CN115857014B - 三维浅地层剖面及掩埋目标探测装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于T型收发换能器阵列的浅地层三维剖面装置及其方法，旨在提供一种能够获得更高的地层分辨率和更高的覆盖范围，进一步提升了探测效率的装置和方法；其装置包括双层系统搭载平台，上层搭载平台上设置有电子舱和GPS天线；下层搭载平台上设有“T”型换能器阵列、控制与处理系统；所述的控制与处理系统包括发射模块和接收处理模块，并且分别与换能器阵列和显控终端连接；该方法采用多通道采集输出技术实现回波信息的高速采集，通过相控发射完成垂直发射波束方向的控制，能够有效提高三维浅剖成像效率，实现浅海浅地层剖面结构重建和掩埋目标的高分辨率三维成像；属于海洋信息测量技术领域。
Description
技术领域
本发明属于海洋信息测量和声学探测技术领域，具体地说，涉及一种海底浅地层剖面及掩埋目标的三维探测装置，以及方法。
背景技术
浅地层声学剖面测量是探测地层剖面结构及掩埋目标的主要技术手段。常规的浅剖系统只能进行单点的连续测量，分辨率低，采样间距较大，测量精度低，同时受到拖曳方式限制，无法获得高精度的定位数据和地层及目标信息。而常规浅剖系统对海洋考古的掩埋沉船的探测和确认十分困难，无法获得沉船目标的轮廓形状，同时探测效率低。
现有技术，中国专利《一种基于海洋移动搭载平台的高分辨三维浅地层剖面系统》(公开号：CN 110596759A)，公开了利用震源信号激发装置和多个光纤水听器组成的三维立体网格丰富了采集的三维数据体，能够为海岸带浅滩地球物理地层调查提供较好工具，无法满足浅地层掩埋目标(如沉船)的探测及形态三维重建的需求。
本发明提供一种基于T型收发换能器阵列的浅地层三维剖面装置和方法，能够获得更高的地层分辨率和更高的覆盖范围，进一步提升了探测效率。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于T型收发换能器阵列的浅地层三维剖面装置，能够获得更高的地层分辨率和更高的覆盖范围，进一步提升了探测效率。
本发明的第二个目的是提供一种基于换能器阵列的浅地层三维剖面声学探测的方法。
为此，本发明提供的第一个技术方案是这样的：
为了达到上述目的，本发明提供的第一个技术方案是这样的：
一种基于换能器阵列的浅地层三维剖面声学探测装置，包括双层浮体的系统搭载平台，其上层布置电子舱和GPS天线。下层布置垂直的“T”型换能器阵列，搭载平台由测量船拖曳前进。
所述的上层搭载平台上设置有电子舱和GPS天线；下层搭载平台上设有“T”型换能器阵列、控制与处理系统；所述的控制与处理系统包括发射模块和接收处理模块，并且分别与换能器阵列和显控终端连接。搭载平台漂浮在水面上，在牵引下前进，发射和接收地层及掩埋目标的声学回波数据，传输到显控终端，形成对特定海域地层剖面测量及掩埋沉船目标三维重建。
进一步的，上述基于换能器阵列的浅地层三维剖面声学探测装置，所述的换能器阵列包括发射换能器阵列和接收换能器阵列，分别由特定工作频率(决定穿透能力和孔径)的M个阵元和N阵元组成(M和N的选择由分辨率决定)，按照半波长均匀、间隔布阵。两个换能器阵列成像垂直布放，接收换能器水平放置，发射换能器垂直放置。布放在搭载平台底部，辐射面向下，与控制与处理系统连接，在控制和处理系统的控制下用于产生和发射特定声学信号。向水中和海底发射，并接收地层结构与掩埋目标的回波信号。收发换能器阵列能够覆盖较宽的扫测角度(取决于设计需要)，扫测角度内形成多个波束，从而获得较高的成像分辨率。
进一步的，上述基于换能器阵列的浅地层三维剖面声学探测装置，所述的控制与处理系统，用于对采集的地层及目标的回波信号进行处理，通过计算精确重构地层结构及目标信息，从而实现地层及掩埋目标的高分辨率三维重建。
作为上述技术方案的改进之一，所述控制和处理系统，包括多通道信号发射模块、多通道信号接收与高速采集模块、控制模块、数据处理模块、姿态仪和电源模块及安装各模块的电子舱。
进一步的，上述基于换能器阵列的浅地层三维剖面声学探测装置，所述的多通道发射模块，由M个发射通道构成，每个通道连接发射换能器阵列的一个阵元，用于产生声学信号，并驱动换能器将信号向水中发射，并穿透海底浅地层。
进一步的，上述基于换能器阵列的浅地层三维剖面声学探测装置，所述的多通道信号接收与高速采集模块，由N个接收通道构成，每个接收通道连接接收换能器的一个阵元，用于接收地层结构及掩埋目标散射的微弱信号，并经调理将信号放大到一定量值，由高速采集模块进行AD采样，得到数字化信号，以便于进一步数据处理。
进一步的，上述基于换能器阵列的浅地层三维剖面声学探测装置，所述的控制模块，采用通用ARM架构的处理芯片(CPU)实现，用于对发射阵元的信号产生和相位调节、接收信号波束合成参数，系统增益、数据传输等工作参数进行调整，使系统获得最佳的工作状态。
进一步的，上述基于换能器阵列的浅地层三维剖面声学探测装置，所述的数据处理模块，采用常规波束形成或自适应波束形成技术，将采集的N个接收通道的信号进行波束合成处理，获得高分辨率的浅地层剖面结构信息及大掩埋目标的三维重建，并由控制模块将结果传输到显控终端，进行进一步的处理和显示。用高性能的数字信号处理芯片(DSP)和可编程场门控阵列(FPGA)组合来实现。
本发明提供的第二个技术方案是这样的：
采用上述基于换能器阵列的浅地层三维剖面声学探测装置的三维重建和成像方法，
步骤1)控制模块控制发射换能器阵列，在信号发射过程中，将M个阵元划分成Q个发射扇面，每扇面内依次发射正交的声纳波束信号，每个正交信号对应扇面中一个垂直波束方向。信号穿透地层，遇到地层结构界面或掩埋目标，声信号被发射回来，被N个阵元的接收换能器阵列所接收。
步骤2)换能器阵列接收和处理过程中，接收阵列每个阵元接收到该扇面的回波信号后，通过与发射的模板信号进行相关匹配处理，提取所有发射波束对应回波信号，并在相应扇区上做波束合成，并补偿由于不同入射波束的方向所引起的回波强度损失。完成后进行下一个扇区的发射—接收—波束合成，直到所有扇面都完成。
步骤3)对每个扇区内每个波束进行地层结构的检测和跟踪，并标记是否为同一地层结构。利用边缘检测方法检测每个地层结构内部是否存在掩埋目标，并标记。
步骤4)将处理后的数据传输到显控终端进行地层结构和掩埋目标的三维重建和实时显示。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1、本发明提供一种基于换能器阵列的浅地层三维剖面声学探测装置，替代传统三维浅剖装置中震源信号激发和多个水听器组，采用多通道采集输出技术实现回波信息的高速采集，通过相控发射完成垂直发射波束方向的控制，能够有效提高三维浅剖成像效率，实现浅海浅地层剖面结构重建和掩埋目标的高分辨率三维成像。
2、本发明提供的装置能够获得更高的地层分辨率和更大的覆盖范围，进一步提升了探测效率，为水下考古的浅地层掩埋目标(沉船)的探测提供有效的技术手段。
附图说明
图1是浅地层三维剖面声学探测装置与方法系统组成图；
图2是搭载平台立体结构图；
图3是换能器阵构成图。
具体实施方式
现结合附图和实例对本发明作进一步的描述。
实施例
本发明提供一种浅地层三维剖面声学探测装置，参阅图1，包括接收换能器阵列、发射换能器阵、控制与处理系统、搭载平台和显控终端。为搭载平台的平衡设计，控制和处理系统分成发射单元3和接收处理单元4，两者通过线缆连接，分别安装在两个水密电子舱内，分别与换能器阵列和显控终端连接。
如图2所示，搭载平台由下盖板1，供电单元2，发射单元3，接收处理单元4，发射换能器阵5，接收换能器6，上盖板7和尾舵8构成。供电模块连接发射单元3和接收处理单元4，为其提供电源，尾舵8用于保持搭载平台的平衡。发射单元3与发射换器阵5连接，接收处理单元4与接收换能器阵6连接。接收处理单元4同时具备综合处理和控制能力，能够实现预处理和数据的传输。
换能器阵列、控制与处理系统安装搭载平台上，搭载平台漂浮在水面上，在牵引作用下前进，在系统控制下，发射模块3发射声波并穿透浅地层，接收处理模块4接收地层及掩埋目标的声学回波数据，经过初步预处理，结果传输到显控终端后进行进一步处理，形成对特定海域地层剖面测量及掩埋沉船目标三维重建。
如图3所示，所述装置的换能器阵列安装在搭载平台的底部，包括发射换能器阵5和接收换能器阵6，其工作频率均为20kHz～30kHz，发射和接收换能器阵列均采用48个阵元构成，阵元按照最高频率30kHz的半波长(2.5cm)均匀等间隔布阵。两个换能器阵列成像垂直布放，接收换能器阵6水平放置，发射换能器5垂直放置，两者呈现“T”型结构。布放在搭载平台底部，辐射面向下，分别与发射单元3和接收处理单元4连接，在系统控制下，发射单元3用于产生和发射特定工作频率的声学信号，向水中和海底发射，接收处理单元4接收地层结构与掩埋目标的回波信号。发射换能器阵5的48个阵元同时发射信号，覆盖范围为水平方向90度，垂直方向2度；接收换能器6的48阵元同时接收，每个阵元接收覆盖角度水平和垂直均为90度，接收阵则在垂直方向上覆盖90度，在水平方向上通过波束形成技术可以获得48个波束，分辨率为2度，形成一个切片内小脚印，从而获得水平方向较高的成像分辨率。
所述控制和处理系统，用于对采集的地层及目标的回波信号进行处理，通过计算精确重构地层结构及目标信息，从而实现地层及掩埋目标的高分辨率三维重建。
具体地，所述控制和处理系统分成发射单元3和接收处理单元4，发射单元3包括多通道信号发射模块，接收处理单元4包括多通道信号接收与高速采集模块、控制模块、数据处理模块、姿态仪等。
所述多通道发射模块由48个发射通道构成，每个通道连接发射换能器阵5的一个阵元，用于产生声学信号，并驱动换能器将信号向水中发射，并穿透海底浅地层。
所述多通道信号接收与高速采集模块，由48个接收通道构成，每个接收通道连接接收换能器6的一个阵元，用于接收地层结构及掩埋目标散射的微弱信号，并经调理将信号放大到一定量值，由高速采集模块进行AD采样，得到数字化信号，以便于进一步数据处理。
所述控制模块，采用通用ARM架构的处理芯片(CPU)实现，用于对发射阵元的信号产生和相位调节、接收信号波束合成参数，系统增益、数据传输等工作参数进行调整，使系统获得最佳的工作状态。
所述数据处理模块，用高性能的数字信号处理芯片(DSP)和可编程场门控阵列(FPGA)组合来实现。采用常规波束形成或自适应波束形成技术，将采集的48个接收通道的信号进行波束合成处理，获得高分辨率的浅地层剖面结构信息及大掩埋目标的三维重建，并由控制模块将结果传输到显控终端，进行进一步的处理和显示。
所述的系统搭载平台，为一体化的双层浮体，上层布置电子舱和GPS天线。下层布置垂直的“T”型换能器阵列，搭载平台由测量船拖曳前进。
实施例2
本发明所述装置的三维重建和成像方法，具体包括，
步骤1)、控制模块控制发射换能器阵列，在信号发射过程中，将48个阵元划分成8个发射扇面，每扇面内依次发射正交的声纳波束信号，每个正交信号对应扇面中一个垂直波束方向。信号穿透地层，遇到地层结构界面或掩埋目标，声信号被发射回来，被48个阵元的接收换能器阵列所接收。
步骤2)、换能器阵列接收和处理过程中，接收阵列每个阵元接收到该扇面的回波信号后，通过与发射的模板信号进行相关匹配处理，提取所有发射波束对应回波信号，并在相应扇区上做波束合成，并补偿由于不同入射波束的方向所引起的回波强度损失。完成后进行下一个扇区的发射—接收—波束合成，直到所有扇面都完成。
步骤3)、对每个扇区内每个波束进行地层结构的检测和跟踪，并标记是否为同一地层结构。利用边缘检测方法检测每个地层结构内部是否存在掩埋目标，并标记。
步骤4)、将处理后的数据传输到显控终端进行地层结构和掩埋目标的三维重建和实时显示。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种基于换能器阵列的浅地层三维剖面声学探测装置，包括双层系统搭载平台，其特征在于，上层搭载平台上设置有电子舱和GPS天线；下层搭载平台上设有“T”型换能器阵列、控制与处理系统；所述的控制与处理系统包括发射模块和接收处理模块，并且分别与换能器阵列和显控终端连接，所述的控制与处理系统用于发射和接收地层及掩埋目标的声学回波数据，对采集的地层及目标的回波信号进行处理，通过计算精确重构地层结构及目标信息，传输到显控终端，形成对特定海域地层剖面测量及掩埋沉船目标三维重建；
所述的双层系统搭载平台漂浮在水面上，与测量船连接，在测量船牵引下前进；
所述的“T”型换能器阵列包括垂直成像布放的发射换能器阵列和接收换能器阵列；均布放在搭载平台底部，辐射面向下，与控制与处理系统连接，在控制与处理系统的控制下用于产生和发射声学信号，向水中和海底发射，并接收地层结构与掩埋目标的回波信号，收发换能器阵列能够覆盖较宽的扫测角度，扫测角度内形成多个波束，发射换能器阵的48个阵元覆盖范围为水平方向90度，垂直方向2度；接收换能器的48阵元接收覆盖角度水平和垂直均为90度，接收阵则在垂直方向上覆盖90度，在水平方向上通过波束形成技术可以获得48个波束，分辨率为2度，形成一个切片内小脚印，从而获得较高的成像分辨率；
所述的发射换能器阵列水平放置，由决定穿透能力分辨率的M个阵元和决定孔径分辨率的N个阵元组成，按照半波长均匀等间隔布阵；所述的包括接收换能器阵列垂直放置，由决定穿透能力分辨率的M个阵元和决定孔径分辨率的N个阵元组成，按照半波长均匀、间隔布阵；
所述控制与处理系统包括多通道信号发射模块、多通道信号接收与高速采集模块、控制模块、数据处理模块、姿态仪和电源模块，及安装各模块的电子舱；
所述多通道发射模块由M个发射通道构成，每个通道连接发射换能器阵列的一个阵元，用于产生声学信号，并驱动换能器将信号向水中发射，并穿透海底浅地层；所述多通道信号接收与高速采集模块由N个接收通道构成，每个接收通道连接接收换能器的一个阵元，用于接收地层结构及掩埋目标散射的微弱信号，并经调理将信号放大到-5V~+5V，由高速采集模块进行AD采样，得到数字化信号，以便于进一步数据处理。
2.根据权利要求1所述的基于换能器阵列的浅地层三维剖面声学探测装置，其特征在于，所述控制模块采用通用ARM架构的处理芯片实现，用于对发射阵元的信号产生和相位调节、接收信号波束合成参数，系统增益、数据传输工作参数进行调整，使系统获得最佳的工作状态。
3.根据权利要求1所述的基于换能器阵列的浅地层三维剖面声学探测装置，其特征在于，所述数据处理模块将采集的N个接收通道的信号进行波束合成处理，获得高分辨率的浅地层剖面结构信息及大掩埋目标的三维重建，并由控制模块将结果传输到显控终端，进行进一步的处理和显示，采用高性能的数字信号处理芯片和可编程场门控阵列组合来实现。
4.一种采用权利要求1所述的基于换能器阵列的浅地层三维剖面声学探测装置的三维重建和成像方法，其特征在于，依次包括下述步骤
步骤1）控制模块控制发射换能器阵列，在信号发射过程中，将M个阵元划分成Q个发射扇面，每扇面内依次发射正交的声纳波束信号，每个正交信号对应扇面中一个垂直波束方向，信号穿透地层，遇到地层结构界面或掩埋目标，声信号被发射回来，被N个阵元的接收换能器阵列所接收；
步骤2）换能器阵列接收和处理过程中，接收阵列每个阵元接收到该扇面的回波信号后，通过与发射的模板信号进行相关匹配处理，提取所有发射波束对应回波信号，并在相应扇区上做波束合成，并补偿由于不同入射波束的方向所引起的回波强度损失；完成后进行下一个扇区的发射—接收—波束合成，直到所有扇面都完成；
步骤3）对每个扇区内每个波束进行地层结构的检测和跟踪，并标记是否为同一地层结构；利用边缘检测方法检测每个地层结构内部是否存在掩埋目标，并标记；
步骤4）将处理后的数据传输到显控终端进行地层结构和掩埋目标的三维重建和实时显示。
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