CN201043997Y

CN201043997Y - 一种多波束剖面声纳信号处理装置

Info

Publication number: CN201043997Y
Application number: CNU2007201037085U
Authority: CN
Inventors: 桑恩方; 房晓明; 王继胜; 郭元曦; 乔钢; 卞红雨; 徐小卡; 王海峰; 邓敬贤; 沈政燕; 李微微; 赵景义; 安岩
Original assignee: China National Offshore Oil Corp CNOOC; Harbin Engineering University; Offshore Oil Engineering Co Ltd
Current assignee: China National Offshore Oil Corp CNOOC; Harbin Engineering University; Offshore Oil Engineering Co Ltd
Priority date: 2007-03-01
Filing date: 2007-03-01
Publication date: 2008-04-02
Anticipated expiration: 2017-03-01

Abstract

本实用新型涉及一种多波束剖面声纳信号处理装置，其特征在于：它包括水上主机，设置在水下机器人上的发射及控制DSP部分，发射信号调理部分、功率放大器、发射换能器、接收换能器、模拟信号采集传输部分、数据接收端口和DSP并行信号处理部分；发射及控制DSP部分通过缆线与水上主机连接，实时接收水上主机的命令，发射信号调理部分将发射及控制DSP部分产生的模拟信号进行放大、滤波，隔离，给功率放大器放大，发射换能器将信号进行电、机转换后，向水下发射；接收换能器接收回波，进行机、电转换后，模拟信号采集传输部分转换成数字信号，传输到数据接收端口，经DSP并行信号处理部分处理后，通过缆线传输给水上主机。本实用新型可以广泛用于探察海底石油管线方位的过程中。

Description

一种多波束剖面声纳信号处理装置

技术领域

本实用新型涉及一种采用高速DSP(数字信号处理器)的多波束剖面声纳信号处理装置。

背景技术

近年来随着声纳技术的发展，对于声纳信号处理系统的大容量实时信号处理能力也提出了越来越高的要求。传统的主动声纳信号处理系统大多采用专用的硬件结构来完成特定的数据处理任务，换能器后端直接接入数据转换采集，数据经模数转换后进入数字信号处理器处理。此类系统只能针对固定的换能器，并有固定的处理速度，一旦换能器变化或者处理速度要求更高，系统就无能为力了。传统的剖面声纳多为单波束、低频、大功率浅地层剖面声纳，该类声纳主要特点是频率比较低，能够剖析到较深的地层，但是对近距离高分辨率的目标分辨能力比较差。剖面声纳系统的分辨率直接与声纳信号的带宽有关，结合具体的石油管线探测需求设计并实现一种多波束，发射信号频率在35KHz-65KHz，带宽为30KHz的高精度剖面声纳是一重要的研究课题。

发明内容

针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种可以方便地由水下遥控机器人等水下载体携带，能以较高的分辨率探察出海底石油管线的方位的多波束剖面声纳信号处理装置。

为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：一种多波束剖面声纳信号处理装置，其特征在于：它包括水上主机，设置在水下机器人上的发射及控制DSP部分，发射信号调理部分、功率放大器、发射换能器、接收换能器、模拟信号采集传输部分、数据接收端口和DSP并行信号处理部分；所述发射及控制DSP部分通过缆线与所述水上主机串口连接，实时接收所述水上主机的命令，完成发射脉冲波形的产生，及实时功率控制和发射控制；所述发射信号调理部分将发射及控制DSP部分产生的模拟信号进行放大、滤波，经过隔离放大器电路隔离的输出端，发送给所述功率放大器放大，所述发射换能器将信号进行电、机转换后，向水下发射；所述接收换能器接收回波，并进行机、电转换后，通过所述模拟信号采集传输部分转换成数字信号，经由水密封电缆传输到所述数据接收端口，再经所述DSP并行信号处理部分进行数字信号处理后，通过缆线传输给水上主机显示存储。

所述发射及控制DSP部分、发射信号调理部分、数据接收端口和DSP并行信号处理部分设置在所述水下机器人的仪器舱内；所述功率放大器和模拟信号采集传输部分分别连接并设置在所述发射换能器和接收换能器的背部空腔内，所述功率放大器和模拟信号采集传输部分分别与通过水密封缆线连接所述发射信号调理部分和数据接收端口。

所述发射换能器和接收换能器均采用复合纵向振动换能器阵子，且所述发射换能器和接收换能器呈T字形固定在所述水下机器人的底部，与海底平行。

所述发射及控制DSP部分包括依次连接的光电转换器、电平转换器、DSP和D/A。

所述发射信号调理部分包括依次连接的模拟信号放大电路、模拟信号滤波电路和隔离放大器电路；所述信号调理部分的带通滤波在35kHz-65kHz的频率范围内起伏，通带内外的抑制比大于40dB。

所述模拟信号采集传输部分包括依次连接的前置放大器、信号调理器、采样保持器、模数转换器、可编程逻辑器件和网络接口；模拟信号依次通过前置放大器、信号调理器、采样保持器、模数转换器后转换成数字信号，再通过所述可编程逻辑器件配合网络接口输出。

本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本实用新型由于采用了多波束的接收换能器代替以往的单波束换能器，因此可以通过接收多波束的回波信号，进行波束形成、脉冲压缩等算法实现对海底石油管线的方位探测。2、由于采用探测信号的频段为35kHz～65kHz，带宽30KHz，大大提高了系统的探测频段，提高了系统的相对带宽从而减小了发射及接收换能器的尺寸和重量、并且提高了系统的分辨率。3、本实用新型采用TCP/IP网络进行水下单元与水上主机的通信，替代了以往的串口传输，数据传输率得到了很大的提高，并且接口方便。本实用新型可以广泛用于海洋、湖泊底部管线的探测，也可用于地质和考古的探测和海深及海底沉积层的测量和分类等。

附图说明

图1是本实用新型结构框图

图2是本实用新型发射及控制DSP部分原理结构框图

图3是本实用新型模拟信号采集传输部分原理结构框图

图4是本实用新型DSP并行信号处理部分原理结构框图

图5是本实用新型在海底机器人的安装结构图

图6是本实用新型接收换能器与发射换能器组装结构图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。

如图1～3所示，本实用新型的构成包括放置在岸上或船上的用于完成海底石油管线探测图像合成、显示和实时控制的水上主机1，发射及控制DSP(数字信号处理器)部分2，发射信号调理部分3，功率放大器4，发射换能器5和接收换能器6，模拟信号采集传输部分7，数据接收端口8、DSP并行信号处理部分9和水下机器人10。水下机器人10上设置有磁探仪11，磁探仪电子舱12、仪器舱13等。磁探仪11是探测海底铁磁性物体的探测设备，可以进行大范围的管线搜索，磁探仪电子舱12负责磁探仪11供电及数据处理。发射及控制DSP部分2、发射信号调理部分3、数据接收端口8和DSP并行信号处理部分9设置在水下机器人10的仪器舱13内。功率放大器4和模拟信号采集传输部分7分别连接在发射换能器5和接收换能器6的背部空腔内，并分别通过水密封缆线连接水下机器人10仪器舱13内的发射信号调理部分3和数据接收端口8，发射换能器5和接收换能器6呈T字形固定安装在水下机器人10的底部平行于海底。

如图4所示，本实用新型发射及控制DSP部分2的构成包括：光电转换器21、电平转换器22、DSP(数字信号处理器)23、D/A(数模转换器)24，各个部分统一安置在印制电路板上，数模转换器24连接发射信号调理部分3。发射及控制DSP部分2的任务是实时接收水上主机1的命令，完成发射脉冲波形的产生，及实时功率控制和发射控制。

本实用新型发射信号调理部分3的构成包括：模拟信号放大电路、模拟信号滤波电路、隔离放大器电路，这三个部分都在一块电路板上，采用导线连接。发射信号调理部分3将发射及控制DSP部分2产生的模拟信号进行放大、滤波，经过隔离放大器电路隔离的输出端直接送给功率放大器4进行功率放大。隔离放大器电路的主要作用是将发射信号调理部分3的地与功率放大器4的地分离，防止功率放大器4的大幅度噪声窜入发射信号调理部分3干扰发射信号。由于发射信号为35kHz-65kHz的线性调频脉冲，因此要求信号调理部分3的带通滤波在35kHz-65kHz的频率范围内起伏较小，通带内外的抑制比大于40dB。

本实用新型的功率放大器4采用现有技术两路功放反相驱动形式的三级射随电流放大器，可以使输出电压提高1倍，输出功率提高到单路输出的4倍。对输出信号可以实现功率的线性放大，脉冲功率在1千瓦以上，同时采用变压器耦合方式实现与发射换能器5的宽带匹配。

本实用新型的接收换能器5采用现有技术中的复合纵向振动换能器阵子，该换能器与其它类型的换能器相比有振动模式单纯、机电转换率高、结构坚固、性能稳定可靠、能承受较大电功率等优点。该部分的电功率加到1千瓦，其声源级可以达到215dB以上。

本实用新型的接收换能器6也是采用现有技术中的复合纵向振动换能器阵子，该换能器的接收信号幅度的变化非常大，首先从海底表面返回的声波幅度很强，与海底内部回波信号相比至少大20dB，模拟信号采集传输部分7要对该信号有一定的抑制作用。海底内部对声波的吸收比较大，以20米的工作深度计算，总的声吸收会在80dB以上。回波信号波形应该是一个很强的峰(表面回波)后面跟着一个迅速衰减的曲线可能还有一系列的小峰(断层等目标回波)。多波束剖面声纳的显示是以回波相关处理后的幅度为基础的，如果不在模拟信号采集传输部分7中进行自动增益控制，接收时会丢失回波信号的详尽信息，海底深处的图像无法正确显示。

如图5所示，本实用新型的模拟信号采集传输部分7的构成包括前置放大器71、信号调理器72、采样保持器73、模数转换器74、FPGA(可编程逻辑器件)75和网络接口76。位于接收换能器6的背部空腔内的模拟信号采集传输部分7，接收换能器6内部阵子通过软导线连接到模拟信号采集传输部分7。模拟信号依次通过前置放大器71、信号调理器72、采样保持器73、模数转换器74后，转换成数字信号，再通过可编程逻辑器件75配合网络接口76，将数字信号经由水密封电缆传输到数据接收端口8。由于海底石油管线的回波非常微弱，只进行一级的放大是不够的。前置放大器71对接收换能器6输出的微弱信号进行30dB的放大，然后再经过信号调理器72中的增益控制电路进行时变增益控制。时变增益控制需要一定的增益曲线(海底衰减曲线的倒数)，增益控制由发射及控制DSP部分2给出，通过信号线接入模拟信号采集传输部分7的信号调理器72，通过增益控制电路可以衰减海底强的回波，增大内部比较弱的回波，从而实现海底回波的动态范围压缩。采用差分前置放大可以有效地抑制电缆上共模噪声。

本实用新型的数据接收端口8是与DSP并行信号处理部分9紧密连接的以太网接口，负责接收模拟信号采集传输部分7的网络接口76传输来的数字信号以供DSP并行信号处理部分9进行数字信号处理。

如图6所示，本实用新型DSP并行信号处理部分9的构成包括从DSP网口91、从DSP92、FPGA(可编程逻辑器件)93、主DSP94、主DSP网口95。从DSP网口91接收模拟信号采集传输部分7的数字信号，并将数据存储在扩展的内存中，然后从DSP92和主DSP94在可编程逻辑器件93的配合下进行流水线并行处理，其过程包括傅立叶变换、相关和滤波等运算，经从DSP92与主DSP94处理后的数据，经主DSP网口95通过光纤送到水上主机1进行显示和存储。

本实用新型的工作原理是：

机器人10携带本实用新型水下部分进入工作状态后，系统加电，发射及控制DSP部分2和DSP并行信号处理部分9分别引导程序后，进入待机状态，启动水上主机1进入显控方式。系统的发射信号的脉冲宽度有0.5ms、1ms、2ms三档可选，发射信号的声功率有功率级0～7八档可调，脉冲重复频率最高可达5次/秒，信号的采集时刻和增益控制为可选项，完成参数设置后，按启动命令进入探测工作模式。

发射及控制DSP部分2上电后等待水上主机1的命令，一旦接收到启动命令，则按照设定的参数，以一定的脉宽和频率发射声脉冲。不同长度的脉冲波形以数据的形式存储在发射及控制DSP部分2的DSP程序中，该DSP根据水上主机1的命令，将波形数据送到发射及控制DSP部分2的数据总线上，并通过12bit数模转换器24将并行数据转化为波形，通过发射信号调理部分3、功率放大器4放大和匹配发射后，频率在35～65kHz范围内，声源级达到206dB，带内起伏3dB。发射换能器5将功率放大器4的大功率电信号转换成声波信号输出，声波经被测物体的反射回到接收换能器6，接收换能器6再将回波信号转换成电信号以便后续处理。DSP并行信号处理部分9的DSP上电引导程序后，等待发射及控制DSP部分2给出的采集信号。发射及控制DSP部分2的脉冲发射完毕后，等待一段时间通过I/O给出一个低电平，通知DSP并行信号处理部分9开始接收模拟信号采集传输部分7采集的的数字数据。上述的等待时间由水上主机1控制，等待时间要大于声脉冲往返的时间。采集信号与发射信号的拷贝进行相关运算后，再做低通滤波取出包络。DSP并行信号处理部分9将原始数据、相关计算后的数据和包络的数据等处理结果，以TCP/IP网络协议形式通过光纤高速传导到水上主机1，水上分机1对处理结果进行二维和三维显示，以及图像处理与识别。

本实用新型上述描述中的一些各部分的设置和连接方式，都是可以有所变化的，这些局部分变化或更换，不应排除在本实用新型的保护范围之外。

Claims

1.一种多波束剖面声纳信号处理装置，其特征在于：它包括水上主机，设置在水下机器人上的发射及控制DSP部分，发射信号调理部分、功率放大器、发射换能器、接收换能器、模拟信号采集传输部分、数据接收端口和DSP并行信号处理部分；所述发射及控制DSP部分通过缆线与所述水上主机串口连接，实时接收所述水上主机的命令，完成发射脉冲波形的产生，及实时功率控制和发射控制；所述发射信号调理部分将发射及控制DSP部分产生的模拟信号进行放大、滤波，经过隔离放大器电路隔离的输出端，发送给所述功率放大器放大，所述发射换能器将信号进行电、机转换后，向水下发射；所述接收换能器接收回波，并进行机、电转换后，通过所述模拟信号采集传输部分转换成数字信号，经由水密封电缆传输到所述数据接收端口，再经所述DSP并行信号处理部分进行数字信号处理后，通过缆线传输给水上主机显示存储。

2.如权利要求1所述的一种多波束剖面声纳信号处理装置，其特征在于：所述发射及控制DSP部分、发射信号调理部分、数据接收端口和DSP并行信号处理部分设置在所述水下机器人的仪器舱内；所述功率放大器和模拟信号采集传输部分分别连接并设置在所述发射换能器和接收换能器的背部空腔内，所述功率放大器和模拟信号采集传输部分分别与通过水密封缆线连接所述发射信号调理部分和数据接收端口。

3.如权利要求1所述的一种多波束剖面声纳信号处理装置，其特征在于：所述发射换能器和接收换能器均采用复合纵向振动换能器阵子，且所述发射换能器和接收换能器呈T字形固定在所述水下机器人的底部，与海底平行。

4.如权利要求2所述的一种多波束剖面声纳信号处理装置，其特征在于：所述发射换能器和接收换能器均采用复合纵向振动换能器阵子，且所述发射换能器和接收换能器呈T字形固定在所述水下机器人的底部，与海底平行。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种多波束剖面声纳信号处理装置，其特征在于：所述发射及控制DSP部分包括依次连接的光电转换器、电平转换器、DSP和D/A。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种多波束剖面声纳信号处理装置，其特征在于：所述发射信号调理部分包括依次连接的模拟信号放大电路、模拟信号滤波电路和隔离放大器电路；所述信号调理部分的带通滤波在35kHz-65kHz的频率范围内起伏，通带内外的抑制比大于40dB。

7.如权利要求5所述的一种多波束剖面声纳信号处理装置，其特征在于：所述发射信号调理部分包括依次连接的模拟信号放大电路、模拟信号滤波电路和隔离放大器电路；所述信号调理部分的带通滤波在35kHz-65kHz的频率范围内起伏，通带内外的抑制比大于40dB。

8.如权利要求1或2或3或4或7所述的一种多波束剖面声纳信号处理装置，其特征在于：所述模拟信号采集传输部分包括依次连接的前置放大器、信号调理器、采样保持器、模数转换器、可编程逻辑器件和网络接口；模拟信号依次通过前置放大器、信号调理器、采样保持器、模数转换器后转换成数字信号，再通过所述可编程逻辑器件配合网络接口输出。

9.如权利要求5所述的一种多波束剖面声纳信号处理装置，其特征在于：所述模拟信号采集传输部分包括依次连接的前置放大器、信号调理器、采样保持器、模数转换器、可编程逻辑器件和网络接口；模拟信号依次通过前置放大器、信号调理器、采样保持器、模数转换器后转换成数字信号，再通过所述可编程逻辑器件配合网络接口输出。

10.如权利要求6所述的一种多波束剖面声纳信号处理装置，其特征在于：所述模拟信号采集传输部分包括依次连接的前置放大器、信号调理器、采样保持器、模数转换器、可编程逻辑器件和网络接口；模拟信号依次通过前置放大器、信号调理器、采样保持器、模数转换器后转换成数字信号，再通过所述可编程逻辑器件配合网络接口输出。