專利名稱：一種水下多波束測探系統(tǒng)及其探測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及屬于水聲探測的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種水下多波束測探系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
自從20世紀初，美國科學(xué)家費森登制造出第一臺回聲探測儀后，水聲回波測深法 便逐漸成為水下地形的測量的主要方法。傳統(tǒng)的回波測深法和傳統(tǒng)的超聲波測距原理一 致，首先發(fā)送換能器垂直向下發(fā)射聲波，聲波到達水底發(fā)生反射，然后反射回波到達接收換 能器被接收。根據(jù)估計獲得的回波相對于發(fā)射聲波的延時T，和聲波在水中的傳輸速度
“(已知)，得到水深J = f。所以，超聲測距和測深的重點都是估計回波相對于發(fā)射波的
延時。傳統(tǒng)的回波測深法由于僅采用一個發(fā)射波束進行探測，所以又稱為單波束測深技術(shù)。 然而，由于單波束測深技術(shù)一次測量僅能得到換能器正下方的一個深度值，效率很低，單波 束的測深技術(shù)逐漸被多波束測深技術(shù)所取代。水下多波束測深技術(shù)主要是指通過安放在船體的水聲換能器陣列，經(jīng)過數(shù)字波束 形成技術(shù)使得海底反射回波在垂直于航行方向形成多個不同角度的窄波束，從而形成測量 扇面，一次測量便能得到一個條帶內(nèi)的多個深度值。這很大程度地改進了傳統(tǒng)單波束測深 技術(shù)一次只能測量一個深度點的缺陷，提高了測量的效率和精度。由于目前我國在海洋資 源開采、航運以及海洋考古等領(lǐng)域的不斷深入，水下多波束測深技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注。于2008年1月16日授權(quán)的中國發(fā)明專利CN201007741Y提出了一種便攜式的多波 束測深儀。該裝置通過水上處理分機控制安裝于船底龍骨的由等間距多通道收發(fā)合置換能 器組成的均勻線陣向水下發(fā)射聲波和接收水底回波，再通過先進的數(shù)字信號處理器實現(xiàn)信 息的采集、多波束處理、顯示和存儲。從而解決在一個測量周期內(nèi)得到多達21個水深數(shù)據(jù) 的問題，提高了測量效率。但這種裝置存有一些不足1、該裝置采用單頻連續(xù)脈沖，而水聲 信道為頻率選擇性衰落信道，固定的單頻信號可能會遇到很大的衰減，導(dǎo)致檢測不出回波 信號，測量精度下降和測量范圍縮減；2、該裝置采用信號能量中心方法檢測回波到達時間， 該方法通過加權(quán)平均估計回波的到達時間，因此測量的深度值其實是波束照射范圍內(nèi)多散 射點的平均水深值。這樣盡管能很好的降低背景噪聲對測量的影響，但是當(dāng)存在二次回波 或者波束寬度較大、海底散射點較多時，這種基于中值估計的時間確定方法在測量精度上 便會有所下降。3、存在距離分辨力與測距范圍之間的矛盾，如果要求系統(tǒng)測量的深度量程 提高，則要求換能器的發(fā)射功率越大或者發(fā)射脈沖的持續(xù)時間越長，但是換能器的發(fā)射功 率存在上限，如果加大發(fā)射脈沖的持續(xù)時間又將導(dǎo)致距離分辨力的下降。在超聲測距領(lǐng)域，于2000年12月3日授權(quán)的中國發(fā)明專利CN1059498C提出了一 種偽隨機超聲波測距方法及儀器。該儀器利用了偽隨機跳時思想，通過超聲換能器發(fā)射和 接收一種帶有偽隨機特征的脈沖超聲波，末端微機系統(tǒng)作為信息處理和控制中心只對此次 具有偽隨機特征的信號進行識別和提取，從而有很強的抗環(huán)境噪聲干擾能力。并且通過接收的偽隨機信號波與發(fā)射時存入的偽隨機編碼比較、提取，能很準確地確定回波的到達時 間，提高了測距系統(tǒng)的分辨能力和準確度。但是該儀器仍然使用單一頻率的發(fā)射脈沖，只是 用偽隨機序列去控制脈沖的寬度和時序，所以在頻率選擇性信道下，仍然有遭遇劇烈衰減 的可能，破壞偽隨機超聲波的自相關(guān)性能。一種很好的對抗頻率選擇性衰落和多徑效應(yīng)的方法便是擴頻，并且由于擴頻測距 沒有脈沖測距中測量距離量程和距離分辨力的矛盾，被認為是一種很有效的測距方法。最 早使用擴頻測距技術(shù)的例子便是全球定位系統(tǒng)(GPS)，而后基于寬帶線性調(diào)頻的擴頻測距 技術(shù)被廣泛應(yīng)用與雷達中。然而，傳統(tǒng)的直接序列擴頻測距技術(shù)對發(fā)射帶寬要求很高，而普 通的水聲換能器發(fā)射帶寬比較窄，一般需要發(fā)射脈沖的頻率與換能器的諧振頻率一致才能 讓發(fā)射超聲波的能量最大，所以如果要在水聲測距領(lǐng)域中使用傳統(tǒng)的擴頻技術(shù)，則對水聲 換能器的硬件要求很高，增加了系統(tǒng)的成本。此外，由于普通的壓電換能器是通過壓電效應(yīng) 向外發(fā)射機械波，它在產(chǎn)生超聲波的過程中，存在較為嚴重的“拖尾”現(xiàn)象，即壓電晶片要經(jīng) 過幾個振動周期才能由“起振”跨越到“共振”，并且在停止激勵的情況下還會存在“余振”， 這也使得運用單個換能器實現(xiàn)快速的變頻存在困難。綜上所述，現(xiàn)有水下多波束測深技術(shù)主要在以下方面存在著一些局限性及不足 (1)單頻信號抗水下環(huán)境干擾能力差且容易受到水聲信道的頻率選擇性衰落影響；(2)信 號能量中心方法檢測不能精確估計第一回波的到達時間；(3)傳統(tǒng)的脈沖探測法存在距離 分辨力與測距范圍之間的矛盾。此外，將偽隨機超聲測距和擴頻測距應(yīng)用于水聲測深時，又 將面臨如下兩個問題(1)普通水聲換能器的發(fā)射帶寬較窄，頻譜擴展能力有限；(2)壓電 換能器“拖尾”現(xiàn)象嚴重，頻率跳變遲緩。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種既能有效對抗水聲信道頻率選擇 性衰落和復(fù)雜的環(huán)境噪聲，又能精確估計出各波束角度下的第一回波到達時間，提高水下 多波束測深的精度的水下多波束測探系統(tǒng)。本發(fā)明的另一目的是提供所述水下多波束測探系統(tǒng)的測探方法，該方法通過減小 跳頻駐留時間提高測深的距離分辨力，通過增加跳頻的頻點數(shù)目提高測深量程，解決了單 頻脈沖測深存在距離分辨力與測距范圍之間的矛盾。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種水下多波束測探系統(tǒng)，包括微機控制系統(tǒng)，通過總線接口與微機控制系統(tǒng)連 接的聲波發(fā)射系統(tǒng)和聲波接收檢測系統(tǒng)，所述聲波發(fā)射系統(tǒng)設(shè)置有多個單一發(fā)射基元，每 個單一發(fā)射基元包含多個諧振頻率不同的發(fā)射換能器。上述的水下多波束測探系統(tǒng)中，所述聲波發(fā)射系統(tǒng)還包括發(fā)射控制處理中心，微 機控制系統(tǒng)通過第一總線接口連接發(fā)射控制處理中心的輸入端；發(fā)射控制處理中心的輸出 端通過第一接口與多個單一發(fā)射基元相連，多個單一發(fā)射基元用于頻率碼的同步傳輸，發(fā) 射控制處理中心還通過第二接口與多個單一發(fā)射基元相連，用于地址碼的同步傳輸。上述的水下多波束測探系統(tǒng)中，所述聲波接收檢測系統(tǒng)包括接收控制處理中心、 與接收控制處理中心連接的信號預(yù)處理模塊、高速存儲器、波束形成模塊、回波時頻同步估 計模塊，接收控制處理中心通過第二總線接口與微機控制系統(tǒng)連接，多個信號預(yù)處理模塊各自連接有用以接收水底反射回波的接收換能器陣列。上述的水下多波束測探系統(tǒng)中，所述多個單一發(fā)射基元按等間距排列組成均勻發(fā) 射線陣，并沿船底龍骨布設(shè)；所述接收換能器陣列采用等間距的水聲換能器組成的均勻線 陣并沿垂直船底龍骨方向布設(shè)。上述的水下多波束測探系統(tǒng)的測探方法，所述聲波發(fā)射系統(tǒng)和聲波接收檢測系統(tǒng) 均具備“掃頻選頻”和“跳頻測深”兩種工作模式，該測探方法包括下列步驟步驟1 在“掃頻選頻”模式下，微機控制系統(tǒng)從聲波發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射的掃頻水聲信 號篩選出受衰減和干擾影響較小的頻點；步驟2 在“跳頻測深”模式下根據(jù)步驟1篩選出的頻點發(fā)射水聲跳頻探測信號，聲 波接收檢測系統(tǒng)通過短時傅里葉變換(STFT)對各波束角度下的接收信號進行時頻分析， 從而捕獲到與發(fā)送出的探測信號跳頻規(guī)律相一致的回波信號；步驟3 將步驟2捕獲的時間作為該波束角度下的回波到達時間進行深度值的計
笪弁。上述的水下多波束測探系統(tǒng)的測探方法中，步驟1包括下列過程步驟11 微機控制系統(tǒng)向聲波發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射控制處理中心和聲波接收檢測系 統(tǒng)的接收控制處理中心發(fā)送控制指令，使測探系統(tǒng)進入“掃頻選頻”工作模式，并同時傳送 此階段必須的跳頻參數(shù)；步驟12 “掃頻選頻”楔式下，發(fā)射控制處理中心在跳頻帶寬允許的頻率范圍內(nèi)按 照跳頻間隔的要求生成頻點集合和對應(yīng)的頻率碼集合，并將各頻率碼與相應(yīng)的發(fā)射換能器 地址碼分組，再按分組次序?qū)㈩l率碼和地址碼發(fā)送給單一發(fā)射基元；單一發(fā)射基元中根據(jù) 頻率碼產(chǎn)生不同頻率的信號，再根據(jù)地址碼將信號送入指定的發(fā)射換能器進行發(fā)射；帶有 掃頻特性的聲波信號連續(xù)發(fā)送至水下并經(jīng)水底反射后由聲波接收檢測系統(tǒng)接收；步驟13 聲波接收檢測系統(tǒng)的接收換能器陣列接收回波信號，并由信號預(yù)處理模 塊進行相關(guān)的放大濾波和采樣，然后接收控制處理中心將離散的各路采樣數(shù)據(jù)按時間先后 進行存儲，并指示波束形成模塊取出采樣數(shù)據(jù)進行波束形成，并存儲波束形成模塊波束形 成后輸出的帶有角度、幅度和時間信息的時間片；在波束形成進行的同時，接收控制處理中 心指示回波時頻同步估計模塊對波束形成模塊輸出的同波束角度下時間片進行短時傅里 葉變換(STFT)頻域分析，并通過門限比較輸出超過閥值的頻點，并將這些頻點信息傳回給 接收控制處理中心進行保存；接收控制處理中心把得到的不同波束角度下保存的頻點集合 以及頻點所對應(yīng)的幅度信息傳送給微機控制系統(tǒng)進行篩選；上述的水下多波束測探系統(tǒng)的測探方法中，步驟2包括下列過程步驟21 微機控制系統(tǒng)篩選最優(yōu)的頻點后向發(fā)射控制處理中心和接收控制處理 中心發(fā)送控制指令，使測深系統(tǒng)進入“跳頻測深”模式，同時傳送此階段經(jīng)篩選后確定的跳 頻參數(shù)，并開啟接收控制處理中心的計時器；步驟22 “跳頻測深”模式下，發(fā)射控制處理中心按已接收到的跳頻參數(shù)，在規(guī)定 時間間隔內(nèi)按序發(fā)送所指定的頻率碼和地址碼給單一發(fā)射基元，使測深系統(tǒng)發(fā)送指定的水 聲跳頻探測信號；步驟23 “跳頻測深”模式下，聲波接收檢測系統(tǒng)的波束形成模塊針對全部的波束 方向進行波束形成，回波時頻同步估計模塊將門限比較后輸出的頻率和對應(yīng)的時間進行存儲，然后再按一定間隔移動窗函數(shù)取出該波束角度的下一組數(shù)據(jù)點進行短時傅里葉變換分 析，經(jīng)過短時傅里葉變換(STFT)頻域分析后得到該波束角度下接收信號隨時間的主要頻 點分布表，即時間——頻點關(guān)系表，最后對該表進行遍歷并參照已知的探測信號的頻率跳 變先后次序進行查找，得到該波束角度下第一回波的到達時間，傳送給接收控制處理中心。所述的水下多波束測探系統(tǒng)的測探方法，其特征在于步驟3包括下列過程步驟31 接收控制處理中心收集完所有波束角度下的第一回波到達時間后，將波 束角和相應(yīng)的時間發(fā)送給微機控制系統(tǒng)；步驟32 微機控制系統(tǒng)根據(jù)波束角度和回波到達時間得出對應(yīng)探測點的深度和 相對坐標。上述的水下多波束測探系統(tǒng)的測探方法中，步驟11所述的跳頻參數(shù)包括跳頻駐 留時間、跳頻間隔和跳頻帶寬；步驟13所述波束形成模塊取出采樣數(shù)據(jù)進行波束形成時選 取接收換能器陣列正下方和左右最外端的波束角度進行波束形成。上述的水下多波束測探系統(tǒng)的測探方法中，步驟21所述的跳頻參數(shù)包括跳頻駐 留時間、發(fā)射分組、跳頻信息以及循環(huán)次數(shù)；其中發(fā)射分組包含篩選出的頻率碼和對應(yīng)的 地址碼分組以及分組的發(fā)送次序；跳頻信息即按照發(fā)射分組要求得到的探測信號的頻率跳 變規(guī)律。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是本發(fā)明將陸地?zé)o線通信中的跳頻思想應(yīng)用到水下聲學(xué)多波束測深中，通過掃頻選 擇受水聲信道干擾和衰落影響較小的頻點用于跳頻，并將跳頻同步捕獲技術(shù)用于估計第一 回波到達時間；此外，本發(fā)明還通過將多個諧振頻率不同的換能器組合到一個發(fā)射基元中 進行交替式地跳頻，從而能發(fā)射不同頻率的聲波，解決了跳頻技術(shù)在普通換能器上難以實 現(xiàn)的問題。相對于現(xiàn)有技術(shù)，其具體優(yōu)點及有益效果在于1、通過引入跳頻技術(shù)和發(fā)射頻點選擇機制即“掃頻選頻”模式，使得系統(tǒng)具有很強 的抗干擾能力，特別是能有效對抗水聲信道的頻率選擇性衰落和復(fù)雜的環(huán)境噪聲。2、通過跳頻同步捕獲技術(shù)估計回波到達時間，擺脫了傳統(tǒng)水下多波束測深技術(shù)的 能量中心檢測技術(shù)，能夠精確地估計波束角度內(nèi)的第一回波到達時間。3、將多個窄帶換能器組合為一個發(fā)射基元，不同頻率的聲波由不同的換能器發(fā) 射，這種多換能器組合跳頻發(fā)射方法克服了普通水聲換能器發(fā)射帶寬窄、頻率跳變慢的缺 陷，使得擴頻技術(shù)在窄帶水聲換能器上得以實現(xiàn)，降低了系統(tǒng)的成本。4、抗干擾能力的加強也意味著系統(tǒng)測深量程的提高，并且在同等測深條件下，系 統(tǒng)還能節(jié)省發(fā)射功率。5、能夠通過設(shè)定跳頻駐留時間和跳頻頻點數(shù)目來分別滿足不同的測深分辨率和 深度量程的要求。


圖1是實施方式所述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖；圖2是實施方式所述單一發(fā)射基元的結(jié)構(gòu)原理圖；圖3是實施方式所述回波時頻同步估計模塊“掃頻選頻”模式的工作流程圖；圖4是回波時頻同步估計模塊“跳頻測深”模式的工作流程圖5是實施方式所述發(fā)射控制處理中心“掃頻選頻”模式的工作流程圖；圖6是實施方式所述接收控制處理中心“掃頻選頻”模式的工作流程圖；圖7是實施方式所述發(fā)射控制處理中心“跳頻測深”模式的工作流程圖；圖8是實施方式所述接收控制處理中心“跳頻測深”模式的工作流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖通過具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的說明，但本發(fā)明的具體 實施和保護范圍不限于此。參見圖1，本實施方式中的水下多波束測探系統(tǒng)主要由微機控制系統(tǒng)1、聲波發(fā) 射系統(tǒng)2和聲波接收檢測系統(tǒng)3組成。其中，聲波發(fā)射系統(tǒng)2包括發(fā)射控制處理中心5、第一接口 6、第二接口 7和多個單一發(fā) 射基元8 ；每個單一發(fā)射基元8包含多個諧振頻率不同的發(fā)射換能器21，微機控制系統(tǒng)1通 過第一總線接口 4與發(fā)射控制處理中心5相連；發(fā)射控制處理中心5通過第一接口 6與多 個單一發(fā)射基元8相連，用于頻率碼k的同步傳輸，實現(xiàn)對發(fā)射聲波頻率變化的控制；此外， 發(fā)射控制處理中心5還通過第二接口 7與多個單一發(fā)射基元8相連，用于地址碼d的同步 傳輸，實現(xiàn)對單一發(fā)射基元8中各窄帶發(fā)射換能器21的選擇開啟控制；不同的頻率碼k對 應(yīng)不同地址碼d，最終使得不同的聲波頻率用不同的窄帶發(fā)射換能器21進行發(fā)射。發(fā)射控 制處理中心5具備“掃頻選頻”和“跳頻測深”兩種工作模式，并依據(jù)微機控制系統(tǒng)1的控 制信息選擇其工作模式，當(dāng)發(fā)射控制處理中心5為掃頻選頻模式時，將依序改變傳送給單 一發(fā)射基元8的頻率碼k和對應(yīng)的換能器地址碼d，使系統(tǒng)發(fā)射掃頻信號用以測試系統(tǒng)測深 將使用的跳頻參數(shù)；當(dāng)發(fā)射控制處理中心5為測深模式時，則按預(yù)先設(shè)定的跳頻參數(shù)發(fā)射 跳頻聲波。聲波接收檢測部分3包括接收換能器陣列9、信號預(yù)處理模塊10、接收控制處理中 心11、高速存儲器12、波束形成模塊13、回波時頻同步估計模塊14和第二總線接口 15。其 中，接收換能器陣列9采用等間距的水聲換能器組成的均勻線陣并沿垂直船底龍骨方向布 設(shè)，并且接收換能器陣列9中的各個水聲換能器分別與信號預(yù)處理模塊10相連；水聲換能 器將反射回的聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號作為信號預(yù)處理模塊10的輸入，由各路信號預(yù)處理 模塊10實現(xiàn)對接收信號的前置放大、濾波和A/D采樣處理，然后通過與接收控制處理中心 11的信號連接，將采樣數(shù)據(jù)交由接收控制處理中心11進行存儲；接收控制處理中心11主 要負責(zé)整個接收端的任務(wù)調(diào)度和計時，它與發(fā)射端相對應(yīng)，也有“掃頻選頻”和“跳頻測深” 兩種工作模式；高速存儲器12、波束形成模塊13和回波時頻同步估計模塊14分別與接收 控制處理中心11連接，組成聲波接收檢測系統(tǒng)3的核心；接收控制處理中心11、波束形成 模塊13和回波時頻同步估計模塊14可由計算機或者高速數(shù)字信號處理器予以實現(xiàn)；接收 控制處理中心11通過第二總線接口 15與微機控制系統(tǒng)1相連，傳輸聲波接收檢測系統(tǒng)3 的處理結(jié)果。如圖2所示，單一發(fā)射基元8包括時鐘電路16、直接數(shù)字頻率合成器17、濾波器 18、選通芯片19、功率放大器20和發(fā)射換能器21。其中，時鐘電路16和來自發(fā)射控制處理 中心5的頻率碼k分別作為直接數(shù)字頻率合成器17的輸入；直接數(shù)字頻率合成器17再與 濾波器18相連，將根據(jù)輸入的頻率碼k而產(chǎn)生的特定頻率的電信號送入濾波器18中濾除雜波；濾波器18的輸出和來自發(fā)射控制處理中心5的地址碼d分別作為選通芯片19的兩 個主要輸入；此外，選通芯片19還與各路發(fā)射換能器21相應(yīng)的功率放大器20相連，并根據(jù) 輸入的地址碼d，把來自濾波器18的特定頻率的電信號與指定的某一功率放大器20接通， 電信號經(jīng)功率放大后，最后由與該路功率放大器20串聯(lián)的發(fā)射換能器21將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)?聲信號發(fā)射出去。需要注意的是，整個單一發(fā)射基元8的輸入信號——頻率碼k和地址碼 d是相對應(yīng)的，并且地址碼d與各發(fā)射換能器21 —一對應(yīng)。對于窄帶發(fā)射換能器21來說， 當(dāng)其結(jié)構(gòu)確定后，其諧振頻率和發(fā)射帶寬也就確定了，并且該發(fā)射換能器21能發(fā)射的頻點 也被限定。所以頻率碼k與地址碼d的組合并不是任意的，必須考慮到該當(dāng)前地址碼d對 應(yīng)的發(fā)射換能器21的發(fā)射帶寬是否覆蓋了當(dāng)前頻率碼k所指定的信號頻率。當(dāng)頻率碼k 發(fā)生變化，其對應(yīng)的地址碼d也將變化，從而使得不同頻率的信號由不同的換能器發(fā)射。其 中，發(fā)射換能器21為普通的窄帶水聲換能器，但是各發(fā)射換能器21的諧振頻率彼此不同， 并在所需的跳頻帶寬內(nèi)均勻分布，使得多個帶寬僅為2 4KHz的發(fā)射換能器21組合起來 滿足發(fā)射所需的跳頻帶寬。多個單一發(fā)射基元8可按等間距排列組成均勻發(fā)射陣列，沿船 底龍骨布設(shè)；直接數(shù)字頻率合成器17可以使用AD公司的AD9850數(shù)字直接頻率合成芯片實 現(xiàn)；選通芯片19可以使用4051多路選通芯片實現(xiàn)，當(dāng)單一發(fā)射基元8中包含的發(fā)射換能器 21數(shù)目較多時，可將多個芯片組合進行擴展。結(jié)合對圖1和圖2，分別對本實施方式所述水下多波束測探系統(tǒng)的關(guān)鍵部分進行 說明微機控制系統(tǒng)1 微機控制系統(tǒng)1作為整個水聲多波束測深系統(tǒng)的操作顯示終端， 它實現(xiàn)與用戶的交互，提供可視化的界面顯示測深結(jié)果并接收來自用戶的操作控制。此外， 對于初始深度數(shù)據(jù)的修正，比如聲速、船姿、吃水和潮汐修正等也交由微機控制系統(tǒng)1與 相應(yīng)的其他輔助測量設(shè)備完成。微機控制系統(tǒng)1的控制指令包括開啟指令、結(jié)束指令、“掃 頻選頻”模式指令、“跳頻測深”模式指令；各種參數(shù)包括跳頻駐留時間Th、跳頻間隔Af、 跳頻帶寬Wh、循環(huán)次數(shù)R、發(fā)送分組和跳頻信息。各參數(shù)說明如下(1)跳頻駐留時間Th即跳頻探測中各頻點信號的持續(xù)時間，它與測深的分辨率相 關(guān)，越高的深度分辨率需要更短暫的跳頻駐留時間；(2)跳頻間隔A f即各頻點的頻率間隔，優(yōu)選為500Hz ；(3)跳頻帶寬Wh即跳頻探測需要的總帶寬，該參數(shù)需要在單一發(fā)射基元8能夠發(fā) 射的帶寬范圍內(nèi)；(4)循環(huán)次數(shù)R即在“跳頻測深”模式中，跳頻探測信號的重復(fù)發(fā)送次數(shù)；(5)發(fā)射分組即在“跳頻測深”模式中，經(jīng)過微機控制系統(tǒng)1篩選出的頻率碼和對 應(yīng)的地址碼分組以及分組的發(fā)送次序；(6)跳頻信息即在“跳頻測深”模式中，按照發(fā)射分組要求得到的跳頻探測信號的 頻率跳變規(guī)律；其中，發(fā)射分組的確定，首先需要微機控制系統(tǒng)1將“掃頻選頻”模式下獲知的可 探測到的頻點進行篩選，然后安排所篩選出的頻點對應(yīng)的頻率碼k和地址碼d分組的發(fā)射 次序。篩選頻點需要注意以下幾個問題(1)根據(jù)發(fā)射控制處理中心5反饋的發(fā)射頻點信 息剔除噪聲頻點；(2)在前一條件滿足的情況下，盡量選擇能量高的頻點；(3)盡量讓篩選 出的頻點平均分布在各發(fā)射換能器21的發(fā)射帶寬內(nèi)，減輕單個換能器的發(fā)射負擔(dān)；(4)篩選出的頻點數(shù)目與測深的量程有關(guān)，探測深度越大可以相應(yīng)地增大頻點數(shù)目。此外，考慮到 普通換能器存在嚴重的“拖尾”現(xiàn)象，不能快速的進行頻率跳變，在安排發(fā)射分組次序時，需 要盡量拉大同一發(fā)射換能器21再次進行發(fā)射的間隔時間。單一發(fā)射基元8 單一發(fā)射基元8的特點之一是采用了直接數(shù)字頻率合成技術(shù)來 生成需求的不同頻率的信號。如圖2所示，直接數(shù)字頻率合成器17作為產(chǎn)生跳頻信號的核 心，具有頻率分辨率高、穩(wěn)定性好、可靈活產(chǎn)生多種信號的優(yōu)點。以AD公司的AD9850直接數(shù) 字頻率合成芯片為例，其輸出頻率f。ut與時鐘頻率fs的關(guān)系為f。ut = (k/232)fs，其中k是 通過接口 6寫入AD9850的一個32位頻率碼。當(dāng)k均為0時，輸出頻率f。ut最低，即AD9850 的輸出頻率分辨率；當(dāng)k最高位為1，其余為0時，輸出頻率f。ut最高，即fs/2(達到采樣定 律最高允許值)。但是實際應(yīng)用中，為了得到好的波形，設(shè)計最高輸出頻率小于時鐘頻率的 1/3。由于高頻聲波在水聲信道中的吸收損失很大，所以發(fā)射聲波頻率相對于陸地?zé)o線通信 電波的頻率要小很多，這里時鐘頻率fs可以僅取4MHz便能覆蓋水聲探測常用的頻點。此 時，限定AD9850直接數(shù)字頻率合成芯片的最高輸出頻率f。ut為1MHz，即頻率碼k最高限定 為23° ；最低輸出頻率f。ut為0. 00093Hz。但是在本實施方式所述系統(tǒng)中，微機控制系統(tǒng)1會 再次限定跳頻帶寬，通常在帶寬在lOKHz 500KHZ內(nèi)選擇頻點，具體情況需要根據(jù)測量深 度等情況再適當(dāng)加以縮小。單一發(fā)射基元8的另一特點便是將多個發(fā)射換能器21組合起 來進行跳頻探測信號的發(fā)射。為了解決普通水聲換能器發(fā)射帶寬窄、頻率跳變慢的問題，單 一發(fā)射基元8中的各發(fā)射換能器21在結(jié)構(gòu)上需要有所不同，使得諧振頻率在跳頻帶寬內(nèi)均 勻間隔，使得多個發(fā)射換能器21的窄帶寬組合起來滿足探測所需的跳頻帶寬要求。例如 通常淺水600 1000m測深所用聲信號頻率在95KHz以上，若跳頻帶寬Wh取為lOOKHz 180KHz，發(fā)射換能器21發(fā)射帶寬為4KHz，則每個單一發(fā)射基元8中需要20個，并且各發(fā)射 換能器21的諧振頻率從102KHz起以4KHz的增量遞增分布，最終這20個帶寬僅4KHz的窄 帶發(fā)射換能器21便能覆蓋跳頻所需的80KHz的帶寬。在發(fā)射水聲跳頻探測信號時，各發(fā)射 換能器21僅發(fā)送其4KHz帶寬內(nèi)的頻點信號，由發(fā)射控制處理中心5根據(jù)單一發(fā)射基元8 中各發(fā)射換能器21的發(fā)射帶寬特性，確定地址碼d與頻率碼k的分組關(guān)系。波束形成模塊13 波束形成模塊13主要基于接收換能器陣列9通過波束形成算 法將各路信號進行延遲疊加最終生成針對不同波束角度的帶有幅度和相位的時間序列。波 束形成模塊13輸出數(shù)據(jù)的存儲形式如表1所示。通常把同一時刻所有波束角度下的輸出 數(shù)據(jù)稱為一個時間片，即表格中的列，例如{A12，A22……AN2}為時間為t2的一個時間片，其 中八^為在波束角度9,和離散采樣時間、下的信號幅度。波束形成算法可以使用常用的 DFT波束形成方法或者直接相移多波束形成方法。表1本實施方式所述波束形成模塊13輸出的數(shù)據(jù)表形式
回波時頻同步估計模塊14 回波時頻同步估計模塊14采用完全數(shù)字化的信號處 理方法進行回波跳頻信號的同步捕獲，通過將波束形成模塊13的輸出數(shù)據(jù)(如表1)按角 度取出時間序列并進行傅里葉變換轉(zhuǎn)換到頻域下進行分析，最終實現(xiàn)對波達時間(T0A)的 估計，并且這種波達時間的估計將針對波束形成模塊13輸出的各個波束角度下的時間序 列進行，則得到的每一個波達時間與其對應(yīng)的波束角度(D0A)在微機控制系統(tǒng)1里經(jīng)過簡 單的聲程法和三角函數(shù)解算便能獲得多波束條帶內(nèi)各個探測點的深度數(shù)據(jù)。相應(yīng)地，回波 時頻同步估計模塊14也有“掃頻選頻”和“跳頻測深”兩種工作模式。圖3所示為回波時頻同步估計模塊14在“掃頻選頻”模式下的工作流程。由圖知， 回波時頻同步估計模塊14將表1所示的波束形成模塊13的輸出數(shù)據(jù)表按波束角度e工 e N順序取出，針對每個角度e i每次取出F個離散數(shù)據(jù)來進行短時傅里葉變換，得到F個 離散數(shù)據(jù)的頻譜，通過頻率閥值比較得到幅度較好即衰減較小的頻點值并輸出，完成各波 束角度的前F個時間點的頻域分析；然后再重新按波束角度9工 eN順序取出各角度下的 第F+1到2F內(nèi)的F個時間點做相同的頻域分析，如此循環(huán)直到收到接收控制處理中心11 的結(jié)束指令。在“掃頻選頻”模式下，回波時頻同步估計模塊14并不估計各角度下信號的 回波到達時間，僅將頻率分析篩選出的各角度下的頻點信息輸出，用于微機控制系統(tǒng)篩選 頻點進行測深。圖4所示為回波時頻同步估計模塊14在“跳頻測深”模式下的工作流程。與“掃 頻選頻”模式不同的是，“跳頻測深”下回波時頻同步估計模塊14先捕獲了當(dāng)前波束角度e i 下的第一回波到達時間，再跳轉(zhuǎn)到下一波束角度9 i+1進行相同的時間捕獲過程。該模式下 短時傅里葉變換處理基本和“掃頻選頻”一致，只是每次讀取的時間點為M, 一般情況下可令 M<F，因為“掃頻選頻”模式無需捕獲時間，F(xiàn)適當(dāng)?shù)脑龃竽軌驕p少循環(huán)的次數(shù)，縮短“掃頻 選頻”的分析時間；M的數(shù)值需要滿足一個跳頻駐留時間內(nèi)的采樣點數(shù)，即滿足M = Th/T。， 其中Th為跳頻駐留時間，T。= 1/f。為接收的采樣間隔，fc為接收采樣頻率。此外，由于要 進行回波時間的捕獲，在每次M點頻域分析后必須將對應(yīng)M點的起始時間、下的頻點信息 寫入表2所示的時間——頻點關(guān)系表，用于根據(jù)跳頻信息查表捕獲回波到達時間。表2本實施方式回波時頻同步估計模塊中所述的時間——頻點關(guān)系表形式 表2為一個簡單的經(jīng)過時頻分析生成的關(guān)系表，表的第一列{、，、+ ，、■，……} 代表時頻分析時讀取的M個數(shù)據(jù)點中起始點對應(yīng)的時間，表的第二列即各時間下M個數(shù)據(jù) 點中包含的頻點信息；假設(shè)發(fā)送的跳頻順序為{f\，f2，f3，f4，f5}僅發(fā)射五個頻點，通過分析 后得到表2所示時間——頻點關(guān)系表，則通過一個簡單的查表算法從、開始遍歷全表便能 找到首個時間順序符合{f” f2，f3，f4，f5}的五個頻點信息，然后將、作為第一回波的到達 時間與此次時頻分析的波束角度9,一同傳送給接收控制處理中心11，完成該角度的回 波時間捕獲?；夭〞r頻同步估計模塊14的分析處理過程較為復(fù)雜，在實際應(yīng)用中可以通過 增加高速數(shù)字信號處理器的數(shù)目，將任務(wù)按角度進行劃分處理，從而形成并行的處理結(jié)構(gòu)。圖5至圖8為采用圖1所示系統(tǒng)中的發(fā)射控制處理中心5和接收控制處理中心11 實現(xiàn)本實施方式水下多波束測深方法的處理流程，其中圖5和圖6針對本實施方式所述“掃 頻選頻”模式，圖7和圖8針對本實施方式所述“跳頻測深”模式。結(jié)合圖5到圖8，所述水 下多波束測深系統(tǒng)的測深方法包括以下四個運作部分—、本實施方式所述發(fā)射控制處理中心5 “掃頻選頻”模式的工作流程分為以下幾 個步驟如圖5所示，步驟1，系統(tǒng)開啟后微機控制系統(tǒng)1同時向發(fā)射控制處理中心5和接收控制處理中 心11發(fā)送“掃頻選頻”模式控制指令。發(fā)射控制處理中心5首先按控制指令進入“掃頻選 頻”工作模式，并同時接收跳頻參數(shù)，參數(shù)包含跳頻駐留時間Th、跳頻間隔Af 和跳頻帶寬Wh。步驟2，發(fā)射控制處理中心5接收完跳頻參數(shù)后，將按照跳頻帶寬Wh限定的范圍和 跳頻間隔△ f生成各頻點及相應(yīng)頻率碼組成頻率碼集合K，頻率碼集合K的生成方法按以下 計算步驟進行(1)由跳頻間隔Af 計算對應(yīng)的頻率碼間隔值八1^，八^二|_4/74^|，其中^」表
示向下取整，其中假設(shè)單一發(fā)射基元8中直接數(shù)字頻率合成器17輸出的最低頻率分辨力為 A/。
(2)由跳頻帶寬Wh計算頻率碼的取值范圍[‘ kh]，這里仍以AD9850為例 勻=|_0/>232)//,」，夂=|_(人*232)/久」，其中fi，4分別為wh限定的最低頻率和最高
頻率，fs為直接數(shù)字頻率合成器17的時鐘頻率。(3)在[kp kh]內(nèi)從開始等間隔A k取出頻率碼&組成頻率碼集合K，直到到 達kh。步驟3，發(fā)射控制處理中心5得到頻率碼集合K后，需要將單一發(fā)射基元8中每個 發(fā)射換能器21的地址碼屯與K中頻率碼&進行分組；由于“掃頻選頻”模式下，頻率碼集 合K中的元素個數(shù)往往遠大于地址碼集合D中的元素個數(shù)，所以頻率碼集合K與地址碼集 合D不是一一對應(yīng)的關(guān)系；由步驟2可知，頻率碼h的生成只根據(jù)微機控制系統(tǒng)1指定的 跳頻間隔Af 和跳頻帶寬Wh要求，但是單一發(fā)射基元8中的發(fā)射換能器21能發(fā)射聲波的 頻率范圍各不相同，每個發(fā)射換能器21僅能發(fā)射其帶寬內(nèi)的頻率信號，所以發(fā)射控制處理 中心5需根據(jù)發(fā)射換能器21的發(fā)射帶寬，將頻率碼ki與各換能器的地址碼屯進行分組， 建立頻率碼h與地址碼屯的對應(yīng)關(guān)系。此外，當(dāng)跳頻間隔A f小于發(fā)射換能器21的發(fā)射 帶寬時，可能出現(xiàn)多個頻點的信號需要同一個發(fā)射換能器21發(fā)射的情況，即出現(xiàn)換能器復(fù) 用。但考慮到發(fā)射換能器21存在的“拖尾”現(xiàn)象，在分組時應(yīng)盡量拉大換能器復(fù)用的時間 間隔。分組方法如下(1)首先發(fā)射控制處理中心5根據(jù)單一發(fā)射基元8中各發(fā)射換能器21的發(fā)射頻率 范圍，得到每一個地址碼屯對應(yīng)的發(fā)射換能器21能夠接受的頻率碼范圍；仍以AD9850為 例，若設(shè)地址碼屯對應(yīng)的窄帶發(fā)射換能器21的發(fā)射頻率范圍覆蓋f'[到f' h，則其能夠
接受的頻率碼范圍為[k' L,k'丄，其中<=|_(o232)a」，4=L(y>232)/力」。(2)然后將步驟2得到的頻率碼集合K與地址碼集合D建立對應(yīng)關(guān)系，通常D中的 一個地址碼將對應(yīng)K中的多個頻率碼，即一個發(fā)射換能器21將需要發(fā)送在其發(fā)射帶寬內(nèi)的 多個頻點信號。這種對應(yīng)關(guān)系如表3所示，表3假設(shè)地址碼集合D中元素個數(shù)為m，即一個 單一發(fā)射基元8中包含m個發(fā)射換能器21 ；設(shè)頻率碼集合K的元素個數(shù)為G，且每個發(fā)射換 能器21的發(fā)射帶寬內(nèi)包含了 8個需要發(fā)送的頻點，即每個地址碼對應(yīng)8個頻率碼。表3頻率碼與地址碼對應(yīng)關(guān)系示意 (3)最后進行發(fā)射分組，為了拉大發(fā)射換能器21發(fā)射時的復(fù)用時間間隔，避免同 一發(fā)射換能器21連續(xù)發(fā)送不同頻率的信號，可將表3中的頻率碼和對應(yīng)地址碼按列依次取 出組成分組，并同時標定分組發(fā)送次序。例如(屯，認，(d2，k9)2，……，(dffl, kG_7)ffl,(仏)m+1，(d2,k10)ffl+2,……，(d^Kh總共G個分組。這樣發(fā)射換能器21的發(fā)射復(fù)用周期為mTh。生成了 G個對應(yīng)頻率碼和地址碼的分組后，發(fā)射控制處理中心5還需將生成的分 組信息以及各個分組中頻率碼對應(yīng)的頻點信息反饋回微機控制系統(tǒng)1，作為微機控制系統(tǒng) 1篩選頻點確定發(fā)射分組參數(shù)的參考。步驟4，發(fā)射控制處理中心5按圖5所示的循環(huán)將各組頻率碼和地址碼依次傳送給 各單一發(fā)射基元8，每發(fā)送一組等待一跳頻駐留時間Th再發(fā)送下一組，直至發(fā)送完所有分組 則模塊運行結(jié)束。二、，本實施方式所述接收控制處理中心11 “掃頻選頻”式的工作流程分為以下幾 個步驟如圖6步驟1，首先接收控制處理中心11按控制指令進入“掃頻選頻”工作模式，并同時 接收跳頻參數(shù)。步驟2，接收控制處理中心11開啟接收電路，由于發(fā)射的聲波要經(jīng)過一斷時間才 會反射回來，所以這里可以在延遲一段時間后再開啟接收電路。步驟3，接收控制處理中心11將各路信號預(yù)處理模塊10處理采樣后的數(shù)據(jù)按采樣 時間、(j = 1,2,…)存儲，并指示波束形成模塊13讀取數(shù)據(jù)進行波束形成同時指定需要 形成的波束角度，優(yōu)選接收換能器陣列9正下方和左右最外端的波束角度。步驟4，當(dāng)波束形成模塊13輸出如表1所示的數(shù)據(jù)表后，接收控制處理中心11指 示回波時頻同步估計模塊14按照圖3所示流程運作。步驟5，接收控制處理中心11獲取回波時頻同步估計模塊14輸出的頻點信息，傳 送給微機控制系統(tǒng)1，直到監(jiān)聽到來自微機控制系統(tǒng)1傳來的結(jié)束指令。由此可知，聲波接收檢測系統(tǒng)3中的接收控制處理中心11、波束形成模塊13和回 波時頻同步估計模塊14組成了一種流水線式的工作模式，加快了整個系統(tǒng)處理的速度。三、本實施方式所述發(fā)射控制處理中心5 “跳頻測深”模式的工作流程分為以下幾 個步驟如圖7，步驟1，微機控制系統(tǒng)1同時向發(fā)射控制處理中心5和接收控制處理中心11發(fā)送 “跳頻測深”模式控制指令。發(fā)射控制處理中心5首先按控制指令進入“掃頻選頻”工作模 式，并同時接收跳頻參數(shù)，參數(shù)包含跳頻駐留時間Th、發(fā)射分組、跳頻信息和循環(huán)次數(shù)R。步驟2，發(fā)射控制處理中心5接收完跳頻參數(shù)后，按照發(fā)射分組中指定的頻率碼和 地址碼分組和分組發(fā)送次序，將各組頻率碼和地址碼發(fā)送給單一發(fā)射基元8 (假設(shè)共有S組 待發(fā)送)；按照跳頻駐留時間Th控制發(fā)送間隔，并重復(fù)循環(huán)發(fā)送R次。步驟3，發(fā)送完成，則停止工作。四、本實施方式所述接收控制處理中心11 “跳頻測深”模式的工作流程分為以下 幾個步驟如圖8，步驟1，首先接收控制處理中心11按控制指令進入“跳頻測深”工作模式，并同時 接收跳頻參數(shù)。步驟2，接收控制處理中心11開啟接收電路同時開啟計時器。步驟3，接收控制處理中心11將各路信號預(yù)處理模塊10處理采樣后的數(shù)據(jù)按采樣 時間、(j = 1,2,…)存儲，并指示波束形成模塊13讀取數(shù)據(jù)進行波束形成。接收控制處 理中心11在獲取波束形成模塊13如表1所示的數(shù)據(jù)表后，指示回波時頻同步估計模塊14按照圖4所示流程運作。步驟4，接收控制處理中心11獲取回波時頻同步估計模塊14輸出的第一回波的到 達時間(T0A)與對應(yīng)的波束角度(D0A)，將結(jié)果傳送回微機控制系統(tǒng)1。步驟5，當(dāng)所有波束角度下的第一回波的到達時間都估計完成后，接收檢測任務(wù)完 成，接收控制處理中心11向聲波接收檢測部分3中各模塊發(fā)送結(jié)束指令。當(dāng)?shù)谒牟糠诌\行完成后，便能得到對應(yīng)于各波束角度e i下的第一回波到達時間 、(i = 1,2,…，N)，根據(jù)聲程法和三角變換便能得到各波束角度對應(yīng)探測點的深度值和相 對坐標，具體變換公式如下
1 1 . ^H = - ctj cos 0i x = - cti sin 0i
2L其中，c為聲速、H為各波束角度下探測點深度、x為相對于中點的水平坐標。在實 際的探測中，由于聲速、船姿、吃水和潮汐修正等對探測深度的影響，還可以對以上測得的 初始深度和相對坐標進行相應(yīng)的修正，比如通過加入聲速剖面儀測量當(dāng)前水域的實際聲速 C，通過姿態(tài)傳感器感知船只橫搖縱搖角度修正實際波束角度e,等。當(dāng)繼續(xù)新一輪測深時，只需重復(fù)第三和第四部分的步驟；當(dāng)測量船走過相當(dāng)長的 一段距離后或者水下環(huán)境發(fā)生顯著變化時，可以重復(fù)第一和第二部分進行新一輪的掃頻選 頻，使得系統(tǒng)重新篩選頻點，以適應(yīng)新的水下環(huán)境，然后再按新的頻點重復(fù)第三和第四部分 的步驟進行測深。
1權(quán)利要求
一種水下多波束測探系統(tǒng)，包括微機控制系統(tǒng)(1)，其特征在于還包括通過總線接口與微機控制系統(tǒng)(1)連接的聲波發(fā)射系統(tǒng)(2)和聲波接收檢測系統(tǒng)(3)，所述聲波發(fā)射系統(tǒng)(2)設(shè)置有多個單一發(fā)射基元(8)，每個單一發(fā)射基元(8)包含多個諧振頻率不同的發(fā)射換能器(21)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下多波束測探系統(tǒng)，其特征在于所述聲波發(fā)射系統(tǒng)(2) 還包括發(fā)射控制處理中心(5)，微機控制系統(tǒng)(1)通過第一總線接口(4)連接發(fā)射控制處理 中心(5)的輸入端；發(fā)射控制處理中心(5)的輸出端通過第一接口(6)與多個單一發(fā)射基 元(8)相連，多個單一發(fā)射基元(8)用于頻率碼的同步傳輸，發(fā)射控制處理中心(5)還通過 第二接口(7)與多個單一發(fā)射基元(8)相連，用于地址碼的同步傳輸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下多波束測探系統(tǒng)，其特征在于所述聲波接收檢測系統(tǒng) (3)包括接收控制處理中心(11)、與接收控制處理中心(11)連接的信號預(yù)處理模塊(10)、 高速存儲器(12)、波束形成模塊(13)、回波時頻同步估計模塊(14)，接收控制處理中心 (11)通過第二總線接口(15)與微機控制系統(tǒng)(1)連接，多個信號預(yù)處理模塊(10)各自連 接有用以接收水底反射回波的接收換能器陣列(9)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的水下多波束測探系統(tǒng)，其特征在于所述多個單一發(fā)射基元 (8)按等間距排列組成均勻發(fā)射線陣，并沿船底龍骨布設(shè)；所述接收換能器 陣列(9)采用等 間距的水聲換能器組成的均勻線陣并沿垂直船底龍骨方向布設(shè)。
5.權(quán)利要求1所述的水下多波束測探系統(tǒng)的測探方法，所述聲波發(fā)射系統(tǒng)(2)和聲波 接收檢測系統(tǒng)(3)均具備“掃頻選頻”和“跳頻測深”兩種工作模式，其特征在于該測探方 法包括下列步驟步驟1 在“掃頻選頻”模式下，微機控制系統(tǒng)(1)從聲波發(fā)射系統(tǒng)(2)發(fā)射的掃頻水聲 信號篩選出受衰減和干擾影響較小的頻點；步驟2 在“跳頻測深”模式下根據(jù)步驟1篩選出的頻點發(fā)射水聲跳頻探測信號，聲波接 收檢測系統(tǒng)(3)通過短時傅里葉變換(STFT)對各波束角度下的接收信號進行時頻分析，從 而捕獲到與發(fā)送出的探測信號跳頻規(guī)律相一致的回波信號；步驟3 將步驟2捕獲的時間作為該波束角度下的回波到達時間進行深度值的計算。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的水下多波束測探系統(tǒng)的測探方法，其特征在于步驟1包括 下列過程步驟11 微機控制系統(tǒng)(1)向聲波發(fā)射系統(tǒng)(2)的發(fā)射控制處理中心(5)和聲波接收 檢測系統(tǒng)(3)的接收控制處理中心(11)發(fā)送控制指令，使測探系統(tǒng)進入“掃頻選頻”工作 模式，并同時傳送此階段必須的跳頻參數(shù)；步驟12:“掃頻選頻”模式下，發(fā)射控制處理中心(5)在跳頻帶寬允許的頻率范圍內(nèi) 按照跳頻間隔的要求生成頻點集合和對應(yīng)的頻率碼集合，并將各頻率碼與相應(yīng)的發(fā)射換能 器(21)地址碼分組，再按分組次序?qū)㈩l率碼和地址碼發(fā)送給單一發(fā)射基元(8)；單一發(fā)射 基元中(8)根據(jù)頻率碼產(chǎn)生不同頻率的信號，再根據(jù)地址碼將信號送入指定的發(fā)射換能器 (21)進行發(fā)射；帶有掃頻特性的聲波信號連續(xù)發(fā)送至水下并經(jīng)水底反射后由聲波接收檢 測系統(tǒng)⑶接收；步驟13 聲波接收檢測系統(tǒng)(3)的接收換能器陣列(9)接收回波信號，并由信號預(yù)處 理模塊(10)進行相關(guān)的放大濾波和采樣，然后接收控制處理中心(11)將離散的各路采樣數(shù)據(jù)按時間先后進行存儲，并指示波束形成模塊(13)取出采樣數(shù)據(jù)進行波束形成，并存儲 波束形成模塊(13)波束形成后輸出的帶有角度、幅度和時間信息的時間片；在波束形成進 行的同時，接收控制處理中心(11)指示回波時頻同步估計模塊(14)對波束形成模塊(13) 輸出的同波束角度下時間片進行短時傅里葉變換頻域分析，并通過門限比較輸出超過閥值 的頻點，并將這些頻點信息傳回給接收控制處理中心(11)進行保存；接收控制處理中心 (11)把得到的不同波束角度下保存的頻點集合以及頻點所對應(yīng)的幅度信息傳送給微機控 制系統(tǒng)(1)進行篩選。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的水下多波束測探系統(tǒng)的測探方法，其特征在于步驟2包括 下列過程步驟21 微機控制系統(tǒng)(1)篩選最優(yōu)的頻點后向發(fā)射控制處理中心(5)和接收控制處 理中心(11)發(fā)送控制指令，使測深系統(tǒng)進入“跳頻測深”模式，同時傳送此階段經(jīng)篩選后確 定的跳頻參數(shù)，并開啟接收控制處理中心(11)的計時器；步驟22 “跳頻測深”模式下，發(fā)射控制處理中心(5)按已接收到的跳頻參數(shù)，在規(guī)定時 間間隔內(nèi)按序發(fā)送所指定的頻率碼和地址碼給單一發(fā)射基元(8)，使測深系統(tǒng)發(fā)送指定的 水聲跳頻探測信號；步驟23 “跳頻測深”模式下，聲波接收檢測系統(tǒng)(3)的波束形成模塊(13)針對全部的 波束方向進行波束形成，回波時頻同步估計模塊(14)將門限比較后輸出的頻率和對應(yīng)的 時間進行存儲，然后再按一定間隔移動窗函數(shù)取出該波束角度的下一組數(shù)據(jù)點進行短時傅 里葉變換分析，經(jīng)過短時傅里葉變換頻域分析后得到該波束角度下接收信號隨時間的主要 頻點分布表，即時間——頻點關(guān)系表，最后對該表進行遍歷并參照已知的探測信號的頻率 跳變先后次序進行查找，得到該波束角度下第一回波的到達時間，傳送給接收控制處理中 心(11)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的水下多波束測探系統(tǒng)的測探方法，其特征在于步驟3包括 下列過程步驟31 接收控制處理中心(11)收集完所有波束角度下的第一回波到達時間后，將波 束角和相應(yīng)的時間發(fā)送給微機控制系統(tǒng)(1)；步驟32 微機控制系統(tǒng)(1)根據(jù)波束角度和回波到達時間得出對應(yīng)探測點的深度和相 對坐標。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的水下多波束測探系統(tǒng)的測探方法，其特征在于步驟11所述 的跳頻參數(shù)包括跳頻駐留時間、跳頻間隔和跳頻帶寬；步驟13所述波束形成模塊(13)取 出采樣數(shù)據(jù)進行波束形成時選取接收換能器陣列(9)正下方和左右最外端的波束角度進 行波束形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的水下多波束測探系統(tǒng)的測探方法，其特征在于步驟21所 述的跳頻參數(shù)包括跳頻駐留時間、發(fā)射分組、跳頻信息以及循環(huán)次數(shù)；其中發(fā)射分組包 含篩選出的頻率碼和對應(yīng)的地址碼分組以及分組的發(fā)送次序；跳頻信息即按照發(fā)射分組 要求得到的探測信號的頻率跳變規(guī)律。
全文摘要
本發(fā)明公開一種水下多波束測探系統(tǒng)及其探測方法，所述系統(tǒng)該包括微機控制系統(tǒng)、與微機控制系統(tǒng)連接的聲波發(fā)射系統(tǒng)和聲波接收檢測系統(tǒng)，所述聲波發(fā)射系統(tǒng)設(shè)置有多個單一發(fā)射基元，每個單一發(fā)射基元包含多個諧振頻率不同的發(fā)射換能器；本發(fā)明還涉及根據(jù)該系統(tǒng)的水下多波束測深方法，通過獨特的“掃頻選頻”和“跳頻測深”兩種模式，通過減小跳頻駐留時間提高測深的距離分辨力，通過增加跳頻的頻點數(shù)目提高測深量程，解決了單頻脈沖測深存在距離分辨力與測距范圍之間的矛盾。本發(fā)明既能有效對抗水聲信道頻率選擇性衰落和復(fù)雜的環(huán)境噪聲，又能精確估計出各波束角度下的第一回波到達時間，提高了水下多波束測深的精度。
文檔編號G01S7/539GK101852854SQ20101019589
公開日2010年10月6日 申請日期2010年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月7日
發(fā)明者寧更新, 張軍, 曹燕, 陳庭柱, 韋崗 申請人:華南理工大學(xué)