CN111352115A - 一种高分辨测深侧扫声呐及其探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高分辨测深侧扫声呐，涉及水下探测设备技术领域。通过平行于航向且设置于电子密封舱两侧的收发合置换能器，可得到垂直于航向的声信号范围内的地貌侧扫脚印，从而得到地貌侧扫成像；通过垂直于航向且设置于电子密封舱艏部的接收换能器阵，得到横向排布的接收脚印，接收脚印与地貌侧扫脚印的重叠部分处理后可得到地形测深成像；通过地貌侧扫成像，根据亮度与阴影信息，判断是否为目标物；通过地形测深信息，根据其高度信息，结合地貌侧扫成像中的亮度与阴影信息，可有效判断目标形状大小，进而区分水下小目标与干扰，大大减少了虚警产生的概率，有效提高了水下探测的作业效率。
Description
技术领域
本发明涉及水下探测设备技术领域，具体涉及一种高分辨测深侧扫声呐及其探测方法。
背景技术
随着国家海洋战略的推进以及海洋经济的蓬勃发展，水下调查作业越来越受到人们的重视。在海洋牧场建设、水下搜救、水下考古、海洋采矿以及海洋油气输送等领域，需要对水下目标进行精确的检测与定位。由于电磁波信号在水下快速衰减特性，水下目标检测与定位通常利用各种声呐设备。目前常用的水下探测系统有：
1.利用侧扫声呐或合成孔径声呐系统进行水底地貌成像，根据成像结果中的亮度信息与阴影信息识别目标；
2.利用高分辨多波束测深系统进行水底地形成像，根据成像结果中的高度信息与伪侧扫瀑布图识别目标；
3.利用相干测深侧扫声呐系统同时进行水底地形地貌成像，根据成像结果中的亮度与高度信息识别目标。
目前水下探测特别是水下搜救一般分为三个步骤，先用声呐探测判断目标是否存在，再用ROV进行水下拍摄确认目标，最后出动蛙人潜水实地考察确认。从上述步骤可以看出，声呐系统的准确性直接影响后续探测的进行方向。
现有系统中侧扫声呐或合成孔径声呐系统，仅仅能获得水底地貌信息，无法借助目标的高度信息提高目标探测成功率，而且对悬浮目标探测会存在误差；高分辨多波束测深系统仅能获得水底地形信息，其伪侧扫地貌图像中往往不包含目标阴影这一关键信息；相干测深侧扫声呐通过增加一排水平接收换能器阵，并利用了相干处理手段，通过增加系统复杂度的方式，同时获取水底地形地貌成像，但是其地形成像的分辨率较低。
上述这些制约因素，使得水下调查时无法区分水下目标与干扰目标，会产生较高的虚警数量，极大地限制了水下探测的作业效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高分辨测深侧扫声呐及其探测方法，能够同时获取高分辨的水底地形地貌成像，为水下小目标探测提供高分辨的目标高度信息、亮度信息与阴影信息，解决现有探测设备虚警概率高、探测效率低的问题。
为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：一种高分辨测深侧扫声呐，其特征在于：包括甲板单元和水下单元，所述甲板单元主要是设置于母船上的控制台；所述控制台主要由控制模块、存储模块和电源模块构成；所述水下单元包括电子密封舱、左舷收发合置换能器、右舷收发合置换能器和接收换能器阵，所述电子密封舱固定于母船底部，左舷收发合置换能器和右舷收发合置换能器相对设置于电子密封舱两侧，左舷收发合置换能器和右舷收发合置换能器均与母船航向平行设置，接收换能器阵固定于电子密封舱艏部且与母船航向垂直；
所述电子密封舱内部设置有主控板、电源通信板、换能器信号接收采集板、左舷发射接收板和右舷发射接收板；
所述电源通信板通过水密电缆与控制台连接，电源通信板、换能器信号接收采集板、左舷发射接收板和右舷发射接收板均与主控板电信号连接；换能器信号接收采集板通过水密电缆与接收换能器阵连接；左舷发射接收板通过水密电缆与左舷收发合置换能器连接；右舷发射接收板通过水密电缆与右舷收发合置换能器连接；
所述换能器信号接收采集板由信号采集调理模块、模数转换模块、数字滤波模块依次连接而成；所述左舷发射接收板由功率放大器模块、信号采集调理模块、收发转换模块依次连接而成；所述右舷发射接收板由功率放大器模块、信号采集调理模块、收发转换模块依次连接而成。
更进一步的技术方案是所述左舷收发合置换能器和右舷收发合置换能器呈45°～60°
夹角设置。
更进一步的技术方案是所述电子密封舱顶部设置有安装法兰，电子密封舱通过安装法兰固定于母船上，水密电缆从安装法兰中间穿出。
更进一步的技术方案是所述控制台上还外接有GPS系统、表面声速头、姿态传感器。
本发明还可以是一种高分辨测深侧扫声呐的探测方法，其特征在于包括如下步骤：
S1.发射声信号：控制台给出探测触发信号，主控板得到信号后，驱动左舷发射接收板、右舷发射接收板产生功率放大器模块的发射驱动信号，通过收发转换模块驱动左舷收发合置换能器、右舷收发合置换能器发出声信号，声信号在水底分别形成左侧和右侧地貌侧扫脚印；
S2.接收声信号：步骤S1中左右两侧的声信号达到水底后产生散射回波信号，分别通过左舷发射接收板、右舷发射接收板中的收发转换模块结合信号采集调理模块，对接收的回波信号进行放大、滤波、数模转换后发送至主控板；地貌侧扫脚印内目标的散射回波信号，换能器信号接收采集板中的信号采集调理模块、模数转换模块、数字滤波模块对信号进行放大、模数转换、数字滤波后发送至主控板；
S3.信号处理：
1)左侧、右侧地貌侧扫脚印产生的回波信号经主控板进行常规侧扫声呐信号处理，得到左、右舷地貌侧扫成像；
2)主控板对换能器信号接收采集板传回的信号进行横向波束的波束形成处理，形成横向排布的接收脚印，分析接收脚印与地貌侧扫脚印相重叠部分，得到横向排布的地形测深脚印；
3)主控板对步骤2)中的横向波束形成处理结果进行底检测处理，得到波束方向的到达时间估计，进一步结合波束的波束指向角，得到地形测深脚印上的地形测深成像结果。
工作原理：
将水下单元通过安装法兰固定于母船底部安装平台上，通过水密电缆将水下单元与甲板控制台连接好，将控制台接电，市电经控制台转换成直流电，通过水密电缆提供给水下单元的电源通信板，为电子密封舱内各电路部件供电。
得电后的声呐系统处于工作状态，控制台将命令传送给主控板，主控板驱动左/右舷发射接收板，左/右舷收发合置换能器向水下发射声信号，声信号在水底形成地貌侧扫脚印，左/右舷收发合置换能器接收脚印内目标的散射回波信号，在水下部分的主控板内进行常规侧扫声呐信号处理，得到左、右舷地貌侧扫成像(亮度与阴影信息)。
同时，接收换能器阵接收地貌侧扫脚印内目标的散射回波信号，在水下部分的主控板内进行横向波束的波束形成处理，形成横向排布的接收脚印，接收脚印与地貌侧扫脚印相重叠，得到横向排布的地形测深脚印。
主控板同步对横向波束形成处理结果进行底检测处理，得到波束方向的到达时间估计，进一步结合波束的波束指向角，得到地形测深脚印上的地形测深成像结果(高度信息)。随着水下部分沿着航行方向运动，就得到了水底地形地貌的高分辨测深侧扫成像。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：提供一种操作简单、使用方便的高分辨测深侧扫声呐及其探测方法，通过平行于航向且设置于电子密封舱两侧的收发合置换能器，可得到垂直于航向的声信号范围内的地貌侧扫脚印，从而得到地貌侧扫成像；通过垂直于航向且设置于电子密封舱艏部的接收换能器阵，得到横向排布的接收脚印，接收脚印与地貌侧扫脚印的重叠部分处理后可得到地形测深成像；通过地貌侧扫成像，根据亮度与阴影信息，判断是否为目标物；通过地形测深信息，根据其高度信息，结合地貌侧扫成像中的亮度与阴影信息，可有效判断目标形状大小，进而区分水下小目标与干扰，大大减少了虚警产生的概率，有效提高了水下探测的作业效率。
附图说明
图1为本发明中高分辨测深侧扫声呐的结构框图。
图2为本发明中水下单元的三维结构示意图。
图3为本发明中水下单元的正面结构示意图。
图4为本发明中高分辨测深侧扫声呐使用状态图。
图5为本发明中高分辨测深侧扫声呐的工作原理图。
图中：1-母船，2-控制台，3-电子密封舱，4-左舷收发合置换能器，5-右舷收发合置换能器，6-接收换能器阵，31-主控板，32-电源通信板，33-换能器信号接收采集板，34-左舷发射接收板，35-右舷发射接收板，36-安装法兰。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种高分辨测深侧扫声呐，包括甲板单元和水下单元，所述甲板单元主要是设置于母船1上的控制台2，控制台2主要由控制模块、存储模块和电源模块构成。
如图3所示，所述水下单元包括电子密封舱3、左舷收发合置换能器4、右舷收发合置换能器5和接收换能器阵6，所述电子密封舱3固定于母船1底部，左舷收发合置换能器4和右舷收发合置换能器5固定于电子密封舱3两侧且与母船1航向平行，接收换能器阵6固定于电子密封舱3艏部且与母船1航向垂直。
如图2所示，为减小电子密封舱3体积和质量，电子密封舱3本体底部向下凸形成T字形凸部，左舷收发合置换能器4、右舷收发合置换能器5相对设置在凸部与母船1航向平行的两侧板上，接收换能器阵6设置在凸部与母船1航向平行垂直的平面上，电子密封舱3尾部与两侧壁设置有倒角。
所述电子密封舱3内部设置有主控板31、电源通信板32、换能器信号接收采集板33、左舷发射接收板34和右舷发射接收板35。所述电源通信板32通过水密电缆与控制台2连接，电源通信板32、换能器信号接收采集板33、左舷发射接收板34和右舷发射接收板35均与主控板31电信号连接；换能器信号接收采集板33通过水密电缆与接收换能器阵6连接；左舷发射接收板34通过水密电缆与左舷收发合置换能器4连接；右舷发射接收板35通过水密电缆与右舷收发合置换能器5连接。
如图1所示，所述换能器信号接收采集板33由信号采集调理模块、模数转换模块、数字滤波模块依次连接而成；所述左舷发射接收板34由功率放大器模块、信号采集调理模块、收发转换模块依次连接而成；所述右舷发射接收板35由功率放大器模块、信号采集调理模块、收发转换模块依次连接而成。
如图4所示，声呐工作时，将水下单元的电子密封舱3固定于母船1底部安装平台上，通过水密电缆将水下单元与甲板上的控制台2连接好，将控制台2接电。
控制台2主要由控制模块、存储模块和电源模块构成。其电源模块可将220V市电转换成24V直流电，通过水密电缆提供给水下单元的电源通信板32，电源通信板32将其转换成各电路部件需要的电压，并为电子密封舱3内各电路部件供电。水密电缆将水下单元发送来的原始数据与处理结果，传送至控制模块和存储模块；同时将控制模块的控制命令传送至主控板31。
如图5所示，得电后的声呐系统处于工作状态，主控板31驱动左舷发射接收板34，产生功率放大器模块的发射驱动信号，通过收发转换模块驱动左舷收发合置换能器4发出声信号，声信号在水底形成左侧地貌侧扫脚印。声信号触到水底后产生散射回波信号，通过收发转换模块结合信号采集调理模块，对接收的回波信号进行放大、滤波、数模转换后发送至主控板31。同样的，右舷收发合置换能器4及其左舷发射接收板34也同样发射和接收信号。在主控板31内进行常规侧扫声呐信号处理，得到左、右舷地貌侧扫成像(亮度与阴影信息)。
其中左/右舷收发合置换能器既能将电信号转化为声信号发射出去，也能接收声信号将其转化为电信号，其航向波束宽度小于0.4°，横向波束宽度为80°。
同时，接收换能器阵6接收地貌侧扫脚印内目标的散射回波信号，换能器信号接收采集板33中的信号采集调理模块、模数转换模块、数字滤波模块对信号进行放大、模数转换、数字滤波后发送至主控板31，主控板31对其进行横向波束的波束形成处理，形成横向排布的接收脚印，接收脚印与地貌侧扫脚印相重叠，得到横向排布的地形测深脚印。
主控板31同步对横向波束形成处理结果进行底检测处理，得到波束方向的到达时间估计，进一步结合波束的波束指向角，得到地形测深脚印上的地形测深成像结果(高度信息)。随着水下部分沿着航行方向运动，就得到了水底地形地貌的高分辨测深侧扫成像。
其中接收换能器阵6仅接收声信号并将其转化为电信号，换能器单元的航向波束宽度为10°，横向波束宽度为160°，相邻基元间距离为工作波长的一半。
探测过程中侧扫成像上的亮度与阴影信息可判断哪些疑似为探测目标，但水下石块或者垃圾也会产生亮度信息，被声呐判断为是探测目标。此时需结合高度信息即地形测深成像结果，将其与探测目标进行区分，排除诸如石块和垃圾等造成的虚警信息，能大大提高水下探测的作业效率。
实施例2
为进一步优化实施例1中的技术方案，本实施例中所述左舷收发合置换能器4和右舷收发合置换能器5呈45°～60°夹角设置。两者夹角越小横向波束重复区域越多，侧扫范围越小，不利于探测效率的提高；两者夹角越大横向波束重复区域越少，侧扫范围越大，易漏掉中间区域的目标。
实施例3
为进一步优化实施例1中的技术方案，本实施例中所述电子密封舱3顶部设置有安装法兰36，电子密封舱3通过安装法兰36固定于母船1上，水密电缆从安装法兰36中间穿出。通过安装法兰36快速将水下单元规定在母船1上，便于拆装维护，同时不同于拖曳式的声呐，固定式声呐可避免水体波动对其的影响，使探测更为准确。
实施例4
为进一步优化实施例1中的技术方案，本实施例中所述控制台2上还外接有GPS系统、表面声速头、姿态传感器。外接设备极大的丰富了声呐的功能，使其适用范围更广。
实施例5
一种高分辨测深侧扫声呐的探测方法，其特征在于包括如下步骤：
S1.发射声信号：控制台2给出探测触发信号，主控板31得到信号后，驱动左舷发射接收板34、右舷发射接收板35产生功率放大器模块的发射驱动信号，通过收发转换模块驱动左舷收发合置换能器4、右舷收发合置换能器5发出声信号，声信号在水底分别形成左侧和右侧地貌侧扫脚印；
S2.接收声信号：步骤S1中左右两侧的声信号达到水底后产生散射回波信号，分别通过左舷发射接收板34、右舷发射接收板35中的收发转换模块结合信号采集调理模块，对接收的回波信号进行放大、滤波、数模转换后发送至主控板31；地貌侧扫脚印内目标的散射回波信号，换能器信号接收采集板33中的信号采集调理模块、模数转换模块、数字滤波模块对信号进行放大、模数转换、数字滤波后发送至主控板31；
S3.信号处理：
1)左侧、右侧地貌侧扫脚印产生的回波信号经主控板31进行常规侧扫声呐信号处理，得到左、右舷地貌侧扫成像；
2)主控板31对换能器信号接收采集板33传回的信号进行横向波束的波束形成处理，形成横向排布的接收脚印，分析接收脚印与地貌侧扫脚印相重叠部分，得到横向排布的地形测深脚印；
3)主控板31对步骤2)中的横向波束形成处理结果进行底检测处理，得到波束方向的到达时间估计，进一步结合波束的波束指向角，得到地形测深脚印上的地形测深成像结果。
尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的范围内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对组成部件或布局进行多种变形和改进。除了对组成部件或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。
Claims (5)
1.一种高分辨测深侧扫声呐，其特征在于：包括甲板单元和水下单元，所述甲板单元主要是设置于母船(1)上的控制台(2)；所述控制台(2)主要由控制模块、存储模块和电源模块构成；
所述水下单元包括电子密封舱(3)、左舷收发合置换能器(4)、右舷收发合置换能器(5)和接收换能器阵(6)，所述电子密封舱(3)固定于母船(1)底部，左舷收发合置换能器(4)和右舷收发合置换能器(5)相对设置于电子密封舱(3)两侧，左舷收发合置换能器(4)和右舷收发合置换能器(5)均与母船(1)航向平行设置，接收换能器阵(6)固定于电子密封舱(3)艏部且与母船(1)航向垂直；
所述电子密封舱(3)内部设置有主控板(31)、电源通信板(32)、换能器信号接收采集板(33)、左舷发射接收板(34)和右舷发射接收板(35)；
所述电源通信板(32)通过水密电缆与控制台(2)连接，电源通信板(32)、换能器信号接收采集板(33)、左舷发射接收板(34)和右舷发射接收板(35)均与主控板(31)电信号连接；换能器信号接收采集板(33)通过水密电缆与接收换能器阵(6)连接；
左舷发射接收板(34)通过水密电缆与左舷收发合置换能器(4)连接；右舷发射接收板(35)通过水密电缆与右舷收发合置换能器(5)连接；
所述换能器信号接收采集板(33)由信号采集调理模块、模数转换模块、数字滤波模块依次连接而成；
所述左舷发射接收板(34)由功率放大器模块、信号采集调理模块、收发转换模块依次连接而成；
所述右舷发射接收板(35)由功率放大器模块、信号采集调理模块、收发转换模块依次连接而成。
2.根据权利要求1所述的一种高分辨测深侧扫声呐，其特征在于：所述左舷收发合置换能器(4)和右舷收发合置换能器(5)呈45°～60°夹角设置。
3.根据权利要求1所述的一种高分辨测深侧扫声呐，其特征在于：所述电子密封舱(3)顶部设置有安装法兰(36)，电子密封舱(3)通过安装法兰(36)固定于母船(1)上，水密电缆从安装法兰(36)中间穿出。
4.根据权利要求1所述的一种高分辨测深侧扫声呐，其特征在于：所述控制台(2)上还外接有GPS系统、表面声速头、姿态传感器。
5.一种高分辨测深侧扫声呐的探测方法，其特征在于包括如下步骤：
S1.发射声信号：控制台(2)给出探测触发信号，主控板(31)得到信号后，驱动左舷发射接收板(34)、右舷发射接收板(35)产生功率放大器模块的发射驱动信号，通过收发转换模块驱动左舷收发合置换能器(4)、右舷收发合置换能器(5)发出声信号，声信号在水底分别形成左侧和右侧地貌侧扫脚印；
S2.接收声信号：步骤S1中左右两侧的声信号达到水底后产生散射回波信号，分别通过左舷发射接收板(34)、右舷发射接收板(35)中的收发转换模块结合信号采集调理模块，对接收的回波信号进行放大、滤波、数模转换后发送至主控板(31)；地貌侧扫脚印内目标的散射回波信号，换能器信号接收采集板(33)中的信号采集调理模块、模数转换模块、数字滤波模块对信号进行放大、模数转换、数字滤波后发送至主控板(31)；
S3.信号处理：
1)左侧、右侧地貌侧扫脚印产生的回波信号经主控板(31)进行常规侧扫声呐信号处理，得到左、右舷地貌侧扫成像；
2)主控板(31)对换能器信号接收采集板(33)传回的信号进行横向波束的波束形成处理，形成横向排布的接收脚印，分析接收脚印与地貌侧扫脚印相重叠部分，得到横向排布的地形测深脚印；
3)主控板(31)对步骤2)中的横向波束形成处理结果进行底检测处理，得到波束方向的到达时间估计，进一步结合波束的波束指向角，得到地形测深脚印上的地形测深成像结果。
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Denomination of invention: A high-resolution depth measurement side scan sonar and its detection method Granted publication date: 20220315 Pledgee: Agricultural Bank of China Limited Kunming Xishan District sub branch Pledgor: Haiying Deep Sea Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2024980002930 |