CN113030982B - 双频超高分辨率测深侧扫声纳系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双频超高分辨率测深侧扫声纳系统，涉及声纳技术领域，能够实现测深侧扫双频段工作，既满足宽覆盖扫测任务，又满足超高分辨率识别需求；该系统包括：双频声纳换能器阵，用于发射预设频率的声纳信号以及接收回波信号；声纳电子分机，生成满足Ping率要求的宽带线性调频信号，并输送给双频声纳换能器阵进行信号转换和发射，对双频声纳换能器阵接收的回波信号进行处理；控制模块，用于控制声纳电子分机工作；传感器，用于监测载体环境数据并为声纳电子分机提供时钟信号；双频声纳换能器阵采用多子阵宽带换能器阵，测深及侧扫信号处理时根据需要选择不同子阵的数据进行处理和计算。本发明提供的技术方案适用于水下测量的过程中。

Description

双频超高分辨率测深侧扫声纳系统

技术领域

本发明涉及声纳技术领域，尤其涉及一种双频超高分辨率测深侧扫声纳系统。

背景技术

近些年来，随着全球经济的发展，人类对资源的消耗日益增加，原有的陆地资源已不能满足人类经济社会发展的需要，于是各国纷纷把目光投入广袤的海洋，开拓和探索海洋资源已经成为了各国竞相追逐的目标。

我国也把海洋探索放在极为重要的位置，由于声信号是海洋里唯一可以长距离传播的能量形式，因此海洋探测通常选用主动探测声纳，其中一种较为常见的声纳称为侧扫声纳，早期的侧扫声纳通常采用单条接收阵元，仅具备生成扫测区域的地貌图的侧扫功能，不具备测深功能。后期侧扫声纳在换能器阵内增加了多条平行接收线阵，通过估计回波达到不同线阵的相位差来估计信号的来波角度，进而推算出海底相对于声纳阵的深度及位置信息，使其具备了生成海底三维地形的测深功能。近些年来，随着对海底微地形地貌和小目标探测需求日益迫切，对声纳侧扫分辨率、测深精度及实时性等指标提出了更高的要求，但国内尚无公开的论文或专利可以同时满足以上要求的测深侧扫声纳。

国外科研机构和商业公司近年来陆续推出了相关侧扫声纳及测深侧扫声纳产品，比较典型的包括美国Klein公司研制的4900型侧扫声纳、5000V2型测深侧扫声纳、Edgetech公司的2205型测深侧扫声纳。其中，侧扫声纳主要向双频及多频方向发展，一般工作频率较高(≥400KHz)，可提供高分辨率的侧扫数据，但一般不提供测深功能，无法获取海底三维地形数据；测深侧扫声纳一般工作在单频模式(≤500KHz)，能够提供较高分辨率的侧扫数据及较高精度的测深数据，但提供的侧扫数据分辨率略差于双频侧扫声纳。

目前尚未有同时满足超高的侧扫分辨率及高测深精度的测深侧扫声纳产品。

因此，有必要研究一种双频超高分辨率测深侧扫声纳系统来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种双频超高分辨率测深侧扫声纳系统，能够产生双频测深侧扫声纳信号，既可以满足宽覆盖扫测任务的需求，又可以满足超高分辨率的识别需求，具有良好的任务适应性。

本发明提供一种双频超高分辨率测深侧扫声纳系统，其特征在于，所述系统包括：

双频声纳换能器阵，用于发射预设频率的声纳信号以及接收回波信号；

声纳电子分机，用于生成满足Ping率要求的宽带线性调频信号，并输送给所述双频声纳换能器阵进行信号转换和发射，还用于对所述双频声纳换能器阵接收的回波信号进行处理；

控制模块，用于控制声纳电子分机的发射和接收工作；

传感器，用于监测载体环境数据并为声纳电子分机提供时钟信号；

所述双频声纳换能器阵为多子阵宽带换能器阵，测深及侧扫信号处理时根据需要选择不同子阵的数据进行处理和计算。Ping率是指一秒钟内完成的发射次数。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述双频声纳换能器阵的工作内容包括：

侧扫计算时，采用沿航迹方向多子阵加权平均的数据进行计算，用于提高侧扫分辨率；

测深计算时，采用位于中间部分的单子阵数据进行计算，用于满足信号处理时的远场模型。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，后续测深计算中DOA估计采用Unitary ESPRIT算法，用于保证测深精度。DOA指波达方向定位技术。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述双频声纳换能器阵包含第一频率声纳发射接收阵和第二频率声纳发射接收阵，实现两种频率的信号的发射和接收；

所述第一频率声纳发射接收阵和所述第二频率声纳发射接收阵均纵向为10条线阵，分别为8条接收线阵、1条发射线阵和1条哑元；

所述第一频率声纳发射接收阵的8条接收线阵和1条发射线阵横向均被分为3条子阵；所述第二频率声纳发射接收阵的8条接收线阵横向被分为3条子阵，1条发射线阵横向被分为5条子阵。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，相邻两条线阵的纵向距离为d＝λ/2，其中，λ为波长；两条相邻子阵的横向间隔宽度为λ/2，其中，λ为波长。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，每条线阵的总长度为0.5m。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述声纳电子分机包括发射机、接收机、同步器和储能板；

所述同步器与所述传感器连接，用于产生所述触发信号；

所述发射机和所述接收机分别与所述主控模块连接；

所述发射机在所述主控模块的控制下和所述触发信号的触发下发射宽带线性调频信号并输送给所述双频声纳换能器阵；

所述储能板用于在发射机发射瞬时释放大量电流，以此保障发射PING率。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，宽带线性调频信号的参数包括：带宽为20KHz-40KHz或50KHz-70KHz，PING率为5Hz-15Hz或15Hz-25Hz。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述双频声纳换能器阵的数量为两个，分别安装在水下载体扫舱段的两侧，且两个所述双频声纳换能器阵的法线方向与水平方向的夹角分别为±(30°-40°)。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：

1)双频超高分辨率测深侧扫声纳采用了400K/900KHz双频电子分机的设计，既可以满足宽覆盖扫测任务的需求，又可以满足超高分辨率的识别需求，具有良好的任务适应性；

2)双频测深侧扫声纳采用了宽带线性调频技术、高PING率发射技术及宽带多子阵接收技术，使900KHz声纳电子分机侧扫的垂直航迹分辨率达到1.25cm，沿航迹向分辨率达到3.5cm@10m(水平波束开角可达0.2°)，具有超高的侧扫分辨率；在测深处理时采用了基于Unitary ESPRIT算法的DOA估计算法，使400KHz声纳电子分机的相对测深精度在单侧40m内小于1％，实现较高的测深精度；

3)双频测深侧扫声纳还采用水下实时信号处理技术，可以在一个发射周期内完成侧扫及测深数据的相关实时计算，大大减小了水上数据处理的时间，同时也为后续水下目标自主识别等应用奠定了良好的基础。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明一个实施例提供的双频测深侧扫声纳工作示意图；

图2是本发明一个实施例提供的双频测深侧扫声纳系统结构框图；

图3是本发明一个实施例提供的双频测深侧扫声纳换能器内部阵元结构框图；

图4是本发明一个实施例提供的双频测深侧扫声纳发射机内部组成结构框图；

图5是本发明一个实施例提供的双频测深侧扫声纳接收机内部组成结构框图；

图6是本发明一个实施例提供的双频测深侧扫声纳高PING率宽带线性调频发射技术实现的原理框图；

图7是本发明一个实施例提供的双频测深侧扫声纳实时信号处理流程框图；

图8是本发明一个实施例提供的双频测深侧扫声纳中400K测深侧扫声纳的相对测深精度随水平距离变化曲线图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

本发明为了实现超高分辨率的测深侧扫声纳系统，主要的创新方法包括以下几个方面：

a)双频超高分辨率测深侧扫声纳系统的400KHz/900KHz声纳阵元均采用了多子阵宽带换能器设计，该设计在沿航迹方向将单一线阵切割成多条子线阵，后续测深及侧扫信号处理时可以根据需要选择不同子阵的数据，且在不同作用距离条件下均满足远场条件，降低了信号处理部分的难度。

b)双频超高分辨率测深侧扫声纳的发射信号采用了400KHz/900KHz的中心频率，同时又采用了宽带线性调频技术、高PING率发射技术来保证距离向及方位向的侧扫分辨率。

其中，宽带线性调频技术主要实现方式是首先改进了数字域发射控制逻辑，使用DSP+FPGA芯片生成宽带调频发射信号，并将发射信号送入功放电路；其次改进了现有发射机功放电路，采用了半桥功率开关管电路及高效驱动电路，并增加了换能器匹配电路，使整个功放电路能够在400K/900KHz中心频率下生成大功率线性调频信号(400KHz和900KHz的中心频率并非绝对的，可以是380KHz-420KHz以及860KHz-940KHz)，进而驱动换能器完成电声转换；高PING率发射技术则采用同步器首先生成高PING率发射触发信号，并将该信号送入FPGA芯片内的发射控制程序生成发射控制信号，进而控制发射机发射宽带线性调频信号的时刻，从而实现高PING率发射的目的。

其中，双频测深侧扫声纳的垂直航迹分辨率仅与发射信号带宽相关，选择宽带线性调频信号保证了声纳具备超高的垂直航迹分辨率，高PING率发射技术则保证了较高的沿航迹分辨率。

c)双频超高分辨率测深侧扫声纳在进行侧扫及测深信号处理时采用了宽带多子阵接收技术。该技术在进行侧扫计算时，一般采用沿航迹方向多子阵加权平均的数据，对数据进行脉冲压缩处理后完成侧扫计算，从而实现超高的侧扫分辨率；而在进行测深计算时则仅采用位于中间部分的单子阵数据，此处主要为了满足信号处理时能够使用远场模型，后续测深计算中DOA估计则采用了Unitary ESPRIT算法，这种处理方法可以保证较高的测深精度。

本发明的工作原理如下：在水下载体的侧扫舱段分别安装2个双频声纳换能器阵和1套声纳电子分机，声纳电子分机又可以分为400KHz高频声纳电子分机和900KHz超高频声纳电子分机，其中高频声纳电子分机适用于宽覆盖扫测任务，而超高频声纳电子分机则适用于超高分辨率的扫测任务，根据任务的不同，选择其中一套电子分机安装在水下载体的侧扫舱段，其左舷和右舷分别安装有1个双频声纳换能器阵，在载体沿预定的测线向前航行时，声纳电子分机驱动双频声纳换能器阵向两侧发射宽波束声波，声波经过海底反射后返回双频声纳换能器阵，换能器阵内包含多条平行线阵和子阵，线阵和子阵的多通道接收信号经声纳电子分机处理后，得到该条测线的测深数据和侧扫数据，随着载体不断向前航行，多条测线的结果可以拼成反映地貌特征的二维侧扫图和反映地形特征的三维测深图。如图1所示。

如图3所示，双频声纳换能器内部包含400KHz及900KHz两套独立的高频声纳发射、接收阵元，因为高频声纳换能器在相同的尺寸下包含的阵元数较多，为了实现信号处理时在不同距离条件下均满足远场条件，因此双频声纳换能器在设计中对其线阵沿横向进行了切割，形成了多子阵的设计。其中400KHz高频声纳换能器阵横向总长度采用0.3m-0.8m，此处优选0.5m，纵向则包括10条线阵，包含8条接收线阵、1条发射线阵和1条哑元，相邻平行线阵的纵向间隔均为d＝λ/2＝1.875mm，每条发射/接收线阵沿横向又被切分为3条子阵，每条子阵间隔和子阵内的阵元间隔均为λ/2，单条子阵在7.3m斜距即可满足远场条件，小于声纳工作时的距底高度；而900KHz超高频声纳阵横向总长度也采用0.3m-0.8m，此处优选0.5m，纵向同样包括10条线阵，包含8条接收线阵和1条发射线阵，相邻平行线阵的纵向间隔均为d＝λ/2＝0.833mm，接收线阵沿横向又被切分为3条子阵，发射线阵则沿横向被切割为5条子阵，每条子阵间隔和子阵内的阵元间隔均为λ/2，接收/发射的单条子阵分别在15m/6m斜距(斜距为声纳换能器与回波反射区域的直线距离)即可满足远场条件，同样小于声纳工作时的距底高度。

如图2所示，声纳电子分机包括：发射机、接收机、AD/DA采集板、数字处理板、路由器、ARM存储单元、储能板和同步器。其中双频声纳换能器发射阵元与发射机的功率放大电路连接，发射机又与储能板进行供电连接，双频声纳换能器接收阵元与接收机的前置放大电路连接，接收机的输出模拟信号与AD/DA采集板的AD采集电路连接，AD/DA采集板的控制芯片与数字处理板的DSP控制芯片连接，数字处理板则通过路由器与ARM存储单元的ARM芯片进行网络通信连接，同时数字处理板与发射机板之间进行控制信号的电连接，数字处理板还与同步器板之间进行传感器信号的通信连接，各电路板的具体功能及实现方法在工作流程中详述。

除此之外，声纳电子分机还与电源之间进行供电连接，与外部传感器设备之间进行串口通信连接，与主控电脑之间进行网络通信连接，其中外部传感器主要提供载体平台的位置、姿态、声速等相关传感器信息，主控电脑则完成声纳参数下发、声纳接收数据存储、声纳侧扫及测深图显示等功能，相关实现方法在工作流程中详述。

双频超高分辨率测深侧扫声纳系统的工作流程如下：

首先，需先计算出宽带线性调频发射信号的相关参数，并通过主控电脑下发参数给数字处理板，数字处理板根据主控电脑下发的参数生成发射控制信号，在接收到同步器发送的发射触发信号后，开始向发射机输出发射控制信号，发射机在接收到发射控制信号后，通过发射机内的功率放大电路生成高PING率的宽带线性调频大功率信号，大功率信号通过双频声纳换能器转换成声信号向载体两侧发射声波，声波信号经海底反射后返回双频声纳换能器，换能器将接收到的声信号转换为多通道模拟信号，模拟信号在接收机内经过放大、解调及滤波后进入AD/DA板，一旦发射完成后，数字处理板会立即控制AD/DA板开始启动采集接收机的输出信号，在采样完成后会在数字处理板的DSP芯片内完成测深及侧扫实时处理运算，并生成原始数据和结果数据，最后通过路由器以及网络传输到ARM存储单元，完成相关数据的存储。

发射机是完成高PING率宽带线性调频发射信号功率放大功能的主要部件，主要包括隔离电路、功率放大电路、变压器及保护电路几个部分。隔离电路主要作用是隔离数字处理板的数字信号及发射机的模拟信号，功率放大电路则由隔离驱动芯片及半桥式功率开关管电路组成，隔离驱动芯片采用了带电压隔离及死区保护功能的驱动芯片SI8230，有效保护了后级电路的稳定工作，半桥式功率开关管电路则使用了IRFB4229芯片，该芯片具有开关速度快、击穿电压高及导通电阻小等特点，适用于用在高频功放电路上，变压器则可以将功放电路的输出信号升压为高压大功率宽带线性调频信号，最终驱动左右舷换能器向水中发射声波，保护电路由RC串联滤波电路组成，主要作用是降低冲激信号的峰值，保证换能器正常工作。如图4所示。

发射机主要包括隔离电路、功率放大电路、变压器及保护电路几个部分，发射信号采用了高PING率的宽带线性调频信号。隔离电路主要作用是隔离数字处理板的数字信号及发射机的模拟信号，功率放大电路则由隔离驱动芯片及桥式功率开关管电路组成，隔离驱动芯片采用了带电压隔离及死区保护功能的驱动芯片，有效保护了后级电路的稳定工作，变压器则可以将功放电路的输出信号升压为高压大功率宽带线性调频信号，保护电路的主要作用是降低冲激信号的峰值，保证换能器正常工作。

储能板主要作用是在发射机工作时瞬时释放大量电流，是保证发射机高PING率发射的关键部件，主要由输入滤波电路、限流电路、电流释放回路及储能电容几个部分组成。其中，输入电源滤波电路可以减小电源的纹波，为模拟系统的可靠运行提供保障；限流电路使系统输入电流控制在一个合理范围内，电流释放回路负责系统断电时，释放充电电容上的电流，储能电容则可以为发射机工作时提供电流。

接收机主要作用是完成声纳宽带回波信号的放大、解调及滤波功能，是实现声纳回波信号采样前信号调理的重要部件。换能器输出的回波信号经变压器耦合至可变增益放大器，其中回波信号的放大功能主要通过多级可变增益放大器完成，可变增益放大器由时变增益信号(TVG)控制，通过差分放大电路实现每级34dB的放大增益，回波信号的带通滤波功能则通过两阶的无源带通滤波器完成，解调电路的驱动信号是互为正交的中频信号，解调电路输出信号经低通滤波器的滤波，保留在基频内的低边带信号，最终得到解调后的实部信号与虚部信号。如图5所示。

AD/DA板主要功能是完成接收机输出的多路正交模拟信号的AD采样及接收控制信号的DA输出，主要包括ADC芯片、DAC芯片及CPLD芯片几部分组成。其中ADC芯片的主要功能是对接收机的输出模拟信号进行AD采样，并将采样数据传输到CPLD芯片内。DAC芯片的主要功能则是生成多路差分时变增益(TVG)信号，并将时变增益信号输出到接收机板。CPLD芯片的主要功能是接收数字处理板下发的控制参数，并将参数配置到ADC芯片及DAC芯片内，同时接收ADC上传的AD采样数据并完成数据组包，最后通过自定义接口协议将数据回传到数字处理板。

数字处理板主要作用是实现发射波形生成、AD原始数据实时处理及网络通信等功能，主要由FPGA芯片、DSP控制芯片、DSP处理芯片及网络芯片几部分组成。FPGA芯片的主要功能是完成宽带线性调频信号波形数据的生成、AD采样数据的缓存、DSP控制芯片与DSP处理芯片的交互数据缓存等功能；DSP控制芯片则完成AD原始数据的数据格式转换、外部芯片参数下发，以及与网络芯片共同实现TCP/IP协议，完成与外部设备的百兆网络通信，通过接口芯片与外部传感器进行串口通信，实现了传感器数据的接收；DSP处理芯片则对原始数据完成了侧扫及测深实时信号处理工作，得到该PING原始数据的测深及侧扫结果数据。其中实现宽带线性调频信号发射的原理如下，首先DSP控制芯片内的发射波形生成程序会根据预先设置的参数生成宽带线性调频信号波形，并将波形通过FPGA芯片的高速接口暂存在FPGA片内RAM内待用，待接收到同步器生成的高PING率的发射触发信号后，FPGA内的发射控制程序会生成发射信号及发射控制信号，并将以上信号送往发射机，发射机会根据接收到的信号生成大功率线性调频信号，并最终驱动换能器发射声波信号，至此完成整个发射流程。如图6所示。

同步器的主要功能是生成发射触发信号、完成传感器数据打包及增加时间标注等功能，主要包括FPGA芯片、RTC时钟芯片、接口芯片等几部分。同步器在接收到外部传感器数据及时钟信号后，会生成PING率为10Hz/20Hz的发射触发信号，控制数字处理板按照相同PING率输出发射控制信号，同时对外部设备上传的传感器数据，增加时间标注功能，并完成传感器数据格式的转换。

路由器和ARM存储单元均采用成熟的商用平台，其中路由器提供5口千兆网络数据交换功能，ARM存储单元则完成了声纳数据的存储及后处理等功能。

实施例1：

(1)根据任务目的不同，首先选择400KHz高频声纳电子分机或900KHz超高频声纳电子分机，以上两者分别应用于宽覆盖扫测或超高分辨率扫测任务，在选择好电子分机后，将声纳电子分机沿水下载体侧扫舱段的轴向安装于舱段内。

(2)在水下载体侧扫舱段两侧的侧下方分别安装1个双频声纳换能器，换能器均沿侧扫舱段的轴向安装，并且安装时两侧换能器的法线方向分别与水平方向的夹角为±30°-40°，优选35°。

(3)将测深侧扫声纳电子分机上电，启动主控电脑上的显控软件，在网络连接完成后，开始设置测深侧扫声纳的相关配置参数。第一中心频率，即380KHz-420KHz，高频声纳发射信号带宽采用20KHz-40KHz，优选30KHz，发射脉宽采用1ms-3ms，优选2ms，发射PING率采用5Hz-15Hz，优选10Hz；第二中心频率，即860KHz-940KHz，超高频声纳发射信号带宽采用50KHz-70KHz，优选60KHz，发射脉宽采用2ms-6ms，优选4ms，发射PING率采用15Hz-25Hz，优选20Hz，左右舷中心频率间隔大于信号带宽且调频方向相反，信号类型选择线性调频信号，发射信号占空比选择75％，设置完宽带线性调频信号的发射参数后，然后依次在显控软件上设置接收参数、DSP参数及存储参数，最后通过网络将相关参数下发到测深侧扫声纳的数字处理板的Flash存储器内。

(4)重启测深侧扫声纳电子分机，数字处理板上电后开始读取Flash存储器内的配置参数，并将相关配置参数发送到DSP控制芯片内，DSP控制芯片在接收到发射参数后，生成宽带线性调频信号的波形，并将波形数据存储到FPGA芯片内部的RAM空间内，等待同步器输出的发射触发信号。

(5)同步器根据任务选择的声纳电子分机，事先配置好相关参数，上电后会自动启动，等待传感器数据，同步器在接收到GPS数据、1pps信号及传感器数据后，开始生成PING率为10Hz/20Hz的发射触发信号，其中400KHz高频声纳电子分机采用PING率为10Hz触发信号，900KHz超高频声纳电子分机采用PING率为20Hz触发信号，同步器生成完发射触发信号后将触发信号输出到数字处理板，同时通过串口将传感器数据打包并添加时间标注发往数字处理板。

(6)数字处理板在接收到同步器发送的发射触发信号后，数字处理板上的FPGA芯片立即调用RAM内存储的波形数据，生成发射信号及发射控制信号，并将以上信号输出到发射机，发射控制信号的PING率与发射触发信号的PING率相同。

(7)发射机在接收到数字处理板输出的发射信号及发射控制信号后，通过功率放大电路生成高PING率大功率宽带线性调频信号，大功率线性调频信号通过保护电路后送往双频测深侧扫换能器的发射阵元，其中400KHz高频声纳发射机连接双频换能器的400K三段并联发射阵元，900KHz超高频声纳发射机连接双频换能器的900K五段并联发射阵元，此时测深侧扫声纳完成了发射部分的电声转换，发射换能器向载体两侧侧下方发射宽波束声波。

(8)在测深侧扫声纳发射部分完成后，接收部分开始启动，数字处理板的FPGA芯片首先根据显控软件下发的接收参数，控制AD/DA板上的DAC芯片生成时变增益信号(TVG)，TVG波形选择曲线TVG模式，TVG信号被输出到接收机板，接收机根据接收到的TVG信号完成声纳回波信号的放大、解调、滤波等功能，其中400K/900K声纳接收机的动态增益均为102dB，400KHz接收机的带通滤波器的总带宽约为30KHz，900KHz接收机带通滤波器的总带宽约为60KHz，解调后400K接收机低通滤波器的带宽为15KHz，900K接收集低通滤波器的带宽则为30KHz，解调后的差分解调信号被发送到AD/DA板。

(9)数字处理板在发射完成后立即控制AD/DA板开始采集解调信号并生成原始数据，原始数据的采集时长由显控软件下发的接收参数确定，当完成一个周期的数据采集后，FPGA芯片会将原始数据暂存在双端口RAM内，供DSP芯片调用。

(10)数字处理板的DSP处理芯片开始调用AD原始数据并执行实时信号处理程序，两片DSP处理芯片分别处理左舷和右舷的AD原始数据，当一个发射周期的数据采集完成后，DSP芯片会对双端口RAM内存储的多子阵原始数据进行选择和处理，一般测深计算会选择使用中间子阵原始数据，侧扫计算则对多子阵原始数据进行加权平均后使用，从而保证测深及侧扫计算时均满足远场条件，原始数据处理完成后会使用侧扫处理算法计算出该PING的侧扫结果数据，使用DOA估计算法计算出该PING的测深结果数据，并通过双端口RAM将结果数据发送到DSP控制芯片，DSP控制芯片在接收到结果数据后，连同之前接收到的传感器数据，按照预定的数据协议将该PING的传感器数据、原始数据、结果数据进行打包，打包完成后通过百兆网络发往ARM存储单元。如图7所示。

(11)ARM存储单元在接收到数字处理板DSP控制芯片发送的协议数据包后，首先需要对单PING数据进行解析，判断数据包内数据是否完整，若完整则将数据按照协议格式后进行缓存，待接收到指定数量的数据后再将数据按固定格式在固态硬盘内进行存储。

(12)按照同步器设置发射周期重复以上步骤，直到本航次试验任务结束。

(13)待本航次任务完成后，需要对ARM存储单元内的存储数据进行数据后处理，首先需使用后处理软件对多PING侧扫结果数据完成底跟踪、对比度、明暗均衡调整等步骤后，可以得到扫测区域的侧扫图；使用后处理软件对多PING测深结果进行声速校正、姿态校正、安装校正、网格化、区域平滑处理后，可以得到该区域的测深图及等深线图。图8为本申请双频测深侧扫声纳中400K测深侧扫声纳的相对测深精度随水平距离变化曲线图。

以上对本申请实施例所提供的一种双频超高分辨率测深侧扫声纳系统，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (8)

1.一种双频超高分辨率测深侧扫声纳系统，其特征在于，所述系统包括：

双频声纳换能器阵，用于发射预设频率的声纳信号以及接收海底回波信号；

声纳电子分机，用于生成满足Ping率要求的宽带线性调频信号，并输送给所述双频声纳换能器阵进行信号转换和发射，还用于对所述双频声纳换能器阵接收的回波信号进行处理；

控制模块，用于控制声纳电子分机的发射和接收工作；

传感器，用于监测载体环境数据并为声纳电子分机提供时钟信号；

所述双频声纳换能器阵为多子阵宽带换能器阵，测深及侧扫信号处理时根据需要选择不同子阵的数据进行处理和计算；

所述双频声纳换能器阵的工作内容包括：

进行侧扫计算时，采用沿航迹方向多子阵加权平均的数据进行计算，用于提高侧扫分辨率；

进行测深计算时，采用位于中间部分的单子阵数据进行计算，用于满足信号处理时的远场模型。

2.根据权利要求1所述的双频超高分辨率测深侧扫声纳系统，其特征在于，后续测深计算中DOA估计采用Unitary ESPRIT算法，用于保证测深精度。

3.根据权利要求1所述的双频超高分辨率测深侧扫声纳系统，其特征在于，所述双频声纳换能器阵包含第一频率声纳发射接收阵和第二频率声纳发射接收阵，实现两种频率的信号的发射和接收；

所述第一频率声纳发射接收阵和所述第二频率声纳发射接收阵均纵向为10条线阵，分别为8条接收线阵、1条发射线阵和1条哑元；

所述第一频率声纳发射接收阵的8条接收线阵和1条发射线阵横向均被分为3条子阵；所述第二频率声纳发射接收阵的8条接收线阵横向被分为3条子阵，1条发射线阵横向被分为5条子阵。

4.根据权利要求3所述的双频超高分辨率测深侧扫声纳系统，其特征在于，相邻两条线阵的纵向距离为d＝λ/2，其中，λ为波长；两条相邻子阵的横向间隔宽度为d＝λ/2，其中，λ为波长。

5.根据权利要求3所述的双频超高分辨率测深侧扫声纳系统，其特征在于，每条线阵的总长度为0.5m。

6.根据权利要求1所述的双频超高分辨率测深侧扫声纳系统，其特征在于，所述声纳电子分机包括发射机、接收机、同步器和储能板；

所述同步器与所述传感器连接，用于产生触发信号；

所述发射机和所述接收机分别与所述控制模块连接；

所述发射机在所述控制模块的控制下和所述触发信号的触发下发射宽带线性调频信号并输送给所述双频声纳换能器阵；

所述储能板用于在发射机发射瞬时释放大量电流，以此保障发射PING率。

7.根据权利要求1所述的双频超高分辨率测深侧扫声纳系统，其特征在于，宽带线性调频信号的参数包括：带宽为20KHz-40KHz或50KHz-70KHz，PING率为5Hz-15Hz或15Hz-25Hz。

8.根据权利要求1所述的双频超高分辨率测深侧扫声纳系统，其特征在于，所述双频声纳换能器阵的数量为两个，分别安装在水下载体扫舱段的两侧，且两个所述双频声纳换能器阵的法线方向与水平方向的夹角分别为±(30°-40°)。

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