CN114167427A - 一种多频段三维探掩埋物声呐装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多频段三维探掩埋物声呐装置及方法，涉及水下声学成像应用技术领域，本发明包括声呐系统，声呐系统包括换能器模块、湿端电子模块以及干端设备模块；换能器模块包括若干发射阵列以及接收阵列，接收阵列包括若干接收换能器，若干接收换能器与若干发射换能器交错阵列分布，形成布阵设计，湿端电子模块包括控制中心、发射机以及接收机，控制中心与干端设备模块通信连接，干端设备模块包括信号处理机，信号处理机用于对控制中心反馈的数据进行处理，完成水下三维场景的三维成像。本发明为一种多频段三维探掩埋物声呐装置及方法，有着探测成像效果好的优点。

Description

一种多频段三维探掩埋物声呐装置及方法
技术领域
本发明涉及水下声学成像应用技术领域，特别涉及一种多频段三维探掩埋物声呐装置及方法。
背景技术
声呐是利用回声测深原理探测水下环境和水下物体的设备。传统的多波束声呐或者合成孔径声呐，利用发射声波并采集目标回波，利用波束形成等信号处理的方法，实现对海底地物、地貌等的成像和探测。
传统的多波束和合成孔径声呐大都采用一发多收的技术。即使采用了宽带信号技术，传统声呐的频率也较为单一，这就使得声呐使用环境受到了限制。具体来说，高频声波波长短，分辨率相对较高，但其在水中吸收衰减较大，传输距离近，且没有穿透海底的能力。低频声波的波长较长，在水中吸收衰减小，因此传输距离更远，且具有穿透海底的能力，但其波长较长的特点决定了它的分辨率一般很难达到较高水平，且传统声呐单频工作，信号带宽利用度不足。
现有的下视声呐在正下方会产生较强的回波，一方面是声程短导致正下方声波的传播损失小，另一方面入射和反射角较小导致能量损失较小，当海底较为光滑时，声波波长与海底起伏度相当或者小于时，海底相对于声波来说是“镜面”，此时正下方海底的回波就会更强，正下方较强的回波对于目标识别来说是一种干扰，且由于其能量强，非常不利于底跟踪、目标识别等，最终声呐波长较长，正下方镜面反射影响较大，易造成目标识别虚警率的提高，一般的声呐其尺寸与频率呈现负相关，频率越低，为了获得充分的分辨率，通常要把阵列做的较大。同时安装其他类别的传感器、电子系统等设备后，为了保障湿端设备有一定的强度，以及流线型设计等，总体会极大地增大设备尺寸，重量也大大增加，为设备的安装、运输、布放、回收带来了极大不便。
现有的探掩埋物声呐存在信号带宽利用度不足，声呐波长较长，造成正下方镜面反射影响较大，传统低频声呐体积尺寸较大，重量较重，安装和布放不方便，为此，我们提出一种多频段三维探掩埋物声呐装置及方法。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种多频段三维探掩埋物声呐装置及方法，可以有效解决背景技术中信号带宽利用度不足，声呐波长较长，造成正下方镜面反射影响较大，传统低频声呐体积尺寸较大，重量较重，安装和布放不方便的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种多频段三维探掩埋物声呐装置，包括声呐系统，所述声呐系统包括换能器模块、湿端电子模块以及干端设备模块，所述换能器模块与所述湿端电子模块电性连接，所述湿端电子模块与所述干端设备模块通信连接；
所述换能器模块包括若干发射阵列以及接收阵列，每个所述发射阵列拥有自身序列号，且每个所述发射阵列包括若干发射换能器，且若干所述发射换能器阵列设置，所述接收阵列包括若干接收换能器，若干所述接收换能器阵列分布，若干所述接收换能器与若干所述发射换能器交错阵列分布，形成布阵设计；
所述湿端电子模块包括控制中心、发射机以及接收机，所述控制中心与所述干端设备模块通信连接，所述控制中心控制所述发射机发射不同频段的电信号，所述发射机通过不同频段的电信号驱动所述发射阵列通过若干所述发射换能器将电信号转化成声信号发射出去，所述接收阵列通过若干所述接收换能器接收反射的声信号，并再次转化成电信号传输至所述接收机，所述接收机对电信号进行放大、滤波、模数转换，生成数字信号，再对数字信号进行数据整理，所述控制中心将所述接收机整理后的数据反馈至所述干端设备模块；
所述干端设备模块包括信号处理机，所述信号处理机用于对所述控制中心反馈的数据进行处理，完成水下三维场景的三维成像。
优选地，所述湿端电子模块内设有第一通信单元，所述干端设备模块内设有第二通信单元，所述第一通信单元以及所述第二通信单元通过建立局域网实现信号双向传输。
优选地，所述还包括所述声呐系统还包括数据存储单元以及显控台，所述数据存储单元主要用于存储数据，所述数据为所述声呐系统运行过程中产生的全部数据，所述显控台上运行显控软件，用于对声呐系统进行参数配置、系统控制，同时以一维、二维、三维三种形式显示。
优选地，所述控制中心内部包括上位机、电源模块、交换机以及同步控制器，主要用于供电、数据交换以及同步控制。
优选地，所述湿端电子模块还包括传感器模块，所述传感器模块包括高精度GNSS、高精度惯导以及姿态仪，所述高精度GNSS用于从GPS卫星上获取标准时间信号，所述高精度惯导主要用于获取定位数据，所述姿态仪主要用于提供高精度三维姿态。
一种多频段三维探掩埋物声呐使用方法，包括具体以下步骤：
S1：利用干端的显控台，设置声呐系统的工作参数，在开发者模式下，可配置详细的工作参数，具体包括：发射模式下发射的声波频率、发射阵列的序号)，工作中心频率f0，工作带宽B，脉冲周期PRT，脉冲宽度T，信号类型(CW或FM等)，发射功率ρ，采样延时、采样点数N，TVG线性项、TVG对数项、TVG常数项，发射阵阵元位置、接收阵阵元数量、接收阵阵元位置，在用户模式下，仅需要配置最小成像深度Hmin、最大成像深度Hmax，上位机显控软件可根据这两个参数自行计算上述各工作参数；
S2：控制声呐装置启动工作，向声呐系统发送启动指令后，声呐系统开始工作，所述发射机发射不同频段的电信号，所述发射机通过不同频段的电信号驱动所述发射阵列，进而通过若干所述发射换能器将电信号转化成声信号发射出去，进而实现周期性发送大功率声波，设发射信号为P(t)，发射信号为CW信号线性调频信号以及双曲调频中的一种，所述接收阵列通过若干所述接收换能器接收反射的声信号，并再次转化成电信号传输至所述接收机，所述接收机对电信号进行放大、滤波、模数转换，生成数字信号，再对数字信号进行数据整理，所述控制中心整理后的数据反馈至所述干端设备模块；
S3：所述信号处理机进行信号处理，具体内容包括：脉冲压缩、波束形成、合成孔径处理；
S4：所述信号处理机同步接收所述高精度GNSS、所述高精度惯导以及所述姿态仪外接传感器获取的数据。
S5：所述数据存储单元进行数据存储，具体包括：存储声呐原始数据、声呐图像数据、外界传感器数据以及声呐运行参数，所述原始数据包括回波数据和解调数据，声呐运行参数为S1中设定的运行参数，外界传感器数据为步骤S5中外接传感器采集的数据。
S6：所述显控台实时进行声呐图像、声呐运行参数、外接传感器数据的显示，显示形式包括数字形式、一维曲线、二维平面、三维立体的多种形式。
优选地，S2中信号在水体中传输后，返回到接收机的信号为Sr＝p(t-t0)，进行傅里叶变化，
Figure BDA0003446292520000041
在频域进行脉冲压缩的参考信号为H(f)＝P*(f)，脉冲压缩后的信号为：
Figure BDA0003446292520000042
上式中的幅度项|P(f)|2是一个矩形窗函数，经过傅里叶逆变化后为sinc函数，即s1(t)＝IFT(S1(f))＝sinc(KT(t-t0))，设在r0处目标强度为A(r0)，则经过上述脉冲压缩或匹配滤波处理后，可得到r0处信号的处理结果为
Figure BDA0003446292520000051
根据sinc函数的性质，可以知道，只有当
Figure BDA0003446292520000052
时，上式取得最大值，也就是说时刻与目标距离在满足上述关系时，在该时刻上信号幅度获得极大值，最终确定时间与目标距离线性关系。
优选地，对于多接收子阵的情况，为了使特定距离和方位上目标的信噪比更大，使用波束形成技术进行增强，充分利用阵列增益，具体实现方法为首先设发射阵阵元的位置为
Figure BDA0003446292520000053
设接收阵第i个阵元的位置为
Figure BDA0003446292520000054
设每个通道经过脉冲压缩处理后的信号为sRC(i,t)；设待计算空间区域中某一像素点的坐标为
Figure BDA0003446292520000055
然后计算待求像素点与发射阵之间的距离，也称声程，即声音传过的路程：
Figure BDA0003446292520000056
然后再求像素点与第i个接收阵阵元之间的距离为：
Figure BDA0003446292520000057
声波从发射到目标，再接收，经过的总的声程为
Figure BDA0003446292520000058
上述总声程对应的时间为
Figure BDA0003446292520000059
C为水中声速，该点的波束形成结果为
Figure BDA00034462925200000510
在波束形成基础上进行孔径综合形成处理，进一步提高阵增益。其基本思路是，对于同一个目标区域，当连续多个脉冲都照射到该区域时，这多个脉冲都获得了它的反射回波，此时将多个脉冲波束形成结果中对应同一位置的结果进行相干叠加，可获得进一步的阵增益，
Figure BDA00034462925200000511
对该结果进行求模，对整个区域进行滤波、均衡等处理后，即可获得第k个像素点的幅度值，最终确定二维或三维图像。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明中，充分利用多频发射、宽带接收技术，扩展了系统的信号带宽，使其适用场景得到了扩展，兼顾探掩埋埋深和探掩埋成像分辨率的需求。
本发明中，利用布阵技术，降低正下方镜面反射声能量的影响。
本发明中，布局紧凑，降低体积尺寸，进而降低设备水下重量，使设备在安装、收放方便更加便捷。
附图说明
图1为本发明一种多频段三维探掩埋物声呐装置中声呐系统的系统框图；
图2为本发明一种多频段三维探掩埋物声呐装置使用方法的流程图；
图3为本发明中发射阵列与接收阵列分布示意图；
图4为本发明中声信号传输示意图。
图中：1、发射阵列；101、发射换能器；2、接收阵列；201、接收换能器。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参照图1-4所示，本发明为一种多频段三维探掩埋物声呐装置，包括声呐系统，声呐系统包括换能器模块、湿端电子模块以及干端设备模块，换能器模块与湿端电子模块电性连接，湿端电子模块与干端设备模块通信连接；
如图3所示，换能器模块包括若干发射阵列以及接收阵列，每个发射阵列拥有自身序列号，且每个发射阵列包括若干发射换能器，且若干发射换能器阵列设置，接收阵列包括若干接收换能器，若干接收换能器阵列分布，若干接收换能器与若干发射换能器交错阵列分布，形成布阵设计；
如图1所示，湿端电子模块包括控制中心、发射机以及接收机，控制中心与干端设备模块通信连接，控制中心控制发射机发射不同频段的电信号，如图4所示，发射机通过不同频段的电信号驱动发射阵列，进而通过若干发射换能器将不同频段电信号转化成声信号发射出去，接收阵列通过若干接收换能器接收反射的声信号，并再次转化成电信号传输至接收机，接收机对电信号进行放大、滤波、模数转换，生成数字信号，再对数字信号进行数据整理，控制中心将接收机整理后的数据反馈至干端设备模块；
干端设备模块包括信号处理机，信号处理机用于对控制中心反馈的数据进行处理，完成水下三维场景的三维成像。
其中，湿端电子模块内设有第一通信单元，干端设备模块内设有第二通信单元，第一通信单元以及第二通信单元通过建立局域网实现信号双向传输。
其中，还包括声呐系统还包括数据存储单元以及显控台，数据存储单元主要用于存储数据，数据为声呐系统运行过程中产生的全部数据，显控台上运行显控软件，用于对声呐系统进行参数配置、系统控制，同时以一维、二维、三维三种形式显示。
其中，控制中心内部包括上位机、电源模块、交换机以及同步控制器，主要用于供电、数据交换以及同步控制。
其中，湿端电子模块还包括传感器模块，传感器模块包括高精度GNSS、高精度惯导以及姿态仪，高精度GNSS用于从GPS卫星上获取标准时间信号，高精度惯导主要用于获取定位数据，姿态仪主要用于提供高精度三维姿态。
如图2所示，一种多频段三维探掩埋物声呐使用方法，包括具体以下步骤：
S1：利用干端的显控台，设置声呐系统的工作参数，在开发者模式下，可配置详细的工作参数，具体包括：发射模式下发射的声波频率、发射阵列的序号)，工作中心频率，工作带宽，脉冲周期，脉冲宽度，信号类型，发射功率，采样延时、采样点数，TVG线性项、TVG对数项、TVG常数项，发射阵阵元位置、接收阵阵元数量、接收阵阵元位置，在用户模式下，仅需要配置最小成像深度、最大成像深度，上位机显控软件可根据这两个参数自行计算上述各工作参数；
S2：控制声呐装置启动工作，向声呐系统发送启动指令后，声呐系统开始工作，发射机发射不同频段的电信号，发射机通过不同频段的电信号驱动发射阵列，进而通过若干发射换能器将电信号转化成声信号发射出去，进而实现周期性发送大功率声波，设发射信号为p(t)，发射信号为LFM信号，形式为：
Figure BDA0003446292520000081
其中
Figure BDA0003446292520000082
称为线性调频的调频率，接收阵列通过若干接收换能器接收反射的声信号，并再次转化成电信号传输至接收机，接收机对电信号进行放大、滤波、模数转换，生成数字信号，再对数字信号进行数据整理，控制中心整理后的数据反馈至干端设备模块；
S3：信号处理机进行信号处理，具体内容包括：脉冲压缩、波束形成、合成孔径处理；
S4：信号处理机同步接收高精度GNSS、高精度惯导以及姿态仪外接传感器获取的数据。
S5：数据存储单元进行数据存储，具体包括：存储声呐原始数据、声呐图像数据、外界传感器数据以及声呐运行参数，原始数据包括回波数据和解调数据，声呐运行参数为S1中设定的运行参数，外界传感器数据为步骤S5中外接传感器采集的数据。
S6：显控台实时进行声呐图像、声呐运行参数、外接传感器数据的显示，显示形式包括数字形式、一维曲线、二维平面、三维立体的多种形式。
其中，S2中信号在水体中传输后，返回到接收机某个阵元的信号为：
Figure BDA0003446292520000091
进行信号解调处理，获得基带信号，有
Figure BDA0003446292520000092
脉冲压缩或匹配滤波的参考信号为：
Figure BDA0003446292520000093
对sb和h做卷积，得到：
Figure BDA0003446292520000094
设在r0处目标强度为A(r0)，则经过上述脉冲压缩或匹配滤波处理后，可得到r0处信号的处理结果为
Figure BDA0003446292520000095
根据sinc函数的性质，可以知道，只有当
Figure BDA0003446292520000096
时，上式取得最大值，也就是说时刻与目标距离在满足上述关系时，在该时刻上信号幅度获得极大值，最终得到时间与目标距离的线性关系图。
其中，接收阵列通过若干接收换能器接收反射的声信号中，对于多接收子阵的情况，为了使特定距离和方位上目标的信噪比更大，使用波束形成技术进行增强，充分利用阵列增益，具体实现方法为：首先设发射阵阵元的位置为
Figure BDA0003446292520000101
设接收阵第i个阵元的位置为
Figure BDA0003446292520000102
设每个通道经过脉冲压缩处理后的信号为sRC(i,t)；设待计算空间区域中某一像素点的坐标为
Figure BDA0003446292520000103
然后计算待求像素点与发射阵之间的距离也称声程，即声音传过的路程：
Figure BDA0003446292520000104
待求像素点与第i个接收阵阵元之间的距离为：
Figure BDA0003446292520000105
声波从发射到目标，再接收，经过的总的声程为
Figure BDA0003446292520000106
上述总声程对应的时间为：
Figure BDA0003446292520000107
其中C为水中声速，该点的波束形成结果为：
Figure BDA0003446292520000108
在波束形成基础上进行孔径综合形成处理，进一步提高阵增益，其基本思路是，对于同一个目标区域，当连续多个脉冲都照射到该区域时，这多个脉冲都获得了它的反射回波，此时将多个脉冲波束形成结果中对应同一位置的结果进行相干叠加，可获得进一步的阵增益，
Figure BDA0003446292520000109
对该结果进行求模，对整个区域进行滤波、均衡等处理后，即可获得第k个像素点的幅度值，最终确定二维图像或三维模型。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种多频段三维探掩埋物声呐装置，其特征在于：包括声呐系统，所述声呐系统包括换能器模块、湿端电子模块以及干端设备模块，所述换能器模块与所述湿端电子模块电性连接，所述湿端电子模块与所述干端设备模块通信连接；
所述换能器模块包括若干发射阵列以及接收阵列，每个所述发射阵列拥有自身序列号，且每个所述发射阵列包括若干发射换能器，且若干所述发射换能器阵列设置，所述接收阵列包括若干接收换能器，若干所述接收换能器阵列分布，若干所述接收换能器与若干所述发射换能器交错阵列分布，形成布阵设计；
所述湿端电子模块包括控制中心、发射机以及接收机，所述控制中心与所述干端设备模块通信连接，所述控制中心控制所述发射机发射不同频段的电信号，所述发射机通过不同频段的电信号驱动所述发射阵列通过若干所述发射换能器将电信号转化成声信号发射出去，所述接收阵列通过若干所述接收换能器接收反射的声信号，并再次转化成电信号传输至所述接收机，所述接收机对电信号进行放大、滤波、模数转换，生成数字信号，再对数字信号进行数据整理，所述控制中心将所述接收机整理后的数据反馈至所述干端设备模块；
所述干端设备模块包括信号处理机，所述信号处理机用于对所述控制中心反馈的数据进行处理，完成水下三维场景的三维成像。
2.根据权利要求1所述的一种多频段三维探掩埋物声呐装置，其特征在于：所述湿端电子模块内设有第一通信单元，所述干端设备模块内设有第二通信单元，所述第一通信单元以及所述第二通信单元通过建立局域网实现信号双向传输。
3.根据权利要求2所述的一种多频段三维探掩埋物声呐装置，其特征在于：所述还包括所述声呐系统还包括数据存储单元以及显控台，所述数据存储单元主要用于存储数据，所述数据为所述声呐系统运行过程中产生的全部数据，所述显控台上运行显控软件，用于对声呐系统进行参数配置、系统控制，同时以一维、二维、三维三种形式显示。
4.根据权利要求3所述的一种多频段三维探掩埋物声呐装置，其特征在于：所述控制中心内部包括上位机、电源模块、交换机以及同步控制器，主要用于供电、数据交换以及同步控制。
5.根据权利要求4所述的一种多频段三维探掩埋物声呐装置，其特征在于：所述湿端电子模块还包括传感器模块，所述传感器模块包括高精度GNSS、高精度惯导以及姿态仪，所述高精度GNSS用于从GPS卫星上获取标准时间信号，所述高精度惯导主要用于获取定位数据，所述姿态仪主要用于提供高精度三维姿态。
6.一种多频段三维探掩埋物声呐使用方法，其特征在于：包括具体以下步骤：
S1：利用干端的显控台，设置声呐系统的工作参数，在开发者模式下，可配置详细的工作参数，具体包括：发射模式下发射的声波频率、发射阵列的序号)，工作中心频率，工作带宽，脉冲周期，脉冲宽度，信号类型，发射功率，采样延时、采样点数，TVG线性项、TVG对数项、TVG常数项，发射阵阵元位置、接收阵阵元数量、接收阵阵元位置，在用户模式下，仅需要配置最小成像深度、最大成像深度，上位机显控软件可根据这两个参数自行计算上述各工作参数；
S2：控制声呐装置启动工作，向声呐系统发送启动指令后，声呐系统开始工作，所述发射机发射不同频段的电信号，所述发射机通过不同频段的电信号驱动所述发射阵列，进而通过若干所述发射换能器将电信号转化成声信号发射出去，进而实现周期性发送大功率声波，发射信号为CW信号线性调频信号以及双曲调频中的一种，所述接收阵列通过若干所述接收换能器接收反射的声信号，并再次转化成电信号传输至所述接收机，所述接收机对电信号进行放大、滤波、模数转换，生成数字信号，再对数字信号进行数据整理，所述控制中心整理后的数据反馈至所述干端设备模块；
S3：所述信号处理机进行信号处理，具体内容包括：脉冲压缩、波束形成、合成孔径处理；
S4：所述信号处理机同步接收所述高精度GNSS、所述高精度惯导以及所述姿态仪外接传感器获取的数据。
S5：所述数据存储单元进行数据存储，具体包括：存储声呐原始数据、声呐图像数据、外界传感器数据以及声呐运行参数，所述原始数据包括回波数据和解调数据，声呐运行参数为S1中设定的运行参数，外界传感器数据为步骤S5中外接传感器采集的数据。
S6：所述显控台实时进行声呐图像、声呐运行参数、外接传感器数据的显示，显示形式包括数字形式、一维曲线、二维平面、三维立体的多种形式。
7.根据权利要求6所述的一种多频段三维探掩埋物方法，其特征在于：S2中信号在水体中传输后，返回到接收机的信号首先进行傅里叶变化，在频域进行脉冲压缩，在经过匹配滤波处理后，可得到信号的处理结果，最终展示出时间与目标距离的线性关系图。
8.根据权利要求7所述的一种多频段三维探掩埋物方法，其特征在于：所述接收阵列通过若干所述接收换能器接收反射的声信号中，使用波束形成技术对多若干所述接收换能器情况进行增强，并充分利用阵列增益，进而提高特定距离和方位上目标的信噪，然后得到该点的波束形成结果，在波束形成基础上进行孔径综合形成处理，进一步提高阵增益，最终得到该点的像素幅度值，用于构建二维以及三维结果图。
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