專利名稱：用于測量海底微地貌的高分辨測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)和測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高分辨的聲納技術(shù)，特別是涉及一種用于測量海底的微地貌的高分辨測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)和測量方法。
背景技術(shù)：
目前，對(duì)海底的微地貌進(jìn)行測量的裝置和方法概括如下(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.中所介紹的一種由一個(gè)6個(gè)等間距平行線陣組成的聲納陣，平行線陣由按一定間隔排列的壓電陶瓷構(gòu)成，與前置放大器和功率放大器的終端相連。所有這些水密包封在一起，放在水下，由電纜與水上的電子分機(jī)相連。其工作頻率300kHz，發(fā)射簡單脈沖信號(hào)。采用“主分量陣處理”方法進(jìn)行信號(hào)處理。并且進(jìn)行如下的實(shí)驗(yàn)(A)在水池中對(duì)人造目標(biāo)進(jìn)行了測量，目標(biāo)是由正交的銅管構(gòu)成，這是一個(gè)良好的聲學(xué)目標(biāo)，聲納正確檢測出人造目標(biāo)；但對(duì)池壁的測量結(jié)果差。
(B)在一個(gè)小湖中進(jìn)行了試驗(yàn)，湖深2-30m，將聲納陣放在小碼頭前湖底上的普通三角的支架上，電子部分放在岸上。實(shí)驗(yàn)表明，測出了海底的直達(dá)回波，但在作用距離內(nèi)沒有自動(dòng)刪除多途效應(yīng)引起的多途信號(hào)，仍殘留在圖件中。
(C)在同一小湖中用步進(jìn)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)聲納陣獲得了常規(guī)的側(cè)掃圖；常規(guī)側(cè)掃圖只能顯示水底反向散射信號(hào)的強(qiáng)弱，由此可推斷水底地形的變化趨勢，但給不出水底的深度。
(D)將聲納陣放在一小船的側(cè)舷來回運(yùn)動(dòng)，沒有姿態(tài)修正也沒有定位導(dǎo)航裝置，獲得了三維聲像，即三維水底地形的變化趨勢。該裝置沒有給出測深精度，也沒有給出等深線圖；所有的已有裝置和所使用已有的技術(shù)在水池和湖中所做實(shí)驗(yàn)中均沒有測出聲納正下方附近的深度數(shù)據(jù)。
目前現(xiàn)有的測深側(cè)掃聲納技術(shù)中，存在兩個(gè)主要缺點(diǎn)，首先，它不能正確測量正下方附近的深度，即使能測量出聲納正下方附近的深度數(shù)據(jù)，那麼測量誤差也很大；其次，它不能區(qū)分從不同方向同時(shí)到達(dá)的回波，在水聲信道存在多途效應(yīng)時(shí)，或地形復(fù)雜時(shí)，不能正常工作。聲納的測量精度、作用距離、工作效率和適用性受到嚴(yán)重限制。P.H.Kreautner and J.S.Bird采用“主分量陣處理”方法進(jìn)行信號(hào)處理，基本能分離從不同方向同時(shí)到達(dá)的回波，但沒有自動(dòng)挑選出所要的海底回波，沒有給出測深精度，也沒有給出等深線圖。
為了禰補(bǔ)現(xiàn)有的測深側(cè)掃聲納的正下方附近的測深精度很差的主要缺點(diǎn)，已采用三種辦法其一是將測線間的距離減小，往往要減少為一側(cè)的作用距離，以使相鄰兩次測量的范圍相互覆蓋，這顯著降低了測量效率。第二是中間加一淺地層剖面儀，由于淺地層剖面儀的圓錐波束角寬在40°左右，分辨率差。而且，由于它的頻帶相當(dāng)?shù)?，?duì)海底有相當(dāng)?shù)拇┩干疃?，測深精度不高。第三是中間加一小型多波束測深系統(tǒng)，這增加了設(shè)備的復(fù)雜性和價(jià)格。
其次，現(xiàn)有的測深側(cè)掃聲納的信號(hào)處理方法是差分相位估計(jì)法，它不能區(qū)分不同方向同時(shí)到達(dá)的回波，嚴(yán)重限制了現(xiàn)有測深側(cè)掃聲納作用距離和適用范圍。此外，在復(fù)雜地形上工作時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生多個(gè)不同方向同時(shí)到達(dá)的回波，現(xiàn)有測深側(cè)掃聲納的測量精度明顯下降。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，為了解決已有的測深側(cè)掃聲納裝置和技術(shù)所測得正下方附近的測深精度很差的問題，以及不能給出等深線圖；其次，在于解決現(xiàn)有的測深側(cè)掃的信號(hào)處理方法是差分相位估計(jì)法，它不能區(qū)分不同方向同時(shí)到達(dá)的回波，而嚴(yán)重限制了現(xiàn)有測深側(cè)掃聲納作用距離和適用范圍，以及在復(fù)雜地形上工作時(shí)測量精度明顯下降；又為了將高分辨測深側(cè)掃聲納應(yīng)用于水下載體上，包括機(jī)器人(AUV)、無人遙控潛水器(ROV)和拖曳體上，達(dá)到實(shí)用化；從而提供一種顯著地提高測深側(cè)掃聲納的測量精度、作用距離、工作效率和適用性的、用于測量海底微地貌的高分辨測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供的用于測量海底微地貌的高分辨測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)，包括在水下載體上安裝有水下電子分機(jī)，和在水下載體下方兩側(cè)對(duì)稱安裝兩個(gè)聲納陣，發(fā)射線陣與水下電子分機(jī)的發(fā)射機(jī)的功率放大器的術(shù)級(jí)相聯(lián)，平行接收線陣與水下電子分機(jī)的接收機(jī)的前置放大器相聯(lián)；其特征是每個(gè)聲納陣由1個(gè)發(fā)射線性調(diào)頻(Chirp)信號(hào)的發(fā)射線陣和3個(gè)或3個(gè)以上以等間距排列的、用壓電陶瓷制作的平行接收線陣構(gòu)成，相鄰兩個(gè)平行接收線陣之間的間距d為λ＞d≥λ/2；λ為聲波長；其工作頻率可由30kHz到1200kHz；其中d為λ/2為最佳；一般每個(gè)聲納陣由1個(gè)發(fā)射Chirp(線性調(diào)頻)信號(hào)的發(fā)射線陣和由3個(gè)或3個(gè)以上的平行接收線陣構(gòu)成。聲納陣中的發(fā)射線陣向側(cè)向發(fā)射聲波后，海底的聲回波按時(shí)間的先后依次被聲納陣中的平行接收線陣接收，再經(jīng)電子分機(jī)處理，形成許多波束，獲得海底深度。載體不斷向前運(yùn)動(dòng)，不斷發(fā)射聲波和接收海底的回波，獲得海底的深度。一段時(shí)間內(nèi)就可獲得某海底一定面積上的等深線(見附圖1)。
其中所述的水下電子分機(jī)包括接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、多通道A/D轉(zhuǎn)換器、高速數(shù)字信號(hào)處理器、輸入輸出控制器和主控計(jì)算機(jī)。其中發(fā)射線陣與發(fā)射機(jī)的功率放大器的末級(jí)相聯(lián)，平行接收線陣與接收機(jī)的前置放大器相聯(lián)，接收機(jī)與多通道A/D轉(zhuǎn)換器電連接，多通道A/D轉(zhuǎn)換器與高速數(shù)字信號(hào)處理器電連接，多通道高速數(shù)字信號(hào)處理器與帶有硬盤的主控計(jì)算機(jī)電連接，輸入輸出控制器與主控計(jì)算機(jī)、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)電聯(lián)接。(見附圖2)所述的水下電子分機(jī)還包括姿態(tài)傳感器和/或溫度傳感器，姿態(tài)傳感器和溫度傳感器通過輸入輸出控制器與主控計(jì)算機(jī)電連接。
此外，為了調(diào)試整個(gè)水下分機(jī)，還可以包括與主控計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)相聯(lián)接的水上計(jì)算機(jī)。
所述的用于測量海底微地貌的高分辨測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)，其工作流程如下首先由主控計(jì)算機(jī)通過控制器向兩個(gè)發(fā)射機(jī)給出門控信號(hào)，使發(fā)射機(jī)產(chǎn)生大功率線性調(diào)頻(Chirp)電脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)兩側(cè)的發(fā)射線陣，發(fā)射線陣把Chirp電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲脈沖信號(hào)并向海底發(fā)射；發(fā)射完畢后，主控計(jì)算機(jī)命令高速數(shù)字信號(hào)處理器啟動(dòng)多通道A/D轉(zhuǎn)換器，同時(shí)主控計(jì)算機(jī)通過控制器向接收機(jī)給出時(shí)變增益控制(TGC)信號(hào)，接收機(jī)開始接收由兩側(cè)的平行接線陣接收到的信號(hào)，經(jīng)過接收機(jī)放大、濾波、正交解調(diào)，通過多通道A/D轉(zhuǎn)換器將其變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)被輸入到高速數(shù)字信號(hào)處理器，高速數(shù)字信號(hào)處理器將對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，處理結(jié)果被輸入到主控計(jì)算機(jī)，并保存在硬盤上；同時(shí)，當(dāng)該系統(tǒng)還安裝有姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)和/或溫度傳感器的情況下，在這段時(shí)間內(nèi)的姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)和溫度傳感器數(shù)據(jù)也通過控制器被輸入到主控計(jì)算機(jī)，并保存在硬盤上。(見附圖11)其中所述的接收機(jī)由兩塊接收機(jī)板組成，每塊接收機(jī)板的通道數(shù)和工作頻率與相聯(lián)接的平行接收線陣數(shù)目和工作頻率一致。換能器接收到的微弱信號(hào)經(jīng)前放放大和時(shí)變增益控制(TGC)進(jìn)行增益補(bǔ)償，輸入帶通濾波器，濾去通帶外的噪聲，信號(hào)經(jīng)正交解調(diào)后形成正交信號(hào)，經(jīng)過緩沖放大器，饋給多通道A/D轉(zhuǎn)換器，其幅度適合多通道A/D轉(zhuǎn)換器的要求。(框圖見附圖3)其中所述的發(fā)射機(jī)由兩塊發(fā)射機(jī)板組成，工作頻率與相聯(lián)接的發(fā)射線陣工作頻率一致。發(fā)射機(jī)由主控計(jì)算機(jī)控制，主控計(jì)算機(jī)通過輸入輸出板向發(fā)射機(jī)發(fā)出門控信號(hào)，啟動(dòng)發(fā)射機(jī)，由信號(hào)轉(zhuǎn)換電路根據(jù)載頻信號(hào)產(chǎn)生發(fā)射控制信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)級(jí)控制功率級(jí)的功率開關(guān)，推動(dòng)變壓器生成驅(qū)動(dòng)換能器的大功率脈沖信號(hào)。(框圖見附圖4)其中所述的多通道A/D轉(zhuǎn)換器是包括一主要用于對(duì)經(jīng)過接收機(jī)處理后的多路正交回波信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；該采集器由模擬輸入、多路模擬開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器、FIFO存儲(chǔ)器、可編程邏輯控制電路、時(shí)鐘發(fā)生器、主控計(jì)算機(jī)總線和DSP擴(kuò)展總線組成。輸入信號(hào)按與接收機(jī)的通道數(shù)相一致分為多組，每組由兩個(gè)相互正交的信號(hào)組成，輸入信號(hào)經(jīng)過多路模擬開關(guān)后，每組的兩個(gè)信號(hào)同時(shí)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)送入FIFO存儲(chǔ)器；存儲(chǔ)器在半滿時(shí)向高速數(shù)字信號(hào)處理器發(fā)出中斷請(qǐng)求，高速數(shù)字信號(hào)處理器響應(yīng)中斷，讀走數(shù)據(jù)并另行保存，然后進(jìn)行處理，處理完的數(shù)據(jù)傳給主控計(jì)算機(jī)顯示和保存。如此直到下一次中斷到來。(框圖見附圖5)其中所述的高速數(shù)字信號(hào)處理器由數(shù)字信號(hào)處理芯片、雙口RAM、靜態(tài)RAM(SRAM)、邏輯控制器、主控計(jì)算機(jī)接口和擴(kuò)展總線接口組成。高速數(shù)字信號(hào)處理器板與主控計(jì)算機(jī)之間通過雙口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換?？刂朴?jì)算機(jī)負(fù)責(zé)將DSP程序加載到靜態(tài)RAM(SRAM)，還負(fù)責(zé)控制數(shù)字信號(hào)處理器的啟動(dòng)和停止。數(shù)字信號(hào)處理芯片工作時(shí)，AD數(shù)據(jù)經(jīng)過擴(kuò)展接口保存到SRAM中，再經(jīng)過雙口RAM將AD數(shù)據(jù)傳到主控計(jì)算機(jī)。(框圖見附圖6)其中所述的輸入輸出控制器由數(shù)字輸出接口、數(shù)字輸入接口、定時(shí)器、D/A轉(zhuǎn)換器、邏輯控制器和主控計(jì)算機(jī)接口組成。控制發(fā)射機(jī)的門控信號(hào)使用了數(shù)字輸出口的兩路，同步信號(hào)從數(shù)字輸入口的一路輸入，兩塊接收機(jī)板的時(shí)變增益控制(TGC)信號(hào)由兩個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器給出，由定時(shí)器控制D/A轉(zhuǎn)換器的工作頻率。該輸入輸出控制器用于控制兩個(gè)發(fā)射機(jī)的門控、提供兩塊接收機(jī)板的時(shí)變增益控制(TGC)信號(hào)，并接收同步信號(hào)輸入。(框圖見附圖7)其中所述的高分辨率測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)的方框圖見圖2。計(jì)算機(jī)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，按一定時(shí)間經(jīng)過控制器發(fā)出指令，發(fā)射機(jī)驅(qū)動(dòng)聲納陣發(fā)射聲波，聲回波經(jīng)聲納陣變成電信號(hào)后饋給接收機(jī)，經(jīng)各種處理后，信號(hào)經(jīng)A/D換能器變成數(shù)字信號(hào)，在高速數(shù)字信號(hào)處理器中進(jìn)行各種運(yùn)算，獲得的結(jié)果存在硬盤里，或者經(jīng)由以太網(wǎng)送到水上計(jì)算機(jī)。
其中所述的水下載體包括水下機(jī)器人(AUV)、水下有纜遙控潛水器(ROV)和拖曳系統(tǒng)中或船上。
本發(fā)明的測量海底微地貌的測量方法，包括如下步驟(1)根據(jù)用戶的要求選用上述合適的水下載體，例如可適用于水下的機(jī)器人(AUV)、水下有纜遙控潛水器(ROV)和拖曳系統(tǒng)中，或船上；(2)根據(jù)用戶要求，擬定初步的總體指標(biāo)，將聲納陣時(shí)空相關(guān)函數(shù)相位標(biāo)準(zhǔn)偏差的理論公式和聲納方程聯(lián)合起來進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇聲納的工作頻率、作用距離、脈沖寬度以及聲納陣的長度等主要指標(biāo)；(3)根據(jù)聲納陣時(shí)空相關(guān)函數(shù)中的相位附加因子理論表式選擇聲納陣線陣基元的波束寬度和線陣間的距離，以使測量到聲納正下方的測深精度良好；(4)選擇聲納的各主要參數(shù)，否則重復(fù)(2)和(3)的計(jì)算，直到聲納的各主要參數(shù)基本滿意；(5)根據(jù)聲納工作的具體環(huán)境和用戶的要求，決定選用幾個(gè)平行的等間距線陣，其中線陣至少3個(gè)或3個(gè)以上；然后用本發(fā)明的海底自動(dòng)檢測—采用旋轉(zhuǎn)不變技術(shù)的信號(hào)參數(shù)估計(jì)(SBAD-ESPRIT)方法進(jìn)行模擬計(jì)算，初步定出聲納的分辨率和克服多途的能力；(6)確定好聲納的各主要參數(shù)，否則重復(fù)(2)、(3)、(4)和(5)各步，直到聲納的各主要參數(shù)確定下來，制作成兩個(gè)聲納陣樣機(jī)；(7)將步驟(6)制作的聲納陣樣機(jī)在水池中進(jìn)行測試；首先，測量池底的回波，將測得的深度值與池底的真實(shí)深度比較，包括正下方附近的深度，兩者應(yīng)該符合良好；其次，測量水池的輪廓包括墻角，測量值應(yīng)與實(shí)際值基本符合，這之后才能進(jìn)行室外試驗(yàn)；(8)在湖上或海上試驗(yàn)；將聲納陣裝在水下載體上進(jìn)行試驗(yàn)；本發(fā)明的系統(tǒng)的工作過程如下
首先由主控計(jì)算機(jī)通過控制器向兩個(gè)發(fā)射機(jī)給出門控信號(hào)，使發(fā)射機(jī)產(chǎn)生大功率線性調(diào)頻(Chirp)電脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)兩側(cè)的發(fā)射線陣，發(fā)射線陣把Chirp電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲脈沖信號(hào)并向海底發(fā)射；發(fā)射完畢后，主控計(jì)算機(jī)命令高速數(shù)字信號(hào)處理器啟動(dòng)多通道A/D轉(zhuǎn)換器，同時(shí)主控計(jì)算機(jī)通過控制器向接收機(jī)給出時(shí)變增益控制(TGC)信號(hào)，接收機(jī)開始接收由兩側(cè)的平行接線陣接收到的信號(hào)，經(jīng)過接收機(jī)放大、濾波、正交解調(diào)，通過多通道A/D轉(zhuǎn)換器將其變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)被輸入到高速數(shù)字信號(hào)處理器，高速數(shù)字信號(hào)處理器將對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，處理結(jié)果被輸入到主控計(jì)算機(jī)，并保存在硬盤上；同時(shí)，(當(dāng)該裝置中安有姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)和溫度傳感器)在這段時(shí)間內(nèi)的姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)和溫度傳感器數(shù)據(jù)也通過控制器被輸入到主控計(jì)算機(jī)，并保存在硬盤上；到此為止，一個(gè)高分辨率測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)的正常工作周期完成，系統(tǒng)將緊接著進(jìn)行下一個(gè)正常工作周期的工作，此時(shí)只有斷電才能使整個(gè)系統(tǒng)的工作停止。另外，在系統(tǒng)進(jìn)入正常工作前，主控計(jì)算機(jī)向高速數(shù)字信號(hào)處理器提供所需的程序。(見附圖11)試驗(yàn)完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；首先，將聲納測得的正下方附近的深度數(shù)據(jù)與高精度測深儀的深度數(shù)據(jù)對(duì)比，應(yīng)該符合良好；其次，將水下載體工作在多途效應(yīng)比較嚴(yán)重的情況，由測量數(shù)據(jù)判定克服多途效應(yīng)的能力。最后顯示的圖件上正確給出湖底或海底的深度，無任何多途信號(hào)干擾；(9)融合聲納測量數(shù)據(jù)以及載體姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)，給出等深線圖；(10)同時(shí)給出聲反向散射信號(hào)的灰階圖；(11)可以根據(jù)用戶要求制作用戶需要的圖件；本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)由于使用本發(fā)明的用于測量海底微地貌的高分辨測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)和方法進(jìn)行測量時(shí)是把海底看成是—產(chǎn)生反向散射回波的薄層，該測深側(cè)掃系統(tǒng)中的聲納陣采用的是用壓電陶瓷制作的平行接收線陣和發(fā)射線陣構(gòu)成，相鄰兩個(gè)平行接收線陣之間的間距d為λ＞d≥λ/2，λ為聲波長；其工作頻率可由30kHz到1200kHz，安裝在水下載體(例如機(jī)器人)上，發(fā)射Chirp信號(hào)；獲得了聲納陣時(shí)空相關(guān)函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，見圖14，圖中實(shí)線是理論值，虛線是實(shí)驗(yàn)值。由圖可見，理論與實(shí)驗(yàn)符合，這是本發(fā)明的高分辨測深側(cè)掃聲納的理論基礎(chǔ)。已有技術(shù)是假設(shè)海底是一厚度為0的產(chǎn)生反向散射回波的面，在考慮聲納陣柵瓣的情形下選用d＝0.7λ。它沒有談及聲納正下方測深誤差的成因，更沒有給出正下的測深精度。本發(fā)明把海底看成是—產(chǎn)生反向散射信號(hào)的薄層，求得的測深側(cè)掃聲納的聲納陣時(shí)空相關(guān)函數(shù)相位的表式上，比通常理論多了一項(xiàng)被稱它為相位附加因子ξ。ξ使測深側(cè)掃聲納正下方的測深精度變差。如圖8所示的。本發(fā)明采用的間距d為λ＞d≥λ/2是通過對(duì)相位附加因子的分析，提出了合理的聲納陣設(shè)計(jì)參數(shù)。由圖8可知，當(dāng)聲納陣的平行線陣間的間距d等于和小于波長λ時(shí)，ξ只是在很窄的角寬內(nèi)影響測深精度。當(dāng)d＝λ/2時(shí)，ξ的影響最小。獲得的聲納時(shí)空相關(guān)函數(shù)相位的標(biāo)準(zhǔn)偏差的理論值和實(shí)驗(yàn)值符合良好，從而找到了聲納產(chǎn)生正下方測深精度差的原因，因此本發(fā)明解決了聲納正下方測深精度的問題，大大地提高了聲納正下方測深精度，實(shí)際測量結(jié)果為測深精度小于1％。
(2)使用本發(fā)明的測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)進(jìn)行測量時(shí)采用ESPRIT(采用旋轉(zhuǎn)不變技術(shù)的信號(hào)參數(shù)估計(jì))信號(hào)處理方法正確地把海底回波與其它多途信號(hào)分離出來，再采用本發(fā)明的海底自動(dòng)海底檢測和跟蹤方法，即SBAD(海底自動(dòng)檢測)方法，它能良好地檢測海底，刪除多途信號(hào)。由此獲得的圖件中沒有多途效應(yīng)。本發(fā)明的信號(hào)處理方法總稱為SBAD-ESPRIT方法。
(3)本發(fā)明的高分辨測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)裝在水下機(jī)器人(AUV)上，進(jìn)行了實(shí)際測量，雙側(cè)同時(shí)工作，在校正了誤差后，給出了測深精度和等深線圖。


圖1本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意2高分辨率測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)的方框3高分辨率測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)接收機(jī)一個(gè)通道的電路框4高分辨率測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)發(fā)射機(jī)電路框5高分辨率測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)多通道A/D轉(zhuǎn)換器框6高分辨率測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)高速數(shù)字信號(hào)處理器電路框7高分辨率測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)輸入輸出控制器電路框8相位附加因子ξ與聲波掠射角θ的關(guān)系，d≤λ時(shí)，ξ的影響相當(dāng)小，d＝λ/2時(shí)ξ的影響最小圖9高分辨率測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)工作的幾何狀態(tài)；由圖可見，海底、水面會(huì)產(chǎn)生多個(gè)回波，這就是水聲信道的多途效應(yīng)，同時(shí)復(fù)雜海底也能產(chǎn)生多個(gè)不同方向同時(shí)到達(dá)的回波圖10高分辨率測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)聲納陣框11高分辨率測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)軟件系統(tǒng)框12是方法1和方法2的水池實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較，檢測目標(biāo)是池底。由于存在多途效應(yīng)，方法1好于方法2；方法1給出了聲納正下方附近的深度數(shù)據(jù)圖12a(上圖)掠射角與時(shí)間的關(guān)系，圖中顯示本發(fā)明的SBIAD-ESPRIT方法(以下簡稱方法1)顯然好于已有方法(以下簡稱方法2)圖12b(下圖)深度與距離的關(guān)系，圖中顯示方法1顯然好于方法2圖13檢測目標(biāo)是池壁，包括墻角；其中的數(shù)據(jù)是方法1獲得的結(jié)果，與水池的輪廓基本符合；由于多途嚴(yán)重，方法2無法獲得有用數(shù)據(jù)圖14聲納陣時(shí)空相關(guān)函數(shù)相位的標(biāo)準(zhǔn)偏差與水平距離的關(guān)系，理論值與實(shí)驗(yàn)值符合良好圖15高分辨率測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)與高精度測深儀獲得的水下機(jī)器人(AUV)正下方附近的深度數(shù)據(jù)比較，兩者符合良好；高精度測深儀的主要技術(shù)指標(biāo)為工作頻率600kHz，波束寬度4°，脈沖寬度0.1ms和每秒發(fā)射10次圖16是水下機(jī)器人(AUV)上的高分辨率測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)用本發(fā)明的SBIAD-ESPRIT方法(方法1)和方法2一次發(fā)射獲得的數(shù)據(jù)比較(右側(cè))；方法1獲得的數(shù)據(jù)直到波束數(shù)200～250和水平距離200～250m仍然是合理的，而方法2獲得的數(shù)據(jù)只到波束數(shù)80和水平距離80m是合理的圖16a是波束數(shù)與掠射角的關(guān)系圖16b是水平距離與深度的關(guān)系圖17a是波束數(shù)與掠射角的關(guān)系圖17b是水平距離與深度的關(guān)系圖17是水下機(jī)器人(AUV)上的高分辨率測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)用本發(fā)明的SBIAD-ESPRIT方法(方法1)和已有的方法(差分相位估計(jì)法，即方法2)一次發(fā)射獲得的數(shù)據(jù)比較(左側(cè))；結(jié)果同圖16的結(jié)果圖18高分辨率測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)300次發(fā)射獲得的數(shù)據(jù)構(gòu)成的三維深度19高分辨率測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)300次發(fā)射獲得的等深線面說明1-聲納水下電子分機(jī) 2-水下載體3-左聲納陣 4-右聲納陣
5-接收線陣16-接收線陣27-接收線陣38-接收線陣49-發(fā)射陣 10-接收陣11-接收電信號(hào) 12-發(fā)射電信號(hào)具體實(shí)施方式
實(shí)施例1按照?qǐng)D1和2制作—用于測量海底微地貌的高分辨測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)，測量對(duì)象為水池底、水池壁和池水面。該系統(tǒng)包括由吊放裝置將聲納陣3、4中的任一個(gè)吊放在水池中，聲納陣與聲納水下電子分機(jī)1由電纜連接，1放在水池面的工作臺(tái)上。每個(gè)聲納陣由1個(gè)發(fā)射線性調(diào)頻(Chirp)信號(hào)的發(fā)射線陣和4個(gè)以等間距排列的、用壓電陶瓷制作的平行接收線陣1、2、3、4構(gòu)成，相鄰兩個(gè)平行接收線陣之間的線陣間距d＝λ，λ＝2cm；線陣長度為70cm。其工作頻率可由30kHz到1200kHz；發(fā)射線陣9與水下電子分機(jī)1的發(fā)射機(jī)的功率放大器的末級(jí)相聯(lián)，平行接收線陣1-4與水下電子分機(jī)的1接收機(jī)的前置放大器相聯(lián)；聲納陣如圖10所示。聲納左右兩側(cè)的工作頻率分別為70kHz和80kHz，高分辨率測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)中水下電子分機(jī)1的各部份與聲納的連接關(guān)系見如圖2所示。水下電子分機(jī)1的各部份組成如圖2所示，其組成由主控計(jì)算機(jī)通過控制器向兩個(gè)發(fā)射機(jī)給出門控信號(hào)，使發(fā)射機(jī)產(chǎn)生大功率線性調(diào)頻(Chirp)電脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)兩側(cè)的發(fā)射線陣，發(fā)射線陣把Chirp電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲脈沖信號(hào)并向海底發(fā)射；發(fā)射完畢后，主控計(jì)算機(jī)命令高速數(shù)字信號(hào)處理器啟動(dòng)多通道A/D轉(zhuǎn)換器，同時(shí)主控計(jì)算機(jī)通過控制器向接收機(jī)給出時(shí)變增益控制(TGC)信號(hào)，接收機(jī)開始接收由兩側(cè)的平行接線陣接收到的信號(hào)，經(jīng)過接收機(jī)放大、濾波、正交解調(diào)，通過多通道A/D轉(zhuǎn)換器將其變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)被輸入到高速數(shù)字信號(hào)處理器，高速數(shù)字信號(hào)處理器將對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，處理結(jié)果被輸入到主控計(jì)算機(jī)，并保存在硬盤上；同時(shí)，當(dāng)該系統(tǒng)還安裝有姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)和/或溫度傳感器的情況下，在這段時(shí)間內(nèi)的姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)和溫度傳感器數(shù)據(jù)也通過控制器被輸入到主控計(jì)算機(jī)，并保存在硬盤上。并且各部份組成分別敘述如下圖4為發(fā)射機(jī)電路方框圖，發(fā)射機(jī)由信號(hào)轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)級(jí)、功率級(jí)、變壓器，按信號(hào)走向順序連接組成，除變壓器外，其它均可由國內(nèi)外市場上購得。變壓器是一常規(guī)的脈沖變壓器。圖3是接收機(jī)一個(gè)通道的電路方框圖，它包括前放、時(shí)間增益控制(TGC)電路、帶通濾波器(BPF)、本振、低通濾波器和緩沖放大器，按圖3電路的信號(hào)走向順序連接構(gòu)成。圖3中每一方框中的部件就是一個(gè)專用芯片，國內(nèi)外市場均可購得。圖5是多通道A/D轉(zhuǎn)換器方框圖，它包括模擬輸入，多路模擬開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器、FIFO存儲(chǔ)器、邏輯控制電路、時(shí)鐘發(fā)生器、主控計(jì)算機(jī)總線和DSP擴(kuò)展總線，按圖5中的信號(hào)走向順序連接構(gòu)成。圖6是高速數(shù)字信號(hào)處理器方框圖，它包括數(shù)字信號(hào)處理芯片、雙口RAM、靜態(tài)RAM(SRAM)、邏輯控制器和擴(kuò)展總線，按圖6中的信號(hào)走向順序連接組成。圖7是輸入輸出控制器電路方框圖，它包括數(shù)字輸出接口、數(shù)字輸入接口、定時(shí)器、D/A轉(zhuǎn)換器、邏輯控制器和主控計(jì)算機(jī)接口，按圖7中的信號(hào)走向順序連接構(gòu)成。圖5、6和7中的各種數(shù)字芯片均為通用芯片，可在國內(nèi)外市場購得。用本發(fā)明的海底自動(dòng)檢測—采用旋轉(zhuǎn)不變技術(shù)的信號(hào)參數(shù)估計(jì)(SBAD-ESPRIT)方法與系統(tǒng)的測量結(jié)果與已有方法對(duì)水池池底的測量結(jié)果在圖12中給出，圖12a中給出虛線為本發(fā)明的海底自動(dòng)檢測—采用旋轉(zhuǎn)不變技術(shù)的信號(hào)參數(shù)估計(jì)方法(SBAD-ESPRIT)(方法1)的結(jié)果，差分相位法(方法2)的結(jié)果為點(diǎn)劃線，實(shí)線為理論值，方法1的結(jié)果接近理論值，明顯優(yōu)于方法2。圖12b標(biāo)出了聲納陣的位置，方法1為方框，方法2為星號(hào)，方法1明顯接近以實(shí)線標(biāo)志的水池底，并給出正下方池底的深度。圖13檢測的是目標(biāo)是水池底、水池壁和池水面，包括墻角，其中的數(shù)據(jù)是方法1獲得的，與水池的輪廓基本符合。由于多途嚴(yán)重，方法2無法獲得有用的數(shù)據(jù)。由圖可看出，用本方法不僅可測出水池底的深度，聲納正下方水池底的深度，而且還可以測出水池壁和水池面的位置，而已有的方法測不出。
由圖9可知高分辨率測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)工作的幾何狀態(tài)，由于海面和海底的多次反射，以及復(fù)雜地形產(chǎn)生的回波，不同方向的回波可以同時(shí)到達(dá)聲納陣。為了分離這些回波，找出我們所要的海底回波，本發(fā)明研制了兩個(gè)聲納陣，裝在載體左右兩側(cè)，它們每個(gè)由一個(gè)發(fā)射陣和4個(gè)平行線陣組成，工作頻率為30到1200kHz，發(fā)射線性調(diào)頻(Chirp)信號(hào)。聲納陣圖見圖10。4個(gè)線陣可以獲得16個(gè)時(shí)空相關(guān)函數(shù)，它們組成4×4的時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣。此矩陣包含了聲回波的幅度、相位、頻率和入射角等許多信息。由此矩陣解出這些信息，并把不同方向同時(shí)到達(dá)的回波分離出來，這就是本發(fā)明的主要目的。
實(shí)施例2按照?qǐng)D1-7、10、11制作一測量對(duì)象為湖底的微地貌的高分辨測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)，該系統(tǒng)被安置在CR-02水下機(jī)器人(AUV)上。在水下機(jī)器人2上安裝有水下電子分機(jī)1，和在水下機(jī)器人2下方兩側(cè)對(duì)稱安裝左、右各一個(gè)聲納陣3、4。水下機(jī)器人(AUV)在離湖底40～60m的高度在各種湖底上航行，運(yùn)用本發(fā)明的海底自動(dòng)檢測—采用旋轉(zhuǎn)不變技術(shù)的信號(hào)參數(shù)估計(jì)方法對(duì)湖底進(jìn)行微地貌測量。仍然采用兩個(gè)聲納陣，每個(gè)聲納陣由一個(gè)發(fā)射線陣和4個(gè)接收線陣構(gòu)成，均用壓電陶瓷材料制成。線陣間距d＝λ，λ＝2cm，線性長度為70cm。電子分機(jī)的構(gòu)成同實(shí)施例1。采用本發(fā)明的方法。其水下機(jī)器人(AUV)正下方附近的測深結(jié)果與高精度測深儀的測深結(jié)果在圖15中給出，圖中實(shí)線為本實(shí)施例高分辨測深側(cè)掃聲納的測量結(jié)果，虛線為高精度數(shù)字測深儀的測量結(jié)果，后者的技術(shù)指標(biāo)為工作頻率600kHz，波束寬度4°，脈沖寬度0.1ms和每秒發(fā)射10次。由圖看出，二者符合很好，說明本發(fā)明的方法與本發(fā)明的系統(tǒng)的測深精度很高，而現(xiàn)行方法給不出此結(jié)果。本發(fā)明的測深結(jié)果表示在圖16和圖17中，圖16是裝在水下機(jī)器人(AUV)上的高分辨測深側(cè)掃聲納的測量結(jié)果，本發(fā)明方法的實(shí)線表示，已有的方法(方法2)以虛線表示，圖16a是波束數(shù)與回波掠射角的關(guān)系，由圖可見，本發(fā)明方法獲得的數(shù)據(jù)直到200個(gè)波束仍然是合理的，而已有的方法得到數(shù)據(jù)只到80個(gè)波束。圖16b表示的是水平距離與深度的關(guān)系。本發(fā)明方法獲得的深度直到200m仍然是合理的，已有的方法只到80m是合理的。圖17是另一側(cè)的測量結(jié)果，符號(hào)標(biāo)記和結(jié)論與圖16全同。由圖看出用本發(fā)明的方法與系統(tǒng)消除了多途信號(hào)，而已有方法沒有這種功能。本發(fā)明方法明顯提高了測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)的測深精度、作用距離和適用性。除此之外，將用本發(fā)明的方法與系統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)和載體姿態(tài)數(shù)據(jù)及定位數(shù)據(jù)融合起來獲得三維深度剖面圖和等深線圖，包括正下方的深度和存在多途信號(hào)時(shí)的深度，如圖18；已有的裝置和方法是無法做到這一點(diǎn)。
本實(shí)施例的聲納裝在水下機(jī)器人(AUV)上，水下機(jī)器人(AUV)上同時(shí)安裝載體姿態(tài)測量裝置和導(dǎo)航定位裝置，在深水湖(最大水深150m)里進(jìn)行了長時(shí)間的系統(tǒng)試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明a.聲納陣時(shí)空相關(guān)函數(shù)相位的標(biāo)準(zhǔn)偏差的理論值與實(shí)驗(yàn)值符合良好，證明了我們理論的正確性，這是高分辨測深側(cè)掃聲納的理論基礎(chǔ)，見圖14。
b.水下機(jī)器人(AUV)正下方附近的深度數(shù)據(jù)與水下機(jī)器人(AUV)正下方安裝的高精度測深儀測深精度符合良好，測深精度小于1％，證明理論是正確的。這才有可能使高分辨測深側(cè)掃聲納實(shí)用化。此高精度測深儀的指標(biāo)為工作頻率600kHz，波束寬度4°，脈沖寬度0.1ms和每秒發(fā)射10次。見圖15。
c.ESPRIT方法在將水聲信道的多途效應(yīng)完全分離；本發(fā)明的自動(dòng)海底檢測方法(SBAD)能良好地檢測和跟蹤海底，刪除多途效應(yīng)，獲得的圖件中沒有殘留的多途效應(yīng)。見圖16和圖17。
d.獲得了大面積范圍內(nèi)的經(jīng)校正后的深度剖面圖，即三維深度圖，見圖18。
e.獲得了大面積范圍內(nèi)的經(jīng)過校正后的等深線圖，見圖19。
為了便于理解，結(jié)合附圖與實(shí)施例已對(duì)本發(fā)明做了敘述，可以理解本發(fā)明有很多其它實(shí)施例，但本發(fā)明不限于這些圖與實(shí)施例。本發(fā)明包括本發(fā)明精神與范圍內(nèi)的所有權(quán)利要求范圍內(nèi)的修正案。
權(quán)利要求
1.一種用于測量海底微地貌的高分辨測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)，其特征是包括在水下載體上安裝有水下電子分機(jī)，和在水下載體下方兩側(cè)對(duì)稱安裝兩個(gè)聲納陣，其中發(fā)射線陣與水下電子分機(jī)的發(fā)射機(jī)的功率放大器的末級(jí)相聯(lián)，平行接收線陣與水下電子分機(jī)的接收機(jī)的前置放大器相聯(lián)；其特征是每個(gè)聲納陣由1個(gè)發(fā)射Chirp信號(hào)的發(fā)射線陣和3個(gè)或3個(gè)以上以等間距排列的、用壓電陶瓷制作的平行接收線陣構(gòu)成，相鄰兩個(gè)平行接收線陣之間的間距d為λ＞d≥λ/2；λ為聲波長；其工作頻率在30kHz到1200kHz。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量海底微地貌的高分辨測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)，其特征是所述的相鄰兩個(gè)平行接收線陣之間的間距d優(yōu)選為λ/2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量海底微地貌的高分辨測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)，其特征是所述的水下電子分機(jī)包括接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、多通道A/D轉(zhuǎn)換器、高速數(shù)字信號(hào)處理器、輸入輸出控制器和主控計(jì)算機(jī)；其中發(fā)射線陣與發(fā)射機(jī)的功率放大器的末級(jí)相聯(lián)，平行接收線陣與接收機(jī)的前置放大器相聯(lián)，接收機(jī)與多通道A/D轉(zhuǎn)換器電連接，多通道A/D轉(zhuǎn)換器與高速數(shù)字信號(hào)處理器電連接，多通道高速數(shù)字信號(hào)處理器與帶有硬盤的主控計(jì)算機(jī)電連接，輸入輸出控制器與主控計(jì)算機(jī)、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)電相聯(lián)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于測量海底微地貌的高分辨測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)，其特征是所述的水下電子分機(jī)還包括姿態(tài)傳感器和/或溫度傳感器；其中姿態(tài)傳感器和溫度傳感器分別通過輸入輸出控制器與主控計(jì)算機(jī)電聯(lián)接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量海底微地貌的高分辨測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)，其特征是所述的接收機(jī)由兩塊接收機(jī)板組成，每塊接收機(jī)板的通道數(shù)和工作頻率與相聯(lián)接的平行接收線陣數(shù)目和工作頻率一致；聲納陣接收到的微弱信號(hào)經(jīng)前放放大和時(shí)變增益控制進(jìn)行增益補(bǔ)償，輸入帶通濾波器，濾去通帶外的噪聲，信號(hào)經(jīng)正交解調(diào)后形成正交信號(hào)，經(jīng)過緩沖放大器，饋給多通道A/D轉(zhuǎn)換器，其幅度適合多通道A/D轉(zhuǎn)換器的要求。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量海底微地貌的高分辨測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)，其特征是所述的發(fā)射機(jī)由兩塊發(fā)射機(jī)板組成，工作頻率與相聯(lián)接的發(fā)射線陣工作頻率一致；發(fā)射機(jī)由主控計(jì)算機(jī)控制，主控計(jì)算機(jī)通過輸入輸出控制器向發(fā)射機(jī)發(fā)出門控信號(hào)，啟動(dòng)發(fā)射機(jī)，由信號(hào)轉(zhuǎn)換電路根據(jù)載頻信號(hào)產(chǎn)生發(fā)射控制信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)級(jí)控制功率級(jí)的功率開關(guān)，推動(dòng)變壓器生成驅(qū)動(dòng)換能器的大功率脈沖信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量海底微地貌的高分辨測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)，其特征是所述的多通道A/D轉(zhuǎn)換器是包括一主要用于對(duì)經(jīng)過接收機(jī)處理后的多路正交回波信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；該采集器由模擬輸入、多路模擬開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器、FIFO存儲(chǔ)器、緩沖/隔離電路、時(shí)鐘發(fā)生器、主控計(jì)算機(jī)總線和DSP擴(kuò)展總線組成；其中輸入信號(hào)按與接收機(jī)的通道數(shù)相一致分為多組，每組由兩個(gè)相互正交的信號(hào)組成，輸入信號(hào)經(jīng)過多路模擬開關(guān)后，每組的兩個(gè)信號(hào)同時(shí)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)送入FIFO存儲(chǔ)器；存儲(chǔ)器在半滿時(shí)向高速數(shù)字信號(hào)處理器發(fā)出中斷請(qǐng)求，高速數(shù)字信號(hào)處理器響應(yīng)中斷，讀走數(shù)據(jù)并另行保存，然后進(jìn)行處理，處理完的數(shù)據(jù)傳給主控計(jì)算機(jī)顯示和保存，如此直到下一次中斷到來。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量海底微地貌的高分辨測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)，其特征是所述的高速數(shù)字信號(hào)處理器由數(shù)字信號(hào)處理芯片、雙口RAM、靜態(tài)RAM、邏輯控制器、主控計(jì)算機(jī)接口和擴(kuò)展總線接口組成；其中高速數(shù)字信號(hào)處理器與主控計(jì)算機(jī)之間通過雙口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，控制計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)將DSP程序加載到靜態(tài)RAM，還負(fù)責(zé)控制數(shù)字信號(hào)處理器的啟動(dòng)和停止；數(shù)字信號(hào)處理芯片工作時(shí)，AD數(shù)據(jù)經(jīng)過擴(kuò)展接口保存到SRAM中，再經(jīng)過雙口RAM將AD數(shù)據(jù)傳到主控計(jì)算機(jī)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量海底微地貌的高分辨測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)，其特征是所述的用于控制兩個(gè)發(fā)射機(jī)的門控、提供兩塊接收機(jī)板的時(shí)變增益控制信號(hào)，并接收同步信號(hào)輸入的輸入輸出控制器由數(shù)字輸出接口、數(shù)字輸入接口、定時(shí)器、D/A轉(zhuǎn)換器、邏輯控制器和主控計(jì)算機(jī)接口組成；其中控制發(fā)射機(jī)的門控信號(hào)使用了數(shù)字輸出口的兩路，同步信號(hào)從數(shù)字輸入口的一路輸入，兩塊接收機(jī)板的TGC控制信號(hào)由兩個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器給出，由定時(shí)器控制D/A轉(zhuǎn)換器的工作頻率。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量海底微地貌的高分辨聲納系統(tǒng)，其特征是，還包括主控計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)相聯(lián)接一水上計(jì)算機(jī)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量海底微地貌的高分辨測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)，其特征是所述的對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制的主控計(jì)算機(jī)，按一定時(shí)間經(jīng)過控制器發(fā)出指令，發(fā)射機(jī)驅(qū)動(dòng)聲納陣發(fā)射聲波，聲回波經(jīng)聲納陣變成電信號(hào)后饋給接收機(jī)，經(jīng)處理后信號(hào)經(jīng)A/D換能器變成數(shù)字信號(hào)，在高速數(shù)字信號(hào)處理圖中進(jìn)行各種運(yùn)算，獲得的結(jié)果存在硬盤里，或者經(jīng)由以太網(wǎng)送到水上計(jì)算機(jī)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量海底微地貌的高分辨測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)，其特征是所述的水下載體包括水下機(jī)器人、水下有纜遙控潛水器、拖曳系統(tǒng)中或船上。
13.一種應(yīng)用權(quán)利要求1所述的用于測量海底微地貌的高分辨測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)進(jìn)行測量的方法包括以下步驟1)根據(jù)用戶的要求選用合適的水下載體；(2)根據(jù)用戶要求，擬定初步的總體指標(biāo)，將聲納陣時(shí)空相關(guān)函數(shù)相位標(biāo)準(zhǔn)偏差的理論公式和聲納方程聯(lián)合起來進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇聲納的工作頻率、作用距離、脈沖寬度以及聲納陣的長度主要指標(biāo)；(3)為了測量到聲納正下方的測深精度良好，根據(jù)聲納陣時(shí)空相關(guān)函數(shù)中的相位附加因子理論表式選擇聲納陣線陣基元的波束寬度和線陣間的距離；(4)選擇聲納的各主要參數(shù)，否則重復(fù)(2)和(3)的計(jì)算，直到聲納的各主要參數(shù)基本滿意；(5)根據(jù)聲納工作的具體環(huán)境和用戶的要求，決定選用幾個(gè)平行的等間距線陣，線陣一般選3個(gè)或3個(gè)以上；然后用海底自動(dòng)檢測—采用旋轉(zhuǎn)不變技術(shù)的信號(hào)參數(shù)估計(jì)方法進(jìn)行模擬計(jì)算，初步定出聲納的分辨率和克服多途的能力；(6)確定聲納的各主要參數(shù)，否則重復(fù)(2)、(3)、(4)和(5)各步驟，直到聲納的各主要參數(shù)確定下來做出聲納陣機(jī)；(7)將步驟(6)制作的聲納陣樣機(jī)在水池中進(jìn)行測試；首先，測量池底的回波，將測得的深度值與池底的真實(shí)深度比較，包括正下方附近的深度；其次，測量水池的輪廓包括墻角，測量值應(yīng)與實(shí)際值基本符合；之后才進(jìn)行室外試驗(yàn)；(8)在湖上或海上試驗(yàn)將兩個(gè)聲納陣對(duì)稱裝在水下載體側(cè)下方進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；首先，將聲納陣測得的正下方附近的深度數(shù)據(jù)與高精度測深儀的深度數(shù)據(jù)對(duì)比；其次，將水下載體工作在多途效應(yīng)比較嚴(yán)重的情況，由測量數(shù)據(jù)判定克服多途效應(yīng)的能力；最后顯示的圖件上正確給出湖底或海底的深度；(9)融合聲納測量數(shù)據(jù)以及載體姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)，給出等深線圖；(10)同時(shí)給出聲反向散射信號(hào)的灰階圖；(11)可以根據(jù)用戶要求制作用戶需要的圖件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于測量海底的微地貌的高分辨測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)和測量方法。該系統(tǒng)包括在水下載體上安裝有水下電子分機(jī)，和在水下載體下方兩側(cè)對(duì)稱安裝兩個(gè)聲納陣，發(fā)射線陣與水下電子分機(jī)的發(fā)射機(jī)的功率放大器末級(jí)相聯(lián)，平行接收線陣與水下電子分機(jī)的接收機(jī)的前置放大器相聯(lián)每個(gè)聲納陣由1個(gè)發(fā)射線陣和3個(gè)或3個(gè)以上以等間距排列的，用壓電陶瓷制作的平行接收線陣構(gòu)成，相鄰兩個(gè)平行接收線陣的間距D為λ>d≥λ/2；λ為聲波長；其工作頻率在30KHz到1200KHz。該系統(tǒng)對(duì)海底的微地貌進(jìn)行測量，大大地提高了聲納正下方測深精度；采用本發(fā)明的海底自動(dòng)檢測－多途信號(hào)分離(SBAD－ESPRIT)方法，能良好地檢測海底，刪除多途信號(hào)；并且給出了測深精度和等深線圖。
文檔編號(hào)G01S15/89GK1402018SQ0114213
公開日2003年3月12日 申請(qǐng)日期2001年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月13日
發(fā)明者朱維慶, 劉曉東, 朱敏, 潘鋒, 張向軍, 王長紅, 汪玉玲 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院聲學(xué)研究所