一種多波束海底淺地層剖面探測設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及的是一種多波束海底淺地層剖面探測設(shè)備。本發(fā)明包括干端和濕端，干端由發(fā)射模塊和信號處理及顯示模塊構(gòu)成，濕端由參量陣和矢量水聽器構(gòu)成。本發(fā)明基于FrFT技術(shù)設(shè)計頻帶重疊的LFM探測信號，利用小孔徑的參量陣作為相控發(fā)射換能器，采用矢量水聽器作為接收換能器，在提高系統(tǒng)帶寬利用率的同時大大減小基陣的孔徑。本發(fā)明由于能夠發(fā)射頻帶重疊的多分量信號，使發(fā)射多波束的數(shù)量增加，系統(tǒng)帶寬利用率和探測效率都得到了很大的提高，更適用于大面積的掃海探測；基陣孔徑的減小使設(shè)備更加便攜，具有更大的推廣和應用價值。
【專利說明】一種多波束海底淺地層剖面探測設(shè)備

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種多波束海底淺地層剖面探測設(shè)備。

【背景技術(shù)】
[0002] 與傳統(tǒng)單波束海底淺地層探測相比，利用多波束設(shè)備進行海底淺地層探測，在提 高測量效率的同時可以獲得更豐富的底質(zhì)信息。多波束海底淺地層剖面探測設(shè)備采用空間 掃描、走航探測的工作方式。傳統(tǒng)多波束海底淺地層探測設(shè)備通常采用向不同方向發(fā)射頻 帶不重疊的LFM信號分量，然后對同時接收的多分量回波信號進行頻域濾波，從而消除不 同方向上回波信號間的混疊，以區(qū)分各分量信號的到達方向，達到同時探測多條測線的目 的。但是，這種頻分編碼設(shè)計使得各信號分量間不能存在頻譜重疊，從而使有限的系統(tǒng)頻帶 內(nèi)僅能設(shè)計出很少的幾個LFM信號分量，限制了系統(tǒng)探測測線的數(shù)量，制約了多波束海底 淺地層探測技術(shù)探測效率的提1?。
[0003] 另外，在多波束淺地層探測設(shè)備使用的換能器基陣方面，傳統(tǒng)多波束淺地層剖面 探測設(shè)備通常采用低頻大孔徑基陣，體積大、重量重，不利于設(shè)備的推廣應用，這是由于海 底淺地層探測信號頻率低，若采用空域濾波的方法接收各方向的信號分量，發(fā)射、接收波束 寬度必須足夠地窄，從而必將導致接收基陣孔徑增大，使設(shè)備體積和成本增加，尤其不利于 在小的探測平臺上使用。如Calimero項目中應用的新一代多波束淺地層探測系統(tǒng)SBP120 采用了 32 X 3元發(fā)射基陣和1 X 64元接收基陣，長度都大于7m，僅限于安裝在大測量船上使 用。而參量陣聲納的獨特優(yōu)點是可以利用小尺寸換能器獲得低頻、寬帶、低旁瓣或無旁瓣的 尖銳波束，從而不僅可以達到多波束海底淺地層測量對發(fā)射低頻信號的要求，而且保證了 探測的分辨率。同時，由于矢量水聽器工作在低頻狀態(tài)，且具有cos Θ形式的與頻率無關(guān)的 指向性，這意味著傳感器的尺寸不再受聲波波長的制約，與傳統(tǒng)低頻接收基陣相比，基陣孔 徑大大縮小，并且與傳統(tǒng)基陣相比，矢量水聽器可以提供更多的信息、具有適合進行淺剖測 量的頻率范圍（通常為幾百赫茲至十幾千赫茲左右）。因此，采用矢量水聽器作為多波束參 量淺剖系統(tǒng)的接收基陣是一個理想的選擇。本發(fā)明采用參量陣和矢量水聽器作為發(fā)、收換 能器，解決了傳統(tǒng)低頻基陣孔徑大帶來的諸多問題。
[0004] 分數(shù)階傅立葉變換是一種重要的分數(shù)階變換，是一種廣義的傅立葉變換，直到近 年其重要性才受到各國學者的關(guān)注。從本質(zhì)上講，信號在分數(shù)階傅立葉域（通常稱為u域） 上的表示融合了信號在時域和頻域的信息，因此FrFT被認為是一種時頻分析方法，與小波 變換、WVD等時頻分析工具具有密切的關(guān)系。傅立葉變換是以三角函數(shù)為完備正交基，當單 頻正弦信號經(jīng)過傅立葉變換就會在某個單頻基上成為一個沖激函數(shù)。而分數(shù)階傅立葉變換 以LFM信號為完備的正交基，改變旋轉(zhuǎn)角度α，就可以得到不同調(diào)頻率的基，當LFM信號的 頻率變化率與某一分數(shù)階傅立葉變換基的頻率變化率相吻合時，信號的分數(shù)階傅立葉變換 就會在該變換基上形成一個沖激函數(shù)，參見圖2。這一點說明LFM信號在u域上具有很好的 時頻聚集性。
[0005] 另外，F(xiàn)rFT又是一個線性變換：
[0006] Fp[a · x (t)+b · y (t) ] = a · Xp (u)+b · Yp (u) (1)
[0007] 其中，x(t)和y(t)表示兩個幅度歸一化時域信號分量，a和b分別表示量信號分 量的幅度，P□表示p階分數(shù)階傅里葉變換，p為變換階數(shù)，X p(u)和1(11)分別表示對應兩 時域信號分量的u域信號。因此，多個信號分量疊加形成的多分量信號的分數(shù)階傅立葉變 換等價于各分量信號分別進行分數(shù)階傅立葉變換后的疊加。利用上述兩點即可以對多分量 LFM信號在u域上進行濾波：當各LFM信號分量在合適的u域上出現(xiàn)能量聚集時，就可以用 窄帶濾波器將各LFM信號分量從多分量信號中濾出，即實現(xiàn)對多分量LFM信號的提取與分 離。這就是LFM信號u域濾波和信號提取與分離的機理，本發(fā)明是基于這一機理設(shè)計實現(xiàn) 的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是為了針對傳統(tǒng)多波束海底淺地層剖面探測設(shè)備系統(tǒng)帶寬利用率 低，基陣體積龐大，不利于推廣應用等問題，提出了一種多波束海底淺地層剖面探測設(shè)備。
[0009] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：
[0010] 本發(fā)明包括干端和濕端，干端由發(fā)射模塊12和信號處理及顯示模塊13構(gòu)成，濕端 由參量陣3和矢量水聽器4構(gòu)成，其特征在于：
[0011] 發(fā)射模塊12,用于生成編碼的多分量線性調(diào)頻信號并驅(qū)動參量陣3,由多分量信 號源1和多通道發(fā)射機2構(gòu)成；
[0012] 多分量信號源1，用于接收同步信號和控制指令，并根據(jù)控制指令，向多通道發(fā)射 機2提供生成的N個頻帶重合的LFM信號分量，信號分量個數(shù)N由控制指令設(shè)置，同時向信 號處理及顯示模塊13發(fā)送最優(yōu)變換階數(shù)、信號分量在分數(shù)階傅立葉域u域的分布位置 uQ、檢測門限η ;
[0013] 多通道發(fā)射機2,利用多分量信號源1提供的Ν個線性調(diào)頻編碼信號驅(qū)動參量陣3 相控發(fā)射；
[0014] 參量陣3,將多通道發(fā)射機2產(chǎn)生的Ν個信號分量相控發(fā)射到Ν個不同的預探測方 向上；
[0015] 矢量水聽器4,同時接收Ν條測線上的多分量回波信號，并將接收到的多分量信號 發(fā)送到信號處理及顯示模塊13 ;
[0016] 信號處理及顯示模塊13,實現(xiàn)多分量回波信號的提取與分離，處理得到各條測線 的掃跡，并顯示探測得到的Ν個淺地層剖面圖；
[0017] 最優(yōu)FrFT變換器5,根據(jù)多分量信號源1提供的最優(yōu)變換階數(shù)ρ_對接收的多分 量回波信號作最優(yōu)FrFT變換，將變換結(jié)果取模值發(fā)送至門限檢測器6 ;
[0018] 門限檢測器6,對最優(yōu)FrFT變換器5發(fā)送的信號進行門限檢測，選取過門限II的 淺地層回波信號，并將過門限的信號發(fā)送至u域帶通濾波器組7 ;
[0019] u域帶通濾波器組7,根據(jù)多分量信號源1提供的第i個信號分量在u域的分布位 置ui(l，利用第i個帶通濾波器對多分量回波信號進行u域帶通濾波，在u域濾出第i個信號 分量，實現(xiàn)所有N個信號分量在u域的提取與分離，并將提取的各信號分量發(fā)送至FrFT逆 變換器8 ;
[0020] FrFT逆變換器8,用于對u域帶通濾波器組7濾出的各信號分量作-Ρ_階的FrFT 逆變換，得到各條測線的回波信號，并發(fā)送至拷貝相關(guān)器組9 ;
[0021] 拷貝相關(guān)器組9,用于對各條測線的回波信號序列作拷貝相關(guān)處理，得到各條測線 上淺地層剖面的掃跡，并將N條掃跡發(fā)送至顯示器10顯示N個淺地層剖面圖；
[0022] 顯示器10,顯示多波束海底淺地層剖面探測設(shè)備探測得到的N條測線上的淺地層 剖面圖以及控制信息及現(xiàn)場參數(shù)信息。
[0023] 本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明基于FrFT技術(shù)設(shè)計頻帶重疊的LFM探測信號，利 用小孔徑的參量陣作為相控發(fā)射換能器，采用矢量水聽器作為接收換能器，在提高系統(tǒng)帶 寬利用率的同時大大減小基陣的孔徑。本發(fā)明由于能夠發(fā)射頻帶重疊的多分量信號，使發(fā) 射多波束的數(shù)量增加，系統(tǒng)帶寬利用率和探測效率都得到了很大的提高，更適用于大面積 的掃海探測；基陣孔徑的減小使設(shè)備更加便攜，具有更大的推廣和應用價值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 圖1是多波束海底淺地層剖面探測設(shè)備的結(jié)構(gòu)構(gòu)成圖。
[0025] 圖2是LFM信號一個變換周期（變換階數(shù)從0?4)的FrFT變換3D圖；
[0026] 圖3是頻率變化率不同的二分量LFM信號的時頻分布和對應其中一個信號頻率變 化率的FrFT ;
[0027] 圖4是圖3情況下提取分離出的兩個信號分量的時域波形及頻譜；
[0028] 圖5是頻率變化率相同的二分量LFM信號的時頻分布和最優(yōu)階FrFT ;
[0029] 圖6是圖5情況下提取分離出的兩信號分量的時域波形及頻譜；
[0030] 圖7是發(fā)射多分量信號中各信號分量的時域波形及頻譜；
[0031] 圖8是矢量水聽器寬波束同時接收的多分量信號的時域波形及其頻譜，信噪比 SNR = -3dB ；
[0032] 圖9是多分量回波信號FrFT的模值；
[0033] 圖10是各信號分量對應的u域帶通濾波器響應；
[0034] 圖11是u域濾出的第一個LFM信號分量；
[0035] 圖12是u域濾出的第二個LFM信號分量；
[0036] 圖13是u域濾出的第三個LFM信號分量；
[0037] 圖14是經(jīng)FrFT逆變換后，從多分量信號中提取出的各信號分量的時域波形及頻 譜。

【具體實施方式】
[0038] 本發(fā)明具體地說是涉及一種基于分數(shù)階傅立葉變換（Fractional Fourier Transform，F(xiàn)rFT)技術(shù)的，用參量陣發(fā)射編碼的多分量線性調(diào)頻信號（Linear Frequency Modulation，LFM)，采用矢量水聽器寬波束同時接收多分量回波信號的一種多波束海底淺 地層剖面高效探測設(shè)備。
[0039] 所述的多波束海底淺地層探測設(shè)備的應用背景為大面積海底淺地層剖面勘測，設(shè) 備利用參量陣相控發(fā)射頻帶重疊的LFM信號分量進行探測，信號參數(shù)選取滿足LFM信號在 分數(shù)階傅立葉域具有很好能量聚集的特性，用矢量水聽器寬波束同時接收多條測線的多個 回波信號分量，在分數(shù)階傅立葉域通過u域濾波實現(xiàn)各信號分量的提取與分離，最終實現(xiàn) 海底淺地層剖面的高效探測。
[0040] 本發(fā)明的多波束海底淺地層剖面探測設(shè)備的工作原理為：在每個探測同步周期， 當多分量信號源1接到開始工作的控制指令后，向多通道發(fā)射機2發(fā)送N個頻帶重疊的LFM 信號分量發(fā)射信號分量的個數(shù)N可根據(jù)探測需求進行現(xiàn)場設(shè)定；多通道發(fā)射機2根據(jù)多分 量信號源1提供的信號驅(qū)動參量陣3向N個不同的預探測方向依次發(fā)射N個頻帶重疊的 LFM信號分量；各發(fā)射聲波信號經(jīng)海底淺地層反射產(chǎn)生回波信號，矢量水聽器4同時接收各 個探測方向的回波信號，并將此多分量回波信號傳送至信號處理及顯示模塊13進行處理 與顯示。最優(yōu)FrFT變換器5根據(jù)多分量信號源1傳送的最優(yōu)變換階數(shù)p_對多分量信號 作最優(yōu)分數(shù)階傅立葉變換，將信號變換到u域，通過門限檢測器6在u域進行信號檢測；根 據(jù)多分量信號源1提供的參數(shù)，分別利用u域帶通濾波器組7、FrFT逆變換器8和拷貝相關(guān) 器組9對檢測到的N個信號分量分別作u域帶通濾波和-p_階FrFT逆變換，將各信號分 量從多分量信號中提取分離出來，反變換到時域并經(jīng)拷貝相關(guān)處理得到各探測方向海底淺 地層的探測掃跡；最后將掃跡送至顯示器（10)形成多波束海底淺地層探測剖面圖。至此， 實現(xiàn)了一個同步周期的多波束海底淺地層剖面探測。隨著測量船的航行，實現(xiàn)了多條測線 上海底淺地層的剖面探測。
[0041] 本實施方式的多波束海底淺地層剖面探測設(shè)備發(fā)射的N個信號分量應當滿足如 下準則：
[0042] 發(fā)射信號分量在u域具有很好的能量聚集特性，即采用LFM信號；
[0043] 各信號分量的頻率變化率一致；
[0044] 發(fā)射各信號分量的參數(shù)可根據(jù)已制定的協(xié)議自主實現(xiàn)信號發(fā)射與信號處理間的 協(xié)調(diào)工作。
[0045] 滿足上述三點的多個分量的發(fā)射信號能夠保證在u域?qū)崿F(xiàn)多分量信號的提取分 離。其中，第一點主要從提高系統(tǒng)帶寬利用率的角度出發(fā)，只有在u域具有很好的能量聚集 特性，才能保證在有限的頻帶上設(shè)計更多的信號分量，并實現(xiàn)寬波束同時接收的多個信號 分量經(jīng)U域帶通濾波后的有效提取與分離；第二點是為了防止U域濾波時出現(xiàn)信號失真，因 為如果各個信號分量的頻率變化率不同，U域帶通濾波器在對某一信號分量濾波時，會濾出 其它信號分量的成分，造成提取信號的失真，可參見圖3和圖4,不同頻率變化率時提取和 分離信號分量將出現(xiàn)失真。另外，頻率變化率設(shè)計成一致可簡化處理過程，僅對某一最優(yōu)變 換階數(shù)作一次FrFT變換即可，而不必對各個分量分別作FrFT變換，并且能夠很好地提取、 分離出各信號分量，如圖5和圖6所示，不僅信號不會出現(xiàn)失真，而且僅一次FrFT即可使所 有信號分量在u域出現(xiàn)能量聚集，進而進行u域帶通濾波等后續(xù)處理；第三點是為了使設(shè)備 協(xié)調(diào)工作，可根據(jù)測量需要下達探測測線個數(shù)N(或信號分量個數(shù)，或相控方向個數(shù)）、相控 方向和次序以及調(diào)整同步周期。
[0046] 所述多分量信號源1生成N個信號分量需要控制指令發(fā)送的信息包括：
[0047] ①各LFM信號分量的高低截止頻率= 1、2……N，確定各發(fā)射信號分量 的頻率范圍；
[0048] ②各LFM信號分量的脈沖寬度1\。確定各發(fā)射信號分量的脈沖寬度；
[0049] ③多通道發(fā)射機2相控發(fā)射信號的角度及順序。控制多通道發(fā)射機2開始驅(qū)動參 量陣3不同基元的時間，并以事先定義的順序向不同角度相控發(fā)射不同的信號分量。

【權(quán)利要求】
1. 一種多波束海底淺地層剖面探測設(shè)備，包括干端和濕端，干端由發(fā)射模塊（12)和信 號處理及顯示模塊（13)構(gòu)成，濕端由參量陣（3)和矢量水聽器（4)構(gòu)成，其特征在于： 發(fā)射模塊（12)，用于生成編碼的多分量線性調(diào)頻信號并驅(qū)動參量陣（3)，由多分量信 號源（1)和多通道發(fā)射機（2)構(gòu)成； 多分量信號源（1)，用于接收同步信號和控制指令，并根據(jù)控制指令，向多通道發(fā)射機 (2) 提供生成的N個頻帶重合的LFM信號分量，信號分量個數(shù)N由控制指令設(shè)置，同時向信 號處理及顯示模塊（13)發(fā)送最優(yōu)變換階數(shù)、信號分量在分數(shù)階傅立葉域u域的分布位 置u Q、檢測門限η ; 多通道發(fā)射機（2)，利用多分量信號源（1)提供的Ν個線性調(diào)頻編碼信號驅(qū)動參量陣 (3) 相控發(fā)射； 參量陣（3)，將多通道發(fā)射機（2)產(chǎn)生的Ν個信號分量相控發(fā)射到Ν個不同的預探測方 向上； 矢量水聽器（4)，同時接收Ν條測線上的多分量回波信號，并將接收到的多分量信號發(fā) 送到信號處理及顯示模塊（13); 信號處理及顯示模塊（13)，實現(xiàn)多分量回波信號的提取與分離，處理得到各條測線的 掃跡，并顯示探測得到的Ν個淺地層剖面圖； 最優(yōu)FrFT變換器（5)，根據(jù)多分量信號源（1)提供的最優(yōu)變換階數(shù)ρ_對接收的多分 量回波信號作最優(yōu)FrFT變換，將變換結(jié)果取模值發(fā)送至門限檢測器（6); 門限檢測器（6)，對最優(yōu)FrFT變換器（5)發(fā)送的信號進行門限檢測，選取過門限η的 淺地層回波信號，并將過門限的信號發(fā)送至u域帶通濾波器組（7); u域帶通濾波器組（7)，根據(jù)多分量信號源（1)提供的第i個信號分量在u域的分布位 置ui(l，利用第i個帶通濾波器對多分量回波信號進行u域帶通濾波，在u域濾出第i個信號 分量，實現(xiàn)所有N個信號分量在u域的提取與分離，并將提取的各信號分量發(fā)送至FrFT逆 變換器（8); FrFT逆變換器（8)，用于對u域帶通濾波器組（7)濾出的各信號分量作-ρ_階的FrFT 逆變換，得到各條測線的回波信號，并發(fā)送至拷貝相關(guān)器組（9); 拷貝相關(guān)器組（9)，用于對各條測線的回波信號序列作拷貝相關(guān)處理，得到各條測線上 淺地層剖面的掃跡，并將N條掃跡發(fā)送至顯示器（10)顯示N個淺地層剖面圖； 顯示器（10)，顯示多波束海底淺地層剖面探測設(shè)備探測得到的N條測線上的淺地層剖 面圖以及控制信息及現(xiàn)場參數(shù)信息。
【文檔編號】G01S15/88GK104062663SQ201410336422
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月12日
【發(fā)明者】李海森, 朱建軍, 周天, 魏玉闊, 陳寶偉, 徐超, 杜偉東, 么彬, 魏波 申請人:哈爾濱工程大學