增益放大器组（21）、带通滤波器组（20）、固定增益放大器组（19）、模数转换器组（18）和第四逻辑控制器（17）依次电信号连接；第四逻辑控制器（17）和海量存储器（23）电信号连接。

4.根据权利要求1所述的紧凑型水下微地形测量仪，其特征在于：所述的信号产生装置（8）由第五逻辑控制器（24）组成。

5.根据权利要求1所述的紧凑型水下微地形测量仪，其特征在于：所述的信号发射装置（9）由功率管驱动器组（25）、功率放大器组（26）和阻抗匹配器组（27）组成，其中，功率管驱动器组（25）、功率放大器组（26）和阻抗匹配器组（27）依次电信号连接。

6.根据权利要求1所述的紧凑型水下微地形测量仪，其特征在于：所述的多通道接收换能器阵（7）是由多通道、等间距方形阵元组成的均匀线阵。