CN110824483A - 一种组合式多波束成像声呐 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种组合式多波束成像声呐，属于声学技术领域。其结构由观测终端、声学终端组成，观测终端接收声学终端上传数据并显示水中目标图像等信息，及实现对成像声呐的工作状态控制及参数设置。声学终端由信号发生系统、信号采集与处理系统、1个发射换能器阵、2个接收换能器阵组成，实现声信号发射、接收、采集与处理，并将获得的声呐图像上传至观测终端。采用D类推挽功率放大电路直接发射方波信号的方案，将大大简化信号源的复杂程度，发射机电路也会得到相应的简化，从而节省了硬件成本。它解决了传统二维成像声呐只能在水平方向上对目标方位进行判别的问题，进而形成三维成像声呐探测能力，可广泛用于水下目标探测与识别等领域。

Description

一种组合式多波束成像声呐
技术领域
本发明属于声学技术领域，具体涉及一种组合式多波束成像声呐。
背景技术
随着海洋工程水下作业受海况及复杂地质、水文条件影响，水下能见度低下给ROV进行水下作业带来了极大的困难，ROV无法通过其摄像头直接对水下结构物进行清晰的观察监控，导致其无法高效、安全的开展水下作业。在此时，多波束成像技术的应用则成为ROV顺利完成水下工程作业的有利工具。
多波束成像技术的应用，其载体一般为成像声纳，其工作原理是利用发射换能器阵列向海底结构物发射宽扇区覆盖的声波，利用接收换能器阵列对声波进行窄波束接收，通过发射、接收扇区指向的正交性形成对海底地形的照射脚印。对这些脚印进行恰当的处理，一次探测就能给出与航向垂直的垂面内上百个甚至更多的结构物被测点的测量值，从而能够精确、快速地测出沿航线一定宽度内水下结构物的大小、形状和高低变化，比较可靠地描绘出水下结构物的形状。
根据声学成像原理，采用十字阵和由二维声呐机械旋转合成三维图像的形式，但是成像过程中无法获取视场内目标的二维角度信息，需要对场景进行动态扫描，以牺牲时间为代价获取三维空间图像信息，导致图像刷新率低，动态目标捕捉能力弱，而且成像系统对水面或水下载体平台的姿态和运动平稳性要求非常高。采用二维面阵获取三维图像，但二维阵列所带来的系统硬件成本及复杂度较高，如Echoscope Mark II三维成像声呐，同时形成128×128个波束，在开角50°×50°的范围内对水下目标进行二维角度估计，需耗费大量的硬件资源。本发明提出的组合式多波束成像声呐方法，至于要在常规二维成像声呐基础上增加一个相同的接收换能器阵，也就是采用双接收线阵代替接收面阵，与三维成像声呐波束数目N×N相比，形成的波束数目为N+N。
发明内容
本发明的目的在于提供系统结构及规模大大简化的一种组合式多波束成像声呐。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
本发明涉及的组合式多波束成像声呐由以下部分组成：观测终端、声学终端组成。
观测终端为计算机或平板电脑，内置实时成像软件，并实现对声学终端的工作参数及命令设置。
声学终端由信号发生系统、信号采集与处理系统、1个发射换能器阵、2个接收换能器阵组成，其中信号发生系统用于驱动成像声呐发射换能器阵，以向水中辐射声信号，信号采集与处理系统用于对接收换能器转换后的电信号进行采集与处理，获得水中目标图像信息，1个发射换能器完成电信号-声信号转换，2个发射换能器完成声信号-电信号转换。
信号发生系统由信号源电路、功率放大电路组成，传统的信号源一般采用DSP+RAM+D/A的方式进行构建，事先将设计好的波形存储于RAM中，工作时按照同步周期由DSP读出后写入D/A，再经过带通滤波后送给功率放大电路，其信号形式多为CW脉冲信号或线性调频信号。本发明充分考虑到发射换能器阵的滤波特性，方波信号经过换能器辐射到水中后将变成正弦波，与直接发射正弦波的效果是相同的。采用D类推挽功率放大电路直接发射方波信号的方案，将大大简化信号源的复杂程度，发射机电路也会得到相应的简化，从而节省了硬件成本。本发明采用一片FPGA实现信号源的全部功能。FPGA的I/O引脚产生方波信号，每路信号用两路I/O分别表示方波的上半周和下半周，方波的个数确定发射信号的宽度。在FPGA内部利用DDS原理产生周期实时变化的方波信号，最终得到CW和LFM信号。
信号采集与处理系统由信号调理电路、信号处理电路组成，信号调理电路主要由固定增益放大器、带通滤波器、可变增益放大器、模数转换模块三部分组成，其中带通滤波器用于滤除工作信号频带外的噪声，可变增益放大器实现接收信号的时变增益放大，模数转换模块完成接收信号模拟量到数字量的转换。信号处理电路为FPGA与DSP组成的信号处理阵列，其中FPGA完成模数转换模块控制，按照设定采样率完成模数转换，并完成多路数字信号的滤波、正交变换、波束形成等规整、重复性强的处理算法，DSP完成波束形成后的目标方位角估计等复杂算法。
信号发生系统与信号采集与处理系统固定于防水电子舱内，换能器阵安装于防水电子舱外，组成完整的水下终端。
组合式多波束成像声呐的组合式体现在，发射换能器与接收换能器均为线阵，其中一个接收换能器与发射换能器垂直布放，呈L型分布，完成目标水平方位角的估计，另外一个接收换能器与发射换能器平行布放，完成目标垂直角的估计，即可实现多波束成像声呐视场内目标的有效方位估计。在常规二维成像声呐的基础上，增加一个与发射阵平行的接收换能器阵。
本发明的有益效果在于：
解决了传统二维成像声呐只能获得单一方向目标方位角的问题，与传统的三维成像声呐相比，系统结构及规模大大简化，可广泛用于各位水中目标探测任务。
附图说明
图1为五波束探鱼仪的结构原理框图；
图2为换能器阵布放示意图；
图3为空间波束形成示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
一种组合式多波束成像声呐，由观测终端和声学终端组成：
观测终端为计算机或平板电脑，内置实时成像软件，声学终端由信号发生系统、信号采集与处理系统、1个发射换能器阵、2个接收换能器阵组成；
其中信号发生系统由信号源电路、功率放大电路组成，信号采集与处理系统由信号调理电路、信号处理电路组成，信号调理电路由固定增益放大器、带通滤波器、可变增益放大器、模数转换模块三部分组成，信号处理电路为FPGA与DSP组成的信号处理阵列；
信号发生系统与信号采集与处理系统固定于防水电子舱内，换能器阵安装于防水电子舱外，组成完整的水下终端。
所述的信号源电路采用D类推挽功率放大电路直接发射方波信号，简化信号源的复杂程度和发射机电路，具体为：采用一片FPGA实现，FPGA的I/O引脚产生方波信号，每路信号用两路I/O分别表示方波的上半周和下半周，方波的个数确定发射信号的宽度，在FPGA内部利用DDS原理产生周期实时变化的方波信号，最终得到CW和LFM信号。
所述的发射换能器与接收换能器均为线阵，其中一个接收换能器与发射换能器垂直布放，呈L型分布，另外一个接收换能器与发射换能器平行布放，另外增加一个与发射阵平行的接收换能器阵。
所述的观测终端与声学终端通过网线进行连接，完成数据交互。
本发明的声学终端安装在测量船龙骨下方或者舷侧，声学终端安装支架的前后方向需要用钢丝绳或者吊装带拉紧，以免在测量船航行过程中声学终端存在剧烈的颤抖，进而影响探测效果。换能器入水前，应该用酒精擦拭声学终端换能器阵辐射面，这样可以防止换能器阵入水后辐射面与水之间存在气泡，进而影响探测效果。
工作流程为：信号产生系统按照设定的显控终端设定的工作参数产生对应的探测信号，并以一定的功率发射出去。信号采集与处理系统避开混响时间后开始接收，混响时间一般为探测信号脉宽的二倍。同时，信号采集与处理系统开始采集并解算，解算包括水下目标的方位角、反射强度等，通过网线传送至显控终端，实时显示探测结果，同时将结果数据存入显控终端的硬盘内。
具体工作方式如附图3所示，其中发射换能器阵的发射扇面是在航迹向与垂直于航迹向均有一定覆盖能力的宽波束，接收换能器阵1进行波束形成后，形成上百个与发射波束正交的窄接收波束1，可实现目标垂直于航迹向方位角的判断，但航迹向方位角无法判断。接收换能器阵2进行波束形成后，形成上百个与发射波束正交的窄接收波束2，可实现目标航迹向方位角的判断，与接收波束1获取的垂直于航迹向方位角相结合，即可实现目标的二维方位角获取。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种组合式多波束成像声呐，其特征在于，由观测终端和声学终端组成：
观测终端为计算机或平板电脑，内置实时成像软件，声学终端由信号发生系统、信号采集与处理系统、1个发射换能器阵、2个接收换能器阵组成；
其中信号发生系统由信号源电路、功率放大电路组成，信号采集与处理系统由信号调理电路、信号处理电路组成，信号调理电路由固定增益放大器、带通滤波器、可变增益放大器、模数转换模块三部分组成，信号处理电路为FPGA与DSP组成的信号处理阵列；
信号发生系统与信号采集与处理系统固定于防水电子舱内，换能器阵安装于防水电子舱外，组成完整的水下终端。
2.根据权利要求1所述的一种组合式多波束成像声呐，其特征在于，所述的信号源电路采用D类推挽功率放大电路直接发射方波信号，简化信号源的复杂程度和发射机电路，具体为：采用一片FPGA实现，FPGA的I/O引脚产生方波信号，每路信号用两路I/O分别表示方波的上半周和下半周，方波的个数确定发射信号的宽度，在FPGA内部利用DDS原理产生周期实时变化的方波信号，最终得到CW和LFM信号。
3.根据权利要求1所述的一种组合式多波束成像声呐，其特征在于，所述的发射换能器与接收换能器均为线阵，其中一个接收换能器与发射换能器垂直布放，呈L型分布，另外一个接收换能器与发射换能器平行布放，另外增加一个与发射阵平行的接收换能器阵。
4.根据权利要求1所述的一种组合式多波束成像声呐，其特征在于，所述的观测终端与声学终端通过网线进行连接，完成数据交互。
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