一种测量海底微地貌用的高分辨测深侧扫声纳装置制造方法及图纸

一种测量海底微地貌用的高分辨测深侧扫声纳装置，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，其中声纳阵的发射线阵与水下电子分机上的发射机的功率放大器的末级相联，声纳阵的平行接收线阵与水下电子分机上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。（*该技术在2011年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本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装置。
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.中所介绍的一种由压电陶瓷构成的声纳阵，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装置和技术中，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
本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不能正确测量正下方附近的深度或测深精度很差的问题；其次，在于解决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装置。本技术提供的用于测量海底微地貌的高分辨测深侧扫声纳装置，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，声纳阵的发射线阵与电子分机的发射机的功率放大器的末级相联，声纳阵的平行接收线阵与电子分机的接收机的前置放大器相联；其特征是所述的声纳阵由1个发射Chirp(线性调频)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；其声纳阵的工作频率在30kHz到1200kHz；其中d为λ/2为最佳。所述的平行接收线阵一般选择3个-20个以等间距排列构成。所述的水下电子分机还包括姿态传感器和/温度传感器；其中姿态传感器和温度传感器分别通过水下电子分机的输入输出控制器与主控计算机电连接。所述的水下载体包括水下机器人、水下有缆遥控潜水器、吊放架、拖曳系统中或船上。其工作过程为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)。本技术的优点在于(1)本技术采用的间距d为λ＞d≥λ/2是通过对相位附加因子的分析，提出了合理的声纳阵设计参数。由图5可知，当声纳阵的平行线阵间的间距d等于和小于波长λ时，ξ只是在很窄的角宽内影响测深精度。当d＝λ/2时，ξ的影响最小。获得的声纳时空相关函数相位的标准偏差的理论值和实验值符合良好，从而找到了声纳产生正下方测深精度差的原因，因此本技术解决了声纳正下方测深精度的问题，大大地提高了声纳正下方测深精度，实际测量结果为测深精度小于1％。图9表示，图中实线是理论值，虚线是实验值；由图可见，理论与实验符合。已有技术是假设海底是一厚度为0的产生反向散射回波的面，在考虑声纳阵栅瓣的情形下选用d＝0.7λ，因此，它没有讨论声纳正下方的测深误差的成因，更没有给出声纳正下方的测深精度。本技术把海底看成是一产生反向散射信号的薄层，求得的测深侧扫声纳的声纳阵时空相关函数相位的表式上，比通常理论多了一项被称它为相位附加因子ξ；所制作的声纳阵的d≤λ时，ξ的影响相当小，d＝λ/2时ξ的影响最小，如图5所示的。所以本技术采用的声纳阵的平行接收线阵的间距d设计为λ＞d≥λ/2结构的测深侧扫声纳装置，能测量得到正确地海底声纳正下方的测深精度。(2)使用本技术的测深侧扫声纳装置进行测量正确地把海底回波与其它多途信号分离出来，它能良好地检测海底，删除多途信号。由此获得的图件中没有多途效应。(3)本技术的高分辨测深侧扫声纳装置装在水下机器人(AUV)上，进行了实际测量，双侧同时工作，在校正了误差后，给出了测深精度和等深线图；从而实现了使用化。(4)本技术装置能正确地把海底回波与其它多途信号分离出来，并正确地检测海，底删除多途信号，由此获得的图件中没有多途效应。附图说明图1本技术的结构示意图图2本技术的装置中的声纳阵与水下电子分机组成的方框本文档来自技高网...

【技术保护点】

【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：实用新型
国别省市：