用于测量海底微地貌的高分辨测深侧扫声纳系统和测量方法技术方案

本发明专利技术涉及一种用于测量海底的微地貌的高分辨测深测扫声纳系统和测量方法。该系统包括：在水下载体上安装有水下电子分机，和在水下载体下方两侧对称安装两个声纳阵，发射线阵与水下电子分机的发射机的功率放大器末级相联，平行接收线阵与水下电子分机的接收机的前置放大器相联；每个声纳阵由１个发射线阵和３个或３个以上以等间距排列的，用压电陶瓷制作的平行接收线阵构成，相邻两个平行接收线阵的间距Ｄ为：λ＞ｄ≥λ／２；λ为声波长；其工作频率在３０ＫＨｚ到１２００ＫＨｚ。该系统对海底的微地貌进行测量，大大地提高了声纳正下方测深精度；采用本发明专利技术的海底自动检测－多途信号分离（ＳＢＡＤ－ＥＳＰＲＩＴ）方法，能良好地检测海底，删除多途信号；并且给出了测深精度和等深线图。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种高分辨的声纳技术，特别是涉及一种用于测量海底的微地貌的高分辨测深侧扫声纳系统和测量方法。
技术介绍
目前，对海底的微地貌进行测量的装置和方法概括如下(1)例如P.H.Kreautner and J.S.Bird，Principal components arrayprocessing for swath acoustic mapping.Proceedings of the IEEE Oceans′97 Conference，October 1997.和H.Kreautner and J.S.Bird，Beyondinterferometry，resolving multiple angles-of-arrival in swathbathymetric imaging，Proceedings of the IEEE Ocean′99 Conference，September，1999.中所介绍的一种由一个6个等间距平行线阵组成的声纳阵，平行线阵由按一定间隔排列的压电陶瓷构成，与前置放大器和功率放大器的终端相连。所有这些水密包封在一起，放在水下，由电缆与水上的电子分机相连。其工作频率300kHz，发射简单脉冲信号。采用“主分量阵处理”方法进行信号处理。并且进行如下的实验(A)在水池中对人造目标进行了测量，目标是由正交的铜管构成，这是一个良好的声学目标，声纳正确检测出人造目标；但对池壁的测量结果差。(B)在一个小湖中进行了试验，湖深2-30m，将声纳阵放在小码头前湖底上的普通三角的支架上，电子部分放在岸上。实验表明，测出了海底的直达回波，但在作用距离内没有自动删除多途效应引起的多途信号，仍残留在图件中。(C)在同一小湖中用步进马达转动声纳阵获得了常规的侧扫图；常规侧扫图只能显示水底反向散射信号的强弱，由此可推断水底地形的变化趋势，但给不出水底的深度。(D)将声纳阵放在一小船的侧舷来回运动，没有姿态修正也没有定位导航装置，获得了三维声像，即三维水底地形的变化趋势。该装置没有给出测深精度，也没有给出等深线图；所有的已有装置和所使用已有的技术在水池和湖中所做实验中均没有测出声纳正下方附近的深度数据。目前现有的测深侧扫声纳技术中，存在两个主要缺点，首先，它不能正确测量正下方附近的深度，即使能测量出声纳正下方附近的深度数据，那麽测量误差也很大；其次，它不能区分从不同方向同时到达的回波，在水声信道存在多途效应时，或地形复杂时，不能正常工作。声纳的测量精度、作用距离、工作效率和适用性受到严重限制。P.H.Kreautner and J.S.Bird采用“主分量阵处理”方法进行信号处理，基本能分离从不同方向同时到达的回波，但没有自动挑选出所要的海底回波，没有给出测深精度，也没有给出等深线图。为了祢补现有的测深侧扫声纳的正下方附近的测深精度很差的主要缺点，已采用三种办法其一是将测线间的距离减小，往往要减少为一侧的作用距离，以使相邻两次测量的范围相互覆盖，这显著降低了测量效率。第二是中间加一浅地层剖面仪，由于浅地层剖面仪的圆锥波束角宽在40°左右，分辨率差。而且，由于它的频带相当低，对海底有相当的穿透深度，测深精度不高。第三是中间加一小型多波束测深系统，这增加了设备的复杂性和价格。其次，现有的测深侧扫声纳的信号处理方法是差分相位估计法，它不能区分不同方向同时到达的回波，严重限制了现有测深侧扫声纳作用距离和适用范围。此外，在复杂地形上工作时，也会产生多个不同方向同时到达的回波，现有测深侧扫声纳的测量精度明显下降。
技术实现思路
专利技术的目的在于克服已有技术的缺点和不足，为了解决已有的测深侧扫声纳装置和技术所测得正下方附近的测深精度很差的问题，以及不能给出等深线图；其次，在于解决现有的测深侧扫的信号处理方法是差分相位估计法，它不能区分不同方向同时到达的回波，而严重限制了现有测深侧扫声纳作用距离和适用范围，以及在复杂地形上工作时测量精度明显下降；又为了将高分辨测深侧扫声纳应用于水下载体上，包括机器人(AUV)、无人遥控潜水器(ROV)和拖曳体上，达到实用化；从而提供一种显著地提高测深侧扫声纳的测量精度、作用距离、工作效率和适用性的、用于测量海底微地貌的高分辨测深侧扫声纳系统。本专利技术的目的是这样实现的本专利技术提供的用于测量海底微地貌的高分辨测深侧扫声纳系统，包括在水下载体上安装有水下电子分机，和在水下载体下方两侧对称安装两个声纳阵，发射线阵与水下电子分机的发射机的功率放大器的术级相联，平行接收线阵与水下电子分机的接收机的前置放大器相联；其特征是每个声纳阵由1个发射线性调频(Chirp)信号的发射线阵和3个或3个以上以等间距排列的、用压电陶瓷制作的平行接收线阵构成，相邻两个平行接收线阵之间的间距d为λ＞d≥λ/2；λ为声波长；其工作频率可由30kHz到1200kHz；其中d为λ/2为最佳；一般每个声纳阵由1个发射Chirp(线性调频)信号的发射线阵和由3个或3个以上的平行接收线阵构成。声纳阵中的发射线阵向侧向发射声波后，海底的声回波按时间的先后依次被声纳阵中的平行接收线阵接收，再经电子分机处理，形成许多波束，获得海底深度。载体不断向前运动，不断发射声波和接收海底的回波，获得海底的深度。一段时间内就可获得某海底一定面积上的等深线(见附图1)。其中所述的水下电子分机包括接收机、发射机、多通道A/D转换器、高速数字信号处理器、输入输出控制器和主控计算机。其中发射线阵与发射机的功率放大器的末级相联，平行接收线阵与接收机的前置放大器相联，接收机与多通道A/D转换器电连接，多通道A/D转换器与高速数字信号处理器电连接，多通道高速数字信号处理器与带有硬盘的主控计算机电连接，输入输出控制器与主控计算机、发射机、接收机电联接。(见附图2)所述的水下电子分机还包括姿态传感器和/或温度传感器，姿态传感器和温度传感器通过输入输出控制器与主控计算机电连接。此外，为了调试整个水下分机，还可以包括与主控计算机通过以太网相联接的水上计算机。所述的用于测量海底微地貌的高分辨测深侧扫声纳系统，其工作流程如下首先由主控计算机通过控制器向两个发射机给出门控信号，使发射机产生大功率线性调频(Chirp)电脉冲信号驱动两侧的发射线阵，发射线阵把Chirp电脉冲信号转换成声脉冲信号并向海底发射；发射完毕后，主控计算机命令高速数字信号处理器启动多通道A/D转换器，同时主控计算机通过控制器向接收机给出时变增益控制(TGC)信号，接收机开始接收由两侧的平行接线阵接收到的信号，经过接收机放大、滤波、正交解调，通过多通道A/D转换器将其变为数字信号，数字信号被输入到高速数字信号处理器，高速数字信号处理器将对数字信号进行处理，处理结果被输入到主控计算机，并保存在硬盘上；同时，当该系统还安装有姿态传感器数据和/或温度传感器的情况下，在这段时间内的姿态传感器数据和温度传感器数据也通过控制器被输入到主控计算机，并保存在硬盘上。(见附图11)其中所述的接收机由两块接收机板组成，每块接收机板的通道数和工作频率与相联接的平行接收线阵数目和工作频率一致。换能器接收到的微弱信号经前放放大和时变增益控制(TGC)进行增益补偿，输入带通滤波器，滤去通带外的噪声，信号经正交解调后形成正交本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于测量海底微地貌的高分辨测深侧扫声纳系统，其特征是：包括：在水下载体上安装有水下电子分机，和在水下载体下方两侧对称安装两个声纳阵，其中发射线阵与水下电子分机的发射机的功率放大器的末级相联，平行接收线阵与水下电子分机的接收机的前置放大器相联；其特征是：每个声纳阵由１个发射Ｃｈｉｒｐ信号的发射线阵和３个或３个以上以等间距排列的、用压电陶瓷制作的平行接收线阵构成，相邻两个平行接收线阵之间的间距ｄ为：λ＞ｄ≥λ／２；λ为声波长；其工作频率在３０ｋＨｚ到１２００ｋＨｚ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱维庆，刘晓东，朱敏，潘锋，张向军，王长红，汪玉玲，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]