一种多频多波束测深系统技术方案

一种多频多波束测深系统，包括：控制显示模块和测深设备；测深设备包括防水壳体，防水壳体内安装有：控制模块、多波束形成模块、功率放大模块和换能器基阵，控制模块接收控制显示模块发送的所要发射信号频率的指令，根据该指令控制多波束形成模块生成所要发射信号频率的调幅信号，多波束形成模块对调幅信号进行相移，相移后的调幅信号经功率放大模块进行功率放大后由换能器基阵发射出去，形成不同角度的多波束；反射后的回波信号被换能器基阵接收。能够实现“线‑面”测量，提高测量效率，同时还由于系统可提供丰富的频率，能适应不同深度范围的测量，并且不同的低频信号能适应不同沉积物的厚度测量，从而能对河道清淤工作及水底地质结构的测量。

A Multi-Frequency and Multi-Beam Sounding System

A multi-frequency and multi-beam bathymetry system includes: control display module and bathymetry equipment; bathymetry equipment includes waterproof shell, which is equipped with control module, multi-beam forming module, power amplification module and transducer array. Control module receives instructions to control the frequency of transmitted signals sent by display module, and controls the generation of multi-beam forming module according to the instructions. The amplitude modulation signal of the signal frequency is transmitted. The multi-beam forming module phase-shifts the amplitude modulation signal. After power amplification, the phase-shifted amplitude modulation signal is transmitted by the transducer array to form multi-beam of different angles. The reflected echo signal is received by the transducer array. It can realize \line-surface\ measurement and improve the efficiency of measurement. At the same time, because the system can provide abundant frequencies, can adapt to the measurement of different depth ranges, and different low-frequency signals can adapt to the thickness measurement of different sediments, so it can measure the river silt clearance work and the underwater geological structure.

【技术实现步骤摘要】
一种多频多波束测深系统
本技术涉及水体测深
，具体涉及一种多频多波束测深系统。
技术介绍
人类要进行水下(包括海洋、江河湖泊以及水库等)的开发利用，首先必须要对水深、水下地形地貌等进行勘测。测深仪是获取水深以及水底地形的有效设备。经过几十年的发展，目前在市场上的测深系统主要有单波束、多波束测深仪以及从频率上划分的单频、双频测深仪。单波束测深仪利用向测量船正下方发射探测超声波，通过测量发射与接收声波之间的时间差来测量水深。单波束测深仪的根本缺陷在于，每次只能给出测量船正下方的水深，在大面积测量时效率很低。另外，为了避免测量船摇摆晃动的影响，单波束测深仪要求比较宽的波束，这也导致测量精度较低。多波束测深将传统单波束的“点-线”测量，扩展为“线-面”，从而极大地提高了测量效率。由于多波束测深仪采用了预成多波束技术，因此波束角都相对较窄，可以大大提高的测量精度。目前所用的测深仪从工作频率上分主要有两种工作模式：单频和多频。多频测深方式优于单频方式主要体现在两个方面：1、高低频的组合能更好的适应测量深度和精度上的要求，当需要测量深水深时，选用低频可扩大测量范围；而在使用浅水深时使用高频可提高测量精度；2、在航道观测的应用中，通过高低频的不同传播特性获取沉积层厚度指导相关工作。在测深时，可使用的频率越多，适用性就越好，越容易满足不同环境的测量需求。目前能查到的相关多波束水深测深系统，无论是相关专利或是产品，采用的多是固定某种频率的测量方式；而现有的双频测深仪采用的多是单波束工作方式；专利2014104901793可以实现多频测深，但其也仅是单波束工作。从调研结果看出，现有测深设备没有做到同时兼顾测量效率以及设备的适应性，即既能高效快速的对水深数据进行测量，又能适用于不同的深度范围以及不同类型沉积层的情况。
技术实现思路
本申请提供一种多频多波束测深系统，包括控制显示模块和测深设备；所述测深设备包括防水壳体，所述防水壳体内安装有：控制模块、多波束形成模块、功率放大模块和换能器基阵，其中，控制模块与所述控制显示模块通过水密电缆通讯连接，接收所述控制显示模块发送的所要发射信号频率的指令，并根据该指令控制所述多波束形成模块生成所要发射信号频率的相应的调幅信号，所述多波束形成模块对所述调幅信号进行相移控制，相移后的调幅信号经所述功率放大模块进行功率放大后由换能器基阵发射出去，以形成不同角度的多波束声信号；且，多波束声信号在传播过程中由于介质的非线性能解调出频率为调幅信号中的包络信号频率两倍的低频信号，该低频信号与频率不变的原始调幅信号到达水底反射，生成回波信号；该低频信号还能在水底发生透射，在遇到另一层介质界面时再发生反射，生成回波信号；反射后的回波信号被换能器基阵接收。一种实施例中，所述换能器基阵嵌入安装于所述防水壳体内，并通过密封圈与所述防水壳体密封连接。一种实施例中，所述换能器基阵为长方形面阵。一种实施例中，所述换能器基阵包括发射换能器基阵和接收换能器基阵。一种实施例中，所述控制模块设有外围接口。一种实施例中，还包括高频接收模块和低频接收模块，所述控制模块根据低频测量控制低频接收模块接收回波信号并形成相应的波束，或，所述控制模块根据高频测量控制高频接收模块接收回波信号并形成相应的波束。一种实施例中，还包括对换能器基阵接收的回波信号进行放大、补偿处理的信号处理模块。依据上述实施例的多频多波束测深系统，能够实现“线-面”测量，提高测量效率，同时还由于系统可提供丰富的频率，能适应不同深度范围的测量，并且不同的低频信号能适应不同沉积物的厚度测量，从而能对河道清淤工作以及水底地质结构的测量。附图说明图1为多频多波束测深系统结构示意图；图2为多频多波束测深系统原理图；图3为功率放大模块的电路示意图。具体实施方式下面通过具体实施方式结合附图对本技术作进一步详细说明。在本技术实施例中，提供一种多频多波束测深系统，其结构示意图如图1所示，包括控制显示模块1和测深设备，其中，控制显示模块1可以是具有向测深设备发送指令及显示测深设备的测量结果的PC机。测深设备包括防水壳体2，防水壳体2的顶部焊接有一个法兰盘用于整个系统的安装固定，防水壳体2内安装有：控制模块3、多波束形成模块4、功率放大模块5、换能器基阵6和信号处理模块7。具体的，换能器基阵6嵌入安装于防水壳体2内，并通过密封圈与防水壳体2密封连接，本例的换能器基阵6为长方形面阵，具体包括发射换能器基阵和接收换能器基阵，其中，发射换能器基阵用于接收不同角度的多波束并将该多波束发射出去，接收换能器基阵接收反射后的回波信号。控制模块3是测深设备的核心处理部分，如，控制模块3优选为ADUC7126的精密微控制器，控制模块3与控制显示模块1通过水密电缆通讯连接，控制显示模块1提供有控制界面和显示界面，通过控制界面控制显示模块1向控制模块3发送指令以确定所要发射信号的频率，控制模块3接收到该指令后控制多波束形成模块4生成所要发射信号频率的相应的调幅信号；多波束形成模块4对该调幅信号进行相移控制，相移后的信号经过功率放大模块5进行功率放大后，由发射换能器基阵发射出去，即可形成具有某个角度指向性的发射波束，指向性的偏转角度由相移后的相邻基元间的相位差决定，以生成不同角度的多波束声信号。所要发射信号的频率的选择可根据测量水体的深度以及对沉积层的测量要求而确定，而波束发射的角度可由用户根据需要从控制显示模块1发送命令确定，也可由控制模块3按顺序进行一个扇面的扫描发射。本例的多波束形成模块4优选为BF706型号的DSP芯片，功率放大模块5是D类推挽放大电路，其电路图如图3所示，图3中，输入信号从Q5+\Q5-端输入，经过功率放大后由换能器发射，其中，TR6是发射换能器基元。发射换能器基阵将不同角度的多波束发射出去后，多波束声信号在传播过程中由于水体中介质的非线性作用能解调出频率为调幅信号中的包络信号频率两倍的低频信号，该低频信号与频率不变的原始调幅信号到达水底反射，生成回波信号；该低频信号还能在水底发生透射，在遇到另一层介质界面时再发生反射，生成回波信号；反射后的回波信号被接收换能器基阵接收；通过接收发射信号实现高频测量，也可通过接收传播过程中形成的低频信号实现低频测量，通过改变发射信号的包络信号频率，即可轻易获取不同频率的低频信号，实现系统的多频测量。进一步，在测量水底深度之前，还需要通过信号处理模块7对换能器基阵6接收的回波信号进行放大、补偿处理。具体的，信号处理模块7对接收波束主要是通过一谐波发生电路(NE555)实现时间增益调整，以及通过程控增益放大电路(AD603)实现系统增益补偿，然后，再由控制模块3进行采集传输到控制显示模块1进行显示测量结果。进一步，本例还添加了高频接收模块8和低频接收模块9，其中，高频接收模块8与低频接收模块9均由FPGA模块NIsbRIO-9651实现完成；待接收换能器基阵接收到反射的回波信号后，控制模块3通过判断是进行高频测量还是低频测量决定采用高频接收模块8还是低频接收模块9接收回波信号以形成相应的波束，高频接收模块8与低频接收模块9接收波束形成过程是每个基元上接收到的信号通过FPGA模块的加权、延时、求和的处理过程。如，控制模块3根据低频本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多频多波束测深系统，其特征在于，包括：控制显示模块和测深设备；所述测深设备包括防水壳体，所述防水壳体内安装有：控制模块、多波束形成模块、功率放大模块和换能器基阵，其中，控制模块与所述控制显示模块通过水密电缆通讯连接，接收所述控制显示模块发送的所要发射信号频率的指令，并根据该指令控制所述多波束形成模块生成所要发射信号频率的相应的调幅信号，所述多波束形成模块对所述调幅信号进行相移控制，相移后的调幅信号经所述功率放大模块进行功率放大后由换能器基阵发射出去，以形成不同角度的多波束声信号；且，多波束声信号在传播过程中由于介质的非线性能解调出频率为调幅信号中的包络信号频率两倍的低频信号，该低频信号与频率不变的原始调幅信号到达水底反射，生成回波信号；该低频信号还能在水底发生透射，在遇到另一层介质界面时再发生反射，生成回波信号；反射后的回波信号被换能器基阵接收。

【技术特征摘要】
1.一种多频多波束测深系统，其特征在于，包括：控制显示模块和测深设备；所述测深设备包括防水壳体，所述防水壳体内安装有：控制模块、多波束形成模块、功率放大模块和换能器基阵，其中，控制模块与所述控制显示模块通过水密电缆通讯连接，接收所述控制显示模块发送的所要发射信号频率的指令，并根据该指令控制所述多波束形成模块生成所要发射信号频率的相应的调幅信号，所述多波束形成模块对所述调幅信号进行相移控制，相移后的调幅信号经所述功率放大模块进行功率放大后由换能器基阵发射出去，以形成不同角度的多波束声信号；且，多波束声信号在传播过程中由于介质的非线性能解调出频率为调幅信号中的包络信号频率两倍的低频信号，该低频信号与频率不变的原始调幅信号到达水底反射，生成回波信号；该低频信号还能在水底发生透射，在遇到另一层介质界面时再发生反射，生成回波信号；反射后的回波信号被换能器基...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈晶晶，邹彬彬，郭英歌，王晨，孙小伟，冯強峰，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所东海研究站，
类型：新型
国别省市：上海,31