CN204536548U - 水下地形测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水下地形测量系统，属于水下地形测量装置领域，提供一种结合普通AUV设备的水下地形测量系统，简化系统结构，降低成本。包括AUV设备，还包括地形测量信号处理系统和换能器阵列，所述地形测量信号处理系统设置在AUV设备的内部，所述换能器阵列由多个工作频率各不相同的换能器组成，且多个换能器在AUV设备的外壳的横截面上呈弧形分布；每个换能器均通过线缆与地形测量信号处理系统信号连接。通过将地形测量信号处理系统和换能器阵列直接安装AUV设备上，实现了通过普通AUV设备即可进行水下地形的测量工作，极大的简化了水下地形测量设备，同时降低设备成本。

Description

水下地形测量系统

技术领域

本实用新型涉及水下地形测量装置领域，尤其涉及一种水下地形测量系统。

背景技术

AUV，即自主式水下潜器(Autonomous Underwater Vehicle，简称AUV)。近年来，随着水下工程设备技术的不断发展，AUV设备已经实现了可自主巡航、定位、检测水下深度等功能；然而由于目前现有的基于侧扫声纳的水下地形测量系统十分复杂，无法在普通的AUV上进行安装和使用，使得水下地形测量设备复杂，而且价格昂贵。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题是提供一种结合普通AUV设备的水下地形测量系统，其结构简单，成本较低。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：水下地形测量系统，包括AUV设备，还包括地形测量信号处理系统和换能器阵列，所述地形测量信号处理系统设置在AUV设备的内部，所述换能器阵列由多个工作频率各不相同的换能器组成，且多个换能器在AUV设备的外壳的横截面上呈弧形分布；每个换能器均通过线缆与地形测量信号处理系统信号连接。

进一步的是：多个换能器弧形分布的张角β的取值范围为30°至90°。

进一步的是：张角β的取值为40°。

进一步的是：张角β的角平分线竖直向下。

进一步的是：在AUV设备的外壳的横截面上相邻的两个换能器之间的夹角θ为一固定值。

进一步的是：所述夹角θ的取值范围为1°至10°。

进一步的是：所述夹角θ的值为5°。

进一步的是：所述地形测量信号处理系统包括发射电路、接收电路以及回波时间测量系统，所述发射电路与换能器和回波时间测量系统信号连接，所述接收电路与换能器和回波时间测量系统信号连接。

进一步的是：所述发射电路包括信号发生器和功率放大器；所述接收电路包括信号调理器和滤波器。

进一步的是：在AUV设备上还设置有自动巡航系统和定位系统。

本实用新型的有益效果是：通过将地形测量信号处理系统和换能器阵列直接安装到AUV设备上，实现了通过现有的普通AUV设备即可进行水下地形的测量工作，并且通过采用不同频率的换能器按照一定的规律的安装在AUV设备上，实现了对水下地形的测量；极大的简化了水下地形测量设备，同时降低设备成本。

附图说明

图1为本实用新型所述的水下地形测量系统的横截面示意图；

图2为本实用新型所述的水下地形测量系统的原理图；

图中标记为：地形测量信号处理系统1、换能器2、AUV设备的外壳3、线缆4、发射电路5、信号发生器51、功率放大器52、接收电路6、信号调理器61、滤波器62、回波时间测量系统7、张角β的角平分线8、探测波束9。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步说明。

如图1和图2中所示，本实用新型所述的水下地形测量系统，包括AUV设备，还包括地形测量信号处理系统1和换能器阵列，所述地形测量信号处理系统1设置在AUV设备的内部，所述换能器阵列由多个工作频率各不相同的换能器2组成，且多个换能器2在AUV设备的外壳3的横截面上呈弧形分布；每个换能器2均通过线缆4与地形测量信号处理系统1信号连接。

其中AUV设备为现有技术，一般而言，在AUV设备上还安装有相应的自动巡航系统和定位系统等，以实现其自主巡航、定位等功能。当然，根据需要也可设置别的功能系统，如可在AUV设备上设置实时检测水下深度、检测水质等功能。由于本实用新型是基于现有的AUV设备，因此AUV设备的具体结构和工作原理均可采用现有技术，不再详述。通常情况下AUV设备设置成雪茄装，其横截面一般呈圆形。

换能器阵列由多个换能器2组成，如图1中所示，当AUV设备的外壳3的横截面呈圆形的情况下，各个换能器2沿着AUV设备的外壳3的横截面呈弧形分布；并且各个换能器2所发出的探测波束9应当沿着弧形分布的法线方向，如图2中所示呈放射状发出探测波束9；一般而言探测波束9为超声波。

考虑到AUV在水下航行时，多个换能器2弧形分布的张角β的对应到水底的辐射宽度即为可探测地形的范围，通常可设定张角β的取值范围为30°至90°之间，如可选定张角β为40°。

另外，当AUV在水下航行时，希望其探测的水下地形的宽度是以AUV为中心向两侧对称延伸的，因此进一步将张角β的角平分线8竖直向下；即如图2中所示，多个换能器2沿着AUV设备的外壳3的横截面的竖向中线对称分布。

另外，对于换能器2的工作频率，要求其各不相同，这样做的目的是为了避免换能器2之间的相互干扰，以实现水下地形测量，由于各个换能器2的工作频率各不相同，因此每个换能器2只能发出和接收特定的相同频率的信号，这样通过同一个换能器2发出和接受到同一频率信号的时间差即可得出在该换能器2发出探测波束9的方向上的地形情况。

一般而言，各个换能器2的工频率介于1MHz～10MHz之间。

另外，由于多个换能器2的工作频率各不相同，因此其在排列时理论上可以随意排列也可按照一定顺序排列，如多个换能器2从弧形分布的一端按照工作频率依次递增的排列至另一端。

另外，对于各个换能器2的工作频率，只要满足其各不相同即可，其余没有严格限制，如可设定多个换能器2中工作频率最低的为1MHz，然后按照1MHz的增量逐渐增加，即多有换能器2的工作频率依次为1MHz、2MHz、3MHz、4MHz、5MHz……；而如果按照上述多个换能器2从弧形分布的一端按照工作频率依次递增的排列至另一端的情况下，此时相邻的两个换能器的工作频率之差即为1MHz。

另外，对于换能器2的个数，可根据需要设置不同的数量，理论上换能器2的个数越多，相邻换能器2之间的夹角θ的值越小，则探测地形的分辨率越高，当然，相应的对设备的要求也越高，成本也会增加。一般而言，夹角θ可设置为一固定值，并且夹角θ的值越大，则探测地形的分辨率越低，反之夹角θ的值越小，则探测地形的分辨率越高。一般可在1°至10°的范围内选取夹角θ的值，如选取夹角θ的值为5°或者3°等。另外，多个换能器2形成的弧形分布的张角β、换能器2的个数以及相邻两个换能器2之间的夹角θ三者之间存在数学关系：θ＝β/(换能器数量-1)；如设置张角β为40°，且共设置9个换能器2，并且多个换能器按上述排列方式时相应的相邻两个换能器2之间的夹角θ既为5°。

地形测量信号处理系统1，其作用主要包括向换能器2发出信号，以及接收从换能器2传回的信号，并且通过对发送信号和回收信号进行处理，最后通过相应的计算分析方法即可得到水下地形分布图。一般而言，地形测量信号处理系统1包括发射电路5、接收电路6以及回波时间测量系统7，所述发射电路5与换能器2和回波时间测量系统7信号连接，所述接收电路6与换能器2和回波时间测量系统7信号连接。其中发射电路5进一步可包括信号发生器51和功率放大器52；接收电路6进一步可包括信号调理器61和滤波器62。

信号发生器51输出载波频率与各个换能器2的工作频率相同的填充脉冲波，脉冲波的个数可以根据实际换能器2的数量进行调整，如当换能器2的数量为N个时，相应的脉冲波的个数相应的可设置为N个；如换能器2的数量设定在5-10个之间，因此脉冲波数量一般也介于5-10之间；对于脉冲波的重复周期则一般可以在10-100ms之间调节。另外信号发生器51的输出电压一般为2Vpp，输出阻抗为50欧姆左右。因此设置有功率放大器52对其进行功率放大，以便驱动多个换能器2；一般功率放大器52可设置在1MHz-10MHz范围内工作，其输入阻抗可设置为50欧姆，输出功率设置为100W。

信号调理器61将对换能器2所接收到的回波信号进行整形和放大，其中放大倍数一般可以在10-20倍之间调节；然后将整形和放大后的信号传递给滤波器62进行滤波处理，一般而言滤波器62的工作频带为500kHz-10MHz即可，并在滤波完成后可以对信号进行进一步的放大，放大倍数可以在2-10之间调节，从而使回波信号形成具有良好信噪比的接收波形。

至于回波时间测量系统7则一般由信号分析硬件模块和分析软件构成，通过信号分析硬件模块将对超出触发电平的回波信号进行快速傅里叶变换(FFT)分析，并通过软件系统对分析结果进行识别，以获得真实的回波信号及回波延迟时间。回波时间测量系统将分析不同载波频率信号的回波时间，而该时间对应处于不同角度的换能器所接收到的时间延迟，因此，通过计算可以获得处于不同角度的超声波传播距离，由此可以获得水下地形特征。而进一步通过AUV的运动可以获得所经过路线上的条带地形特性，通过在不同航线上进行测量，最终可以获得水下地形地貌。一般而言，AUV设备在水下进行测量时为匀速直线运动。

本实用新型的具体工作流程如下：

将AUV设备设置在水下一定深度中工作，并沿设定的航线做匀速直线运动，在运动过程中，发射电路5将发出信号并通过线缆4驱动各个换能器2以设定的重复频率发射超声波；超声波在传播过程中，遇河床等泥沙介质时会产生反射，反射回的超声波回波被对应换能器2接收后通过线缆传至接受电路6，并经过接收电路6处理后最后交由回波时间测量系统7进行处理。

Claims (10)

1.水下地形测量系统，包括AUV设备，其特征在于：还包括地形测量信号处理系统(1)和换能器阵列，所述地形测量信号处理系统(1)设置在AUV设备的内部，所述换能器阵列由多个工作频率各不相同的换能器(2)组成，且多个换能器(2)在AUV设备的外壳(3)的横截面上呈弧形分布；每个换能器(2)均通过线缆(4)与地形测量信号处理系统(1)信号连接。

2.如权利要求1所述的水下地形测量系统，其特征在于：多个换能器(2)弧形分布的张角β的取值范围为30°至90°。

3.如权利要求2所述的水下地形测量系统，其特征在于：张角β的取值为40°。

4.如权利要求2所述的水下地形测量系统，其特征在于：张角β的角平分线(8)竖直向下。

5.如权利要求1至4中任一项所述的水下地形测量系统，其特征在于：在AUV设备的外壳(3)的横截面上相邻的两个换能器(2)之间的夹角θ为一固定值。

6.如权利要求5所述的水下地形测量系统，其特征在于：所述夹角θ的取值范围为1°至10°。

7.如权利要求6所述的水下地形测量系统，其特征在于：所述夹角θ的值为5°。

8.如权利要求1所述的水下地形测量系统，其特征在于：所述地形测量信号处理系统(1)包括发射电路(5)、接收电路(6)以及回波时间测量系统(7)，所述发射电路(5)与换能器(2)和回波时间测量系统(7)信号连接，所述接收电路(6)与换能器(2)和回波时间测量系统(7)信号连接。

9.如权利要求8所述的水下地形测量系统，其特征在于：所述发射电路(5)包括信号发生器(51)和功率放大器(52)；所述接收电路(6)包括信号调理器(61)和滤波器(62)。

10.如权利要求1所述的水下地形测量系统，其特征在于：在AUV设备上还设置有自动巡航系统和定位系统。