CN106525005A - 一种一体化多波束测深装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种一体化多波束测深装置，属于水下测绘领域。具体来说该装置由水下声学系统、水上信号处理机和控制计算机三部分组成。该装置最大的特点在于水下声学系统中专门设计的信息采集与控制单元和同步信号生成单元对声纳数据、表面声速数据、姿态数据、静水压力以及温度数据实现了完全同步式的实时采集，同时数据实时传输到水上信号处理机中与GNSS(全球导航卫星系统)和气压数据进行有机融合，从而实现所有数据的同时间、同空间和同姿态的采集和处理。该装置在使用过程中无需再配合额外的传感器及额外标校流程即可实现高精度水下测绘，可广泛适用于水下地形以及各类水下结构物、管线的精细三维测绘等领域，能快速实现水下三维地形的测量。

Description

一种一体化多波束测深装置
技术领域
本发明涉及的是水下勘察、水下测绘等领域，更确切地说，涉及一种可广泛应用于水下地形以及各类水下结构物、管线的精细三维测绘等领域的一体化多波束测深装置。
背景技术
水深测量是一种测定水底点至水面的高度和点的平面位置的工作，是海道测量和海底地形测量的中心环节，因此水深测量的最初目的是为船舶航行提供航道深度和确定航行障碍物的位置、深度和性质。随着水深测量技术的发展，传统的以保障航行为目的的水深测量逐步发展成相对独立的技术门类，即水下地形测量。
水下地形测量是测量水底起伏形态和地物的工作，是陆地地形测量在水下的延伸，按照水域不同，又可划分为内水地形测量和海洋地形测量。同时在测量技术方面，水深测量经历了测绳重锤测量、单波束回声测深、多波束回声测深以及机载激光测深等几个发展阶段。
多波束测深系统是从单波束测深系统发展起来，能一次给出与航线相垂直的平面内的几十个甚至上百个深度，能够精确、快速地测定沿航线一定宽度内水下目标的大小、形状，从而较可靠地描绘出水下地形的精细特征，真正意义上实现了水下地形的面测量。与单波束回声测深仪相比，多波束测深系统具有测量范围大、速度快、精度和效率高等优点。
目前，在水下地形测量领域所应用最为广泛的技术和仪器是单波束回声测深仅和多波束测深仪，而其中由于单波束测深仪操作简便、设备成本相对较低，因此尽管多波束测深仪效率很高，但仍然没有得到普及应用。其主要原因是多波束测深系统的构成及其复杂，除了多波束测深声纳之外，还需要额外配置定位设备、姿态测量设备、声速测量装置等，同时要求对各类设备的安装位置和安装偏差以及声纳吃水等进行复杂的测前标校等工作，因此测前准备工作复杂，对操作人的要求很高。
而对于水下地形以及各类水下结构物、管线的精细三维测绘等领域，尤其是机动式、快速水下三维地形或目标的勘察、测量领域的迫切需求，单波束测深仪已不能满足测量精度要求，传统的多波束测深仪由于其设备的复杂性及使用操作的繁琐性也直接制约着其应用，因此就必须有一种在使用过程中无需再配合额外的传感器及额外标校流程即可实现高精度水下测绘一体化的多波束测深装置。
发明内容
鉴于此，本发明公开了一种一体化多波束测深装置，该装置由水下声学系统(101)、水上信号处理机(102)和控制计算机(103)三个主要部分组成，其中水下声学系统(101)和水上信号处理机(102)通过水密电缆(104)进行连接；水上信号处理机(102)和控制计算机(103)通过以太网线(105)进行连接；水下声学系统(101)包括同步信号生成单元(107)、信息采集与控制单元(106)、网络通信单元2(108)、声速传感器(109)、温度传感器(110)、压力传感器(111)、姿态传感器(112)、罗经(113)、多通道阵列信号接收单元(114)、多通道接收换能器阵(115)、多通道阵列信号发生单元(116)和多通道发射换能器阵(117)，其中，多通道接收换能器阵(115)、多通道阵列信号接收单元(114)和信息采集与控制单元(106)依次相连，多通道发射换能器阵(117)、多通道阵列信号发生单元(116)和信息采集与控制单元(106)依次相连，同步信号生成单元(107)、网络通信单元2(108)、声速传感器(109)、温度传感器(110)、压力传感器(111)、姿态传感器(112)、罗经(113)分别和信息采集与控制单元(106)单独相连；水上信号处理机(102)包括信号处理单元(118)、网络通信单元1(119)、网络交换机(120)、气压传感器(121)、通信与控制单元(122)、GNSS天线(124)和GNSS模块(123)，其中，信号处理单元(118)、网络通信单元1(119)和网络交换机(120)依次相连，气压传感器(121)、通信与控制单元(122)和网络交换机(120)依次相连；GNSS天线(124)与水上信号处理机(102)中的GNSS模块(123)、通信与控制单元(122)依次相连；水上信号处理机(102)中的通信与控制单元(122)与水下声学系统(101)中的同步信号生成单元(107)通过位于水密电缆中的数据与控制线相连；水上信号处理机(102)中的网络交换机(120)与水下声学系统(101)中的网络通信单元2(108)通过位于水密电缆中的数据线相连。
本发明所公开的一种一体化多波束测深装置，其依次相连的信号采集与控制单元(106)、网络通信单元2(108)、网络交换机(120)、网络通信单元1(119)、信号处理单元(118)、网络通信单元1(119)、网络交换机(120)以及控制计算机(103)，构成了回波信号处理与结果上传回路。其中信号处理单元(118)包括原始数据分发模块(201)、回波信号预处理模块(202)、表面声速信息预处理模块(203)、姿态信息预处理模块(204)、时延聚焦波束形成模块(205)、水体信息提取模块(206)、回波强度提取模块(207)、实时地形检测模块(208)以及数据转发模块(209)；其中，原始数据分发模块(201)分别与网络通信单元1(119)、回波信号预处理模块(202)、表面声速信息预处理模块(203)和姿态信息预处理模块(204)相连，接收网络通信单元1(119)的原始数据信息并分别向回波信号预处理模块(202)、表面声速信息预处理模块(203)和姿态信息预处理模块(204)分发原始回波数据、表面声速数据和姿态数据；时延聚焦波束形成模块(205)分别与回波信号预处理模块(202)、表面声速预处理模块(203)、姿态信息预处理模块(204)、水体信息提取模块(206)、回波强度提取模块(207)、实时地形检测模块(208)相连，接收经过回波信号预处理模块(202)、表面声速信息预处理模块(203)、姿态信息预处理模块(204)预处理的数据进行时延聚焦波束形成并分别向水体信息提取模块(206)、回波强度提取模块(207)和实时地形检测模块(208)发送波束形成结果；数据转发模块(209)分别与水体信息提取模块(206)、回波强度提取模块(207)、实时地形检测模块(208)和网络通信单元1(119)相连，接收来自水体信息提取模块(206)、回波强度提取模块(207)和实时地形检测模块(208)的水体信息、回波强度和实时地形检测数据并通过依次相连的网络通信单元1(119)和网络交换机(120)发送给控制计算机(103)。
本发明所公开的一种一体化多波束测深装置，其依次相连的同步信号生成单元(107)、信息采集与控制单元(106)、多通道阵列信号发生单元(116)以及多通道发射换能器阵(117)，构成了多通道阵列信号发射回路。其中多通道阵列信号发生单元(116)包括指令解析模块(301)、程控电源模块(302)、多通道时延控制模块(303)、信号生成模块(304)、功率放大模块(305)和变压器耦合模块(306)；其中，指令解析模块(301)分别与信息采集与控制单元(106)、程控电源模块(302)、多通道时延控制模块(303)和信号生成模块(304)单独相连；多通道时延控制模块(303)与功率放大模块(305)、变压器耦合模块(306)以及多通道发射换能器阵(117)依次相连；信号生成模块(304)的输出端与多通道时延控制模块(303)相连，程控电源模块(302)的输出端与功率放大模块(305)相连；指令解析模块(301)接收来自信息采集与控制单元(106)的发射信号控制参数信息进行指令解析并分别向程控电源模块(302)、多通道时延控制模块(303)和信号生成模块(304)分发电压控制信号、姿态参数以及发射信号参数；信号生成模块(304)根据发射信号参数生成特定的发射信号，并输出到多通道时延控制模块(303)并生成含有时延信息的每个通道发射信号；程控电源模块(302)根据电压控制信号向功率放大模块(305)提供特定的电源电压，同时功率放大模块(305)将多通道时延控制模块(303)的输出信号进行放大，并通过变压器耦合模块(306)、多通道发射换能器阵(117)向水中发射声波信号。
本发明所公开的一种一体化多波束测深装置，其特征在于多通道接收换能器阵(115)、多通道阵列信号接收单元(114)以及信息采集与控制单元(106)依次相连，构成多通道阵列信号接收回路。其中多通道阵列信号接收单元(114)包括差分信号输出模块(401)、差分放大器模块(402)、差分转单端模块(403)、可变增益放大器模块(404)、带通滤波模块(405)、模拟数字转换模块(406)和增益控制模块(407)；其中，多通道接收换能器阵(115)输出的微弱电信号通过依次相连的差分信号输出模块(401)、差分放大器模块(402)、差分转单端模块(403)、可变增益放大器模块(404)、带通滤波模块(405)和模拟数字转换模块(406)生成多通道数字信号并传送给信息采集与控制单元(106)；增益控制模块(407)分别与信息采集与控制单元(106)、可变增益放大器模块(404)相连，接收信息采集与控制单元(106)的回波信号幅度信息，并产生增益控制信号调整可变增益放大器模块(404)的放大倍数进而调整接收信号的幅度。
本发明所公开的一种一体化多波束测深装置，其控制计算机(103)根据位于水下声学系统(101)中压力传感器(111)采集的静水压力数据以及位于水上信号处理机(102)气压传感器(121)采集的大气压力数据通过解算获得静水状态下的设备吃水深度
本发明所公开的一种一体化多波束测深装置，其信号处理单元(118)根据温度传感器(110)采集的温度数据修正多通道发射换能器阵(117)和多通道接收换能器阵(115)阵元间距由于温度变化引起的形变。
本发明所公开的一种一体化多波束测深装置，其同步信号生成单元(107)以GNSS模块(123)产生的1PPS秒脉冲信号和UTC时间作为时间基准，生成工作同步信号，并以此工作同步信号为基准计量声速传感器(109)、温度传感器(110)、压力传感器(111)、姿态传感器(112)、罗经(113)所生成数据的绝对时间；同时以此工作同步信号为基准，标记声纳发射时间以及每个接收采样点的绝对时间，从而实现所有数据具有完全一致的绝对时间信息。
本发明所公开的一种一体化多波束测深装置，其基本原理是利用发射换能器基阵向海底发射宽覆盖扇区的声波，并由接收换能器基阵对海底回波进行窄波束接收。通过发射、接收波束相交在海底与船行方向垂直的条带区域形成数以百计的照射脚印(即交叉测量点)，对这些脚印内的反向散射信号同时进行到达时间和到达角度的估计，从而计算得到该点的水深值。当多波束测深声纳沿指定测线连续测量，即可对覆盖范围内的水下地形进行精细测量。传统多波束测深声纳除了通过声波发射与接收换能器阵进行声波广角度定向发射、接收形成多个波束计算水深值外，还需要通过多种不同类型的传感器，例如定位系统、运动传感器、罗经、声速仪等，对各个目标的空间位置进行归算，准确检测与识别海底目标。
本发明所公开的一种一体化多波束测深装置其优点在于系统将所有辅助传感器，包括GNSS定位系统、声速传感器、温度传感器、压力传感器、姿态传感器、罗经集成于一体，同时水下声纳系统中专门设计的信息采集与控制单元和同步信号生成单元对声纳数据、表面声速数据、姿态数据、静水压力以及温度数据实现了完全同步式的实时采集，同时数据实时传输到水上信号处理机中并与GNSS和气压计数据进行有机融合，从而实现所有数据的同时间、同空间和同姿态的采集和处理，使得该装置在使用过程中无需再配合额外的传感器及额外标校流程即可实现高精度水下测绘。
由此可见，本发明设计新颖、技术含量高、易于实现且成本较低，因此可广泛适用于水下地形以及各类水下结构物、管线的精细三维测绘等领域，而且更适合于机动式、快速水下三维地形的测量领域。
附图说明
为了使本发明的内容更利于相关专业技术人员理解，下面对附图进行简单说明。
图1为本发明所述的一体化多波束测深装置的整体结构组成框图。
图2为本发明所述的一体化多波束测深装置中回波信号处理与结果上传回路连接框图。
图3为本发明所述的一体化多波束测深装置中多通道阵列信号发射回路连接框图。
图4为本发明所述的一体化多波束测深装置中多通道阵列信号接收回路连接框图。
图5为本发明所述的一体化多波束测深装置一种实施例中网络通信单元实现电路原理图。
图6为本发明所述的一体化多波束测深装置一种实施例中阵列信号发生单元中程控电源模块的实现电路原理图。
图7为本发明所述的一体化多波束测深装置一种实施例中Cyclone III系列FPGA模块实现电路原理图。
具体实施方案
下面结合附图和本发明一种较佳的具体实施例对本发明作进一步说明。
作为本发明的一种较佳施例，该一体化多波束测深装置，其声学中心工作频率可选为400kHz，多通道接收换能器阵(115)采用96元直线阵结构实现，阵元间距1.875mm，每个阵元形成水平150°垂直30°的接收指向性波束，从而全阵自然指向性为水平1°垂直30°的均匀接收线列阵；多通道发射换能器阵(117)都采用8元U型阵元组成的线阵结构，阵元间距22.5mm，每个发射阵元形成水平150°垂直8°的发射指向性波束，多通道发射换能器阵(117)全阵形成的自然指向性为水平150°垂直1°。
作为本发明的一种较佳施例，该一体化多波束测深装置，其声学中心工作频率也可选为200kHz，多通道接收换能器阵(115)采用96元直线阵结构实现，阵元间距3.75mm，每个阵元形成水平160°垂直30°的接收指向性波束，从而全阵自然指向性为水平1°垂直30°的均匀接收线列阵；多通道发射换能器阵(117)都采用24元U型阵元组成的线阵结构，阵元间距15mm，每个发射阵元形成水平160°垂直24°的发射指向性波束，多通道发射换能器阵(117)全阵形成的自然指向性为水平160°垂直1°；
作为本发明的一种较佳施例，多通道接收换能器阵(115)与多通道发射换能器阵(117)组合形成一种T型结构，水下声学系统的电子仓采用TC4钛合金材料或316L不锈钢材料加工制成。
作为本发明的一种较佳施例，位于水上信号处理机(102)中的信号处理单元(118)由两组图7所示的Cyclone III系列FPGA模块和一片TI公司TMS320C6678系列DSP完成。其中原始数据分发模块(201)、回波信号预处理模块(202)、表面声速预处理模块(203)、姿态信息预处理模块(204)由一组FPGA模块通过逻辑实现；时延聚焦波束形成模块(205)由一组FPGA模块通过逻辑实现；水体信息提取模块(206)、回波强度提取模块(207)、实时地形检测模块(208)由TMS320C6678 DSP芯片通过嵌入式程序实现。
作为本发明的一种较佳施例，位于水上信号处理机(102)中的通信与控制单元(122)也由图7所示的Cyclone III系列FPGA模块实现；网络通信单元1(119)和网络通信单元2(108)由图5所示的W5300网络处理芯片实现。
作为本发明的一种较佳施例，位于水下声学系统(101)中的同步信号生成单元(107)和信息采集与控制单元(106)由一组图7所示的Cyclone III系列FPGA模块通过逻辑实现；声速传感器(109)、温度传感器(110)、压力传感器(111)、姿态传感器(112)、罗经(113)均通过FPGA的通用IO接口与FPGA相连实现数据通信。
作为本发明的一种较佳施例，多通道阵列信号发生单元(116)中的指令解析模块(301)、多通道时延控制模块(303)、信号生成模块(304)由图7所示的Cyclone III系列FPGA模块通过逻辑实现；程控电源模块(302)采用图6所示的由MAX6495、IRFI4110GPBF和X9C103组成的程控电压源实现，为采用标准D类功放实现的功率放大模块(305)提供电源。
以上所述仅为发明的一种较佳可行施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所做的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种一体化多波束测深装置，其特征在于该装置由水下声学系统(101)、水上信号处理机(102)和控制计算机(103)三个主要部分组成，其中水下声学系统(101)和水上信号处理机(102)通过水密电缆(104)进行连接；水上信号处理机(102)和控制计算机(103)通过以太网线(105)进行连接；水下声学系统(101)包括同步信号生成单元(107)、信息采集与控制单元(106)、网络通信单元2(108)、声速传感器(109)、温度传感器(110)、压力传感器(111)、姿态传感器(112)、罗经(113)、多通道阵列信号接收单元(114)、多通道接收换能器阵(115)、多通道阵列信号发生单元(116)和多通道发射换能器阵(117)，其中，多通道接收换能器阵(115)、多通道阵列信号接收单元(114)和信息采集与控制单元(106)依次相连，多通道发射换能器阵(117)、多通道阵列信号发生单元(116)和信息采集与控制单元(106)依次相连，同步信号生成单元(107)、网络通信单元2(108)、声速传感器(109)、温度传感器(110)、压力传感器(111)、姿态传感器(112)、罗经(113)分别和信息采集与控制单元(106)单独相连；水上信号处理机(102)包括信号处理单元(118)、网络通信单元1(119)、网络交换机(120)、气压传感器(121)、通信与控制单元(122)、GNSS天线(124)和GNSS模块(123)，其中，信号处理单元(118)、网络通信单元1(119)和网络交换机(120)依次相连，气压传感器(121)、通信与控制单元(122)和网络交换机(120)依次相连；GNSS天线(124)与水上信号处理机(102)中的GNSS模块(123)、通信与控制单元(122)依次相连；水上信号处理机(102)中的通信与控制单元(122)与水下声学系统(101)中的同步信号生成单元(107)通过位于水密电缆(104)中的数据与控制线相连；水上信号处理机(102)中的网络交换机(120)与水下声学系统(101)中的网络通信单元2(108)通过位于水密电缆(104)中的数据线相连。
2.如权利要求1所述的一体化多波束测深装置，其特征在于依次相连的信号采集与控制单元(106)、网络通信单元2(108)、网络交换机(120)、网络通信单元1(119)、信号处理单元(118)、网络通信单元1(119)、网络交换机(120)以及控制计算机(103)，构成了回波信号处理与结果上传回路。
3.如权利要求1所述的一体化多波束测深装置，其特征在于所述的信号处理单元(118)包括原始数据分发模块(201)、回波信号预处理模块(202)、表面声速信息预处理模块(203)、姿态信息预处理模块(204)、时延聚焦波束形成模块(205)、水体信息提取模块(206)、回波强度提取模块(207)、实时地形检测模块(208)以及数据转发模块(209)；其中，原始数据分发模块(201)分别与网络通信单元1(119)、回波信号预处理模块(202)、表面声速信息预处理模块(203)和姿态信息预处理模块(204)相连，接收网络通信单元1(119)的原始数据信息并分别向回波信号预处理模块(202)、表面声速信息预处理模块(203)和姿态信息预处理模块(204)分发原始回波数据、表面声速数据和姿态数据；时延聚焦波束形成模块(205)分别与回波信号预处理模块(202)、表面声速信息预处理模块(203)、姿态信息预处理模块(204)、水体信息提取模块(206)、回波强度提取模块(207)、实时地形检测模块(208)相连，接收经过回波信号预处理模块(202)、表面声速信息预处理模块(203)、姿态信息预处理模块(204)预处理的数据进行时延聚焦波束形成并分别向水体信息提取模块(206)、回波强度提取模块(207)和实时地形检测模块(208)发送波束形成结果；数据转发模块(209)分别与水体信息提取模块(206)、回波强度提取模块(207)、实时地形检测模块(208)和网络通信单元1(119)相连，接收来自水体信息提取模块(206)、回波强度提取模块(207)和实时地形检测模块(208)的水体数据、回波强度数据和实时地形检测数据并通过依次相连的网络通信单元1(119)和网络交换机(120)发送给控制计算机(103)。
4.如权利要求1所述的一体化多波束测深装置，其特征在于依次相连的同步信号生成单元(107)、信息采集与控制单元(106)、多通道阵列信号发生单元(116)以及多通道发射换能器阵(117)，构成了多通道阵列信号发射回路。
5.如权利要求1所述的一体化多波束测深装置，其特征在于所述的多通道阵列信号发生单元(116)包括指令解析模块(301)、程控电源模块(302)、多通道时延控制模块(303)、信号生成模块(304)、功率放大模块(305)和变压器耦合模块(306)；其中，指令解析模块(301)分别与信息采集与控制单元(106)、程控电源模块(302)、多通道时延控制模块(303)和信号生成模块(304)单独相连；多通道时延控制模块(303)与功率放大模块(305)、变压器耦合模块(306)以及多通道发射换能器阵(117)依次相连；信号生成模块(304)的输出端与多通道时延控制模块(303)相连，程控电源模块(302)的输出端与功率放大模块(305)相连；指令解析模块(301)接收来自信息采集与控制单元(106)的发射信号控制参数信息进行指令解析并分别向程控电源模块(302)、多通道时延控制模块(303)和信号生成模块(304)分发电压控制信号、姿态参数以及发射信号参数；信号生成模块(304)根据发射信号参数生成特定的发射信号，并输出到多通道时延控制模块(303)生成含有时延信息的每个通道发射信号；程控电源模块(302)根据电压控制信号向功率放大模块(305)提供特定的电源电压，同时功率放大模块(305)将多通道时延控制模块(303)的输出信号进行放大，并通过变压器耦合模块(306)、多通道发射换能器阵(117)向水中发射声波信号。
6.如权利要求1所述的一体化多波束测深装置，其特征在于多通道接收换能器阵(115)、多通道阵列信号接收单元(114)以及信息采集与控制单元(106)依次相连，构成多通道阵列信号接收回路。
7.如权利要求1所述的一体化多波束测深装置，其特征在于多通道阵列信号接收单元(114)包括差分信号输出模块(401)、差分放大器模块(402)、差分转单端模块(403)、可变增益放大器模块(404)、带通滤波模块(405)、模拟数字转换模块(406)和增益控制模块(407)；其中，多通道接收换能器阵(115)输出的微弱电信号通过依次相连的差分信号输出模块(401)、差分放大器模块(402)、差分转单端模块(403)、可变增益放大器模块(404)、带通滤波模块(405)和模拟数字转换模块(406)生成多通道数字信号并传送给信息采集与控制单元(106)；增益控制模块(407)分别与信息采集与控制单元(106)、可变增益放大器模块(404)相连，接收信息采集与控制单元(106)的回波信号幅度信息，并产生增益控制信号调整可变增益放大器模块(404)的放大倍数进而调整接收信号的幅度。
8.如权利要求1所述的一体化多波束测深装置，其特征在于控制计算机(103)根据位于水下声学系统(101)中压力传感器(111)采集的静水压力数据以及位于水上信号处理机(102)气压传感器(121)采集的大气压力数据通过解算获得静水状态下的设备吃水深度。
9.如权利要求1所述的一体化多波束测深装置，其特征在于信号处理单元(118)根据温度传感器(110)采集的温度数据修正多通道发射换能器阵(117)和多通道接收换能器阵(115)阵元间距由于温度变化引起的形变。
10.如权利要求1所述的一体化多波束测深装置，其特征在于同步信号生成单元(107)以GNSS模块(123)产生的1PPS秒脉冲信号和UTC时间作为时间基准，生成工作同步信号，并以此工作同步信号为基准计量声速传感器(109)、温度传感器(110)、压力传感器(111)、姿态传感器(112)、罗经(113)所生成数据的绝对时间；同时以此工作同步信号为基准，标记声纳发射时间以及每个接收采样点的绝对时间，从而实现所有数据具有完全一致的绝对时间信息。
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