CN104181540A - 一种基于编码信号的同时多焦点浅水多波束接收动态聚焦系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于编码信号的同时多焦点浅水多波束接收动态聚焦系统，包括M组水声换能器接收阵元，用于接收声信号，并实现声电转换；M组正交变换器，用于将实数转换为复数；M组脉冲压缩单元，用于将扩频编码信号进行脉冲压缩；扩频序列选择器，根据时间的不同从N组扩频序列中选择对应的扩频序列；动态聚焦波束形成器，将M组脉冲压缩后的信号根据距离的不同进行动态聚焦波束形成，输出最终结果。本发明有效的提高了近场多波束测深的纵向分辨力，提高浅水多波束的综合精度。
Description
技术领域
本发明属于多波束测深领域，尤其是能够提高近场多波束测探的纵向分辨力的，一种基于编码信号的同时多焦点浅水多波束接收动态聚焦系统。
背景技术
波束角是多波束测深仪中的衡量精度重要指标，由航迹方向开角和垂直航迹方向开角决定，直接影响纵向角度分辨力和横向角度分辨力。常规多波束测深仪中受近场效应影响，横向角度分辨力由近场动态聚焦方法来保证，而近场纵向角度分辨力由于发射未聚焦而有所下降。
为解决近场发射问题，部分多波束测深仪采用了单焦点发射方法，但对于多波束测深中单次测量覆盖范围较大，常常只能提高焦点距离上的分辨力，远于焦点和近于焦点的测深区域的纵向分辨力将会大幅度下降。
发明内容
本发明的目的是提供能够提高近场多波束测深的纵向分辨力的，一种基于编码信号的同时多焦点浅水多波束接收动态聚焦系统。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于编码信号的同时多焦点浅水多波束接收动态聚焦系统，包括M个水声换能器接收阵元、M个正交变换器、M个脉冲压缩单元、扩频序列选择器和动态聚焦波束形成器，
M个水声换能器接收阵元接收多波束多焦点发射聚焦回波信号，将声信号转换为电信号，每个水声换能器接收阵元对应一个正交变换器，将电信号输出给对应的正交变换器；
正交变换器将接收到的电信号转换为复数电信号，每个正交变换器对应一个脉冲压缩单元，将复数电信号输出给对应的脉冲压缩单元；
扩频序列选择器包括时间计数器、多路选择控制器和N个扩频序列存储器，时间计数器用于输出时间信息给多路选择控制器，N个扩频序列存储器用于存储扩频序列，多路选择控制器根据焦点信息和时间信息，选择一个扩频存储器中的扩频序列输出给M个脉冲压缩单元；
M组脉冲压缩单元将接收到的扩频序列与复数电信号进行脉冲压缩，将结果输出给动态聚焦波束形成器；
动态聚焦波束形成器根据目标的距离和角度不同，计算目标到达各水声换能器接收阵元的声程差，将声程差转化为相位差，将接收到的信号补偿对应的相位差，累加得到动态聚焦波束。
本发明一种基于编码信号的同时多焦点浅水多波束接收动态聚焦系统，还可以包括：
扩频序列采用Kasami序列。
本发明的有益效果为：
本发明充分利用了Kasami扩频编码信号优良的自相关特性和互相关特性，通过本发明装置将多波束多焦点发射聚焦回波信号，按回波时间不同分别对应不同的Kasami扩频编码序列对应脉冲压缩，然后将脉冲压缩结果按照动态聚焦的方法形成动态聚焦波束形成的结果，解决了对多波束测深中同时多焦点发射聚焦信号的水底回波信号的接收动态聚焦的问题，可有效的提高近场多波束测深的纵向分辨力，提高浅水多波束的综合精度。
附图说明
图1基于编码信号的同时多焦点浅水多波束接收动态聚焦结构框图；
图2扩频序列选择器结构框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。
一种基于编码信号的同时多焦点浅水多波束接收动态聚焦系统，包括M组水声换能器接收阵元11～1M、M组正交变换器21～2M、M组脉冲压缩单元31～3M、N组扩频序列选择器6和动态聚焦波束形成器4；
M组水声换能器接收阵元11～1M，接收多焦点发射聚焦回波声信号，实现声电转换，并以电信号形式传输到M组正交变换器21～2M；
M组正交变换器21～2M，将实数电信号转换为复数电信号，并以电信号形式分别传输到M组脉冲压缩单元31～3M；
M组脉冲压缩单元31～3M，将N组扩频序列选择器6产生的扩频序列与M组正交变换器21～2M的复数结果进行脉冲压缩，并以电信号形式传输到动态聚焦波束形成器4；
动态聚焦波束形成器4，将M组脉冲压缩后的信号根据距离的不同进行动态聚焦波束形成，并输出最终结果5；
N代表多波束测深中同时聚焦的焦点数目；M代表多波束测深中水声换能器接收阵元的数目。
N组扩频序列选择器6，其结构包括时间计数器61、多路选择控制器63、N组扩频序列存储器621～62N和多路选择器64，其特征是时间计数器61在发射探测信号时清零，并开始计时，多路选择控制器63根据测深焦点不同，在不同时间控制多路选择控制器63选择不同的扩频序列存储器621～62N，并以电信号形式输出结果65。
M组正交变换器21～2M，输入信号分别与正弦和余弦函数相乘，并分别经过低通滤波器，得到复信号的实部和虚部。
M组脉冲压缩单元31～3M是以编码信号为参考，将输入复信号的实部和虚部分别与参考编码信号对应乘累加，滑动输出，得到脉冲压缩的复信号形式。
扩频序列其特征是采用Kasami序列。
动态聚焦波束形成器4是根据预设目标的距离和角度不同，计算目标到达各个阵元的声程差，并依据声速公式波长公式将器转换为相位差形式，然后各阵元复信号补偿对应的相位差，并累加即可得到结果。
本发明中M组水声换能器接收阵元接收的多焦点发射聚焦回波声信号来自于一种基于编码信号的同时多焦点浅水多波束接收动态聚焦系统。
一种基于编码信号的同时多焦点浅水多波束发射聚焦系统，包括N组扩频序列存储模块、N组2PSK调制器、N组近场固定焦点延时发射聚焦模块、M组累加器模块、M组功率发射模块和M组水声换能器发射阵元；
N组扩频序列存储模块中分别存储有扩频码序列，以电信号形式输出到N组2PSK调制器中；
N组2PSK调制器将接收到的扩频码序列调制到水声换能器的中心频点上，以电信号形式输出到N组近场固定焦点延时发射聚焦模块；
每组近场固定焦点延时发射聚焦模块分别对应一个预先设定的近场聚焦点，根据预先设定的近场聚焦点到各水声换能器发射阵元的不同时延，产生M组扩频码聚焦信号，以电信号形式分别输出到M组累加器模块中；
每组累加器模块将接收到的扩频码聚焦信号进行累加，以电信号形式输出给一组功率发射模块；
M组功率发射模块将分别接收到的信号转换为大功率信号，输出到M组水声换能器发射阵元；
M组水声换能器发射阵元将接收到的大功率信号转换为声信号，形成多焦点聚焦波束。
扩频码序列采用Kasami序列。
场固定焦点延时发射聚焦模块产生M组扩频码聚焦信号的方法为：
计算其对应的预先设定的近场聚焦点到达每个水声换能器发射阵元与到达整个换能器基阵中心点的声程差；
根据声程差计算出预先设定的近场聚焦点到各水声换能器发射阵元的不同时延；
根据不同时延，近场固定焦点延时发射聚焦模块产生M组时延不同、波形相同的扩频码聚焦信号。
累加器模块，采用数字累加器或者模拟累加器，接收近场固定焦点延时发射聚焦模块产生的扩频码聚焦信号，各通道信号对应累加，其中第一组累加器模块51接收第一通道411、421、431的信号累加以电信号形式输出到第一组功率发射模块61，第二组累加器模块52接收第二通道412、422、432的信号累加以电信号形式输出到第二组功率发射模块62，第M组累加器模块5M接收第M通道41M、42M、43M的信号累加以电信号形式输出到第M组功率发射模块6M。
具体实施例为：
一种基于编码信号的同时多焦点浅水多波束接收动态聚焦系统，其结构包括80组水声换能器接收阵元；80组正交变换器；80组脉冲压缩单元；5组扩频序列选择器；动态聚焦波束形成器等几部分：在此以在可编程逻辑门阵列中实施举例说明。
80组水声换能器接收阵元，用于接收声信号，并实现声电转换，为了后续在可编程逻辑门阵列中进行数字信号处理，在此需加入模拟前端预处理电路和模数转换器将模拟电信号转换为数字信号；
80组正交变换器，用于将实数转换为复数，采用分别乘正弦和余弦，然后滤波的方法来实现正交变换，由于通道数较多，同时采样率相对较低，采用串行的FIR滤波器来实现滤波，可以大大节省可编程逻辑门阵列的逻辑资源占用量；
80组脉冲压缩单元，用于将扩频编码信号进行脉冲压缩，由于脉冲压缩的运算量相对较大，采用较短的扩频编码样本，以降低脉冲缩的运算量；
5组扩频序列选择器，其结构包括时间计数器、多路选择控制器、5组扩频序列存储器和多路选择器，可以根据时间的变化选择不同的扩频序列进行结果输出其具体结构如图2所示，鉴于扩频编码数据较短，本实例中直接采用寄存器来存储5组扩频序列样本，而其余逻辑相对简单，直接用可编程逻辑门阵列中的逻辑资源实现；
动态聚焦波束形成器，将80组脉冲压缩后的信号根据距离的不同进行动态聚焦波束形成，输出最终结果；
本发明首先将多波束测深中同时多焦点发射聚焦信号的水底回波信号经过80组水声换能器接收阵元实现声信号到电信号的转换，并将电信号的实数形式通过80组正交变换器变换为复包络形式。同时由时间计数器和多路选择控制器根据时间不同产生对应焦点扩频序列的序号控制多路选择器输出5组扩频序列存储器中的其中一组作为结果。然后将80组正交变换器的结果和5组扩频序列选择器的结果同时送入到动态聚焦波束形成器，形成最终的波束形成结果，送至多波束测深仪的后续处理设备，进行水底地形的测量。利用该发明便可实现对多波束测深中同时多焦点发射聚焦信号的水底回波信号进行接收动态聚焦的目的，从而实现近场水底地形的高精度测量。具体结构如图1所示。
一种基于编码信号的同时多焦点浅水多波束发射聚焦系统，其结构包括5组扩频序列存储模块；5组2PSK调制器；5组近场固定焦点延时发射聚焦模块；80组累加器模块；80组功率发射模块；80组水声换能器发射阵元，在此以在可编程逻辑门阵列中实施举例说明。
5组扩频序列存储模块，用于存储5组相互独立的扩频码序列，5组扩频序列采用优选方法进行选择，以保证其相互之间良好的互相关性和自身的自相关性，由于扩频序列中码元只是以0和1构成且数量较少，在可编程逻辑门阵列中放到寄存器中存储即可；
5组2PSK调制器，采用二进制相移键控调制法，用于将扩频码序列调制到换能器的中心频点上，由于水声换能器本身具有较好的窄带特性，本部分可考虑将结果用单比特形式表示，该装置在可编程逻辑门阵列实现方便，占用逻辑资源较少；
5组近场固定焦点延时发射聚焦模块，用于按预设焦点对每通道发射信号做延时，分别产生5组不同通道的发射信号，该部分可在可编程逻辑门阵列中用移位寄存器加多路选择器的结构来方便的实现；
80组累加器模块，将每个焦点的相应通道数据累加，直接利用可编程逻辑门阵列内部逻辑资源即可方便实现；
80组功率发射模块，将数字信号转换为大功率信号，该部分可以使用高效率的D类功放；
80组水声换能器发射阵元，用于将电信号转换为声信号，该实例中采用180千赫兹为中心频率的水声发射换能器。
Claims (2)
1.一种基于编码信号的同时多焦点浅水多波束接收动态聚焦系统，其特征在于：包括M个水声换能器接收阵元、M个正交变换器、M个脉冲压缩单元、扩频序列选择器和动态聚焦波束形成器，
M个水声换能器接收阵元接收多波束多焦点发射聚焦回波信号，将声信号转换为电信号，每个水声换能器接收阵元对应一个正交变换器，将电信号输出给对应的正交变换器；
正交变换器将接收到的电信号转换为复数电信号，每个正交变换器对应一个脉冲压缩单元，将复数电信号输出给对应的脉冲压缩单元；
扩频序列选择器包括时间计数器、多路选择控制器和N个扩频序列存储器，时间计数器用于输出时间信息给多路选择控制器，N个扩频序列存储器用于存储扩频序列，多路选择控制器根据焦点信息和时间信息，选择一个扩频存储器中的扩频序列输出给M个脉冲压缩单元；
M组脉冲压缩单元将接收到的扩频序列与复数电信号进行脉冲压缩，将结果输出给动态聚焦波束形成器；
动态聚焦波束形成器根据目标的距离和角度不同，计算目标到达各水声换能器接收阵元的声程差，将声程差转化为相位差，将接收到的信号补偿对应的相位差，累加得到动态聚焦波束。
2.根据权利要求1所述的一种基于编码信号的同时多焦点浅水多波束接收动态聚焦系统，其特征在于：所述的扩频序列采用Kasami序列。
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