一種基于編碼信號的同時多焦點淺水多波束接收動態(tài)聚焦系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于編碼信號的同時多焦點淺水多波束接收動態(tài)聚焦系統(tǒng)，包括M組水聲換能器接收陣元，用于接收聲信號，并實現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換；M組正交變換器，用于將實數(shù)轉(zhuǎn)換為復(fù)數(shù)；M組脈沖壓縮單元，用于將擴頻編碼信號進行脈沖壓縮；擴頻序列選擇器，根據(jù)時間的不同從N組擴頻序列中選擇對應(yīng)的擴頻序列；動態(tài)聚焦波束形成器，將M組脈沖壓縮后的信號根據(jù)距離的不同進行動態(tài)聚焦波束形成，輸出最終結(jié)果。本發(fā)明有效的提高了近場多波束測深的縱向分辨力，提高淺水多波束的綜合精度。
【專利說明】一種基于編碼信號的同時多焦點淺水多波束接收動態(tài)聚焦系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于多波束測深領(lǐng)域，尤其是能夠提高近場多波束測探的縱向分辨力的，一種基于編碼信號的同時多焦點淺水多波束接收動態(tài)聚焦系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]波束角是多波束測深儀中的衡量精度重要指標(biāo)，由航跡方向開角和垂直航跡方向開角決定，直接影響縱向角度分辨力和橫向角度分辨力。常規(guī)多波束測深儀中受近場效應(yīng)影響，橫向角度分辨力由近場動態(tài)聚焦方法來保證，而近場縱向角度分辨力由于發(fā)射未聚焦而有所下降。
[0003]為解決近場發(fā)射問題，部分多波束測深儀采用了單焦點發(fā)射方法，但對于多波束測深中單次測量覆蓋范圍較大，常常只能提高焦點距離上的分辨力，遠于焦點和近于焦點的測深區(qū)域的縱向分辨力將會大幅度下降。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供能夠提高近場多波束測深的縱向分辨力的，一種基于編碼信號的同時多焦點淺水多波束接收動態(tài)聚焦系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0006]一種基于編碼信號的同時多焦點淺水多波束接收動態(tài)聚焦系統(tǒng)，包括M個水聲換能器接收陣元、M個正交變換器、M個脈沖壓縮單元、擴頻序列選擇器和動態(tài)聚焦波束形成器，
[0007]M個水聲換能器接收陣元接收多波束多焦點發(fā)射聚焦回波信號，將聲信號轉(zhuǎn)換為電信號，每個水聲換能器接收陣元對應(yīng)一個正交變換器，將電信號輸出給對應(yīng)的正交變換器；
[0008]正交變換器將接收到的電信號轉(zhuǎn)換為復(fù)數(shù)電信號，每個正交變換器對應(yīng)一個脈沖壓縮單元，將復(fù)數(shù)電信號輸出給對應(yīng)的脈沖壓縮單元；
[0009]擴頻序列選擇器包括時間計數(shù)器、多路選擇控制器和N個擴頻序列存儲器，時間計數(shù)器用于輸出時間信息給多路選擇控制器，N個擴頻序列存儲器用于存儲擴頻序列，多路選擇控制器根據(jù)焦點信息和時間信息，選擇一個擴頻存儲器中的擴頻序列輸出給M個脈沖壓縮單元；
[0010]M組脈沖壓縮單元將接收到的擴頻序列與復(fù)數(shù)電信號進行脈沖壓縮，將結(jié)果輸出給動態(tài)聚焦波束形成器；
[0011]動態(tài)聚焦波束形成器根據(jù)目標(biāo)的距離和角度不同，計算目標(biāo)到達各水聲換能器接收陣元的聲程差，將聲程差轉(zhuǎn)化為相位差，將接收到的信號補償對應(yīng)的相位差，累加得到動態(tài)聚焦波束。
[0012]本發(fā)明一種基于編碼信號的同時多焦點淺水多波束接收動態(tài)聚焦系統(tǒng)，還可以包括:
[0013]擴頻序列采用Kasami序列。
[0014]本發(fā)明的有益效果為:
[0015]本發(fā)明充分利用了 Kasami擴頻編碼信號優(yōu)良的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性，通過本發(fā)明裝置將多波束多焦點發(fā)射聚焦回波信號，按回波時間不同分別對應(yīng)不同的Kasami擴頻編碼序列對應(yīng)脈沖壓縮，然后將脈沖壓縮結(jié)果按照動態(tài)聚焦的方法形成動態(tài)聚焦波束形成的結(jié)果，解決了對多波束測深中同時多焦點發(fā)射聚焦信號的水底回波信號的接收動態(tài)聚焦的問題，可有效的提高近場多波束測深的縱向分辨力，提高淺水多波束的綜合精度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1基于編碼信號的同時多焦點淺水多波束接收動態(tài)聚焦結(jié)構(gòu)框圖；
[0017]圖2擴頻序列選擇器結(jié)構(gòu)框圖。

【具體實施方式】
[0018]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0019]一種基于編碼信號的同時多焦點淺水多波束接收動態(tài)聚焦系統(tǒng)，包括M組水聲換能器接收陣元11?1M、M組正交變換器21?2M、M組脈沖壓縮單元31?3M、N組擴頻序列選擇器6和動態(tài)聚焦波束形成器4 ；
[0020]M組水聲換能器接收陣元11?1M，接收多焦點發(fā)射聚焦回波聲信號，實現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換，并以電信號形式傳輸?shù)組組正交變換器21?2M ;
[0021]M組正交變換器21?2M，將實數(shù)電信號轉(zhuǎn)換為復(fù)數(shù)電信號，并以電信號形式分別傳輸?shù)組組脈沖壓縮單元31?3M ;
[0022]M組脈沖壓縮單元31?3M，將N組擴頻序列選擇器6產(chǎn)生的擴頻序列與M組正交變換器21?2M的復(fù)數(shù)結(jié)果進行脈沖壓縮，并以電信號形式傳輸?shù)絼討B(tài)聚焦波束形成器4 ；
[0023]動態(tài)聚焦波束形成器4，將M組脈沖壓縮后的信號根據(jù)距離的不同進行動態(tài)聚焦波束形成，并輸出最終結(jié)果5;
[0024]N代表多波束測深中同時聚焦的焦點數(shù)目；M代表多波束測深中水聲換能器接收陣元的數(shù)目。
[0025]N組擴頻序列選擇器6，其結(jié)構(gòu)包括時間計數(shù)器61、多路選擇控制器63、N組擴頻序列存儲器621?62N和多路選擇器64，其特征是時間計數(shù)器61在發(fā)射探測信號時清零，并開始計時，多路選擇控制器63根據(jù)測深焦點不同，在不同時間控制多路選擇控制器63選擇不同的擴頻序列存儲器621?62N,并以電信號形式輸出結(jié)果65。
[0026]M組正交變換器21?2M，輸入信號分別與正弦和余弦函數(shù)相乘，并分別經(jīng)過低通濾波器，得到復(fù)信號的實部和虛部。
[0027]M組脈沖壓縮單元31?3M是以編碼信號為參考，將輸入復(fù)信號的實部和虛部分別與參考編碼信號對應(yīng)乘累加，滑動輸出，得到脈沖壓縮的復(fù)信號形式。
[0028]擴頻序列其特征是采用Kasami序列。
[0029]動態(tài)聚焦波束形成器4是根據(jù)預(yù)設(shè)目標(biāo)的距離和角度不同，計算目標(biāo)到達各個陣元的聲程差，并依據(jù)聲速公式波長公式將器轉(zhuǎn)換為相位差形式，然后各陣元復(fù)信號補償對應(yīng)的相位差，并累加即可得到結(jié)果。
[0030]本發(fā)明中M組水聲換能器接收陣元接收的多焦點發(fā)射聚焦回波聲信號來自于一種基于編碼信號的同時多焦點淺水多波束接收動態(tài)聚焦系統(tǒng)。
[0031]一種基于編碼信號的同時多焦點淺水多波束發(fā)射聚焦系統(tǒng)，包括N組擴頻序列存儲模塊、N組2PSK調(diào)制器、N組近場固定焦點延時發(fā)射聚焦模塊、M組累加器模塊、M組功率發(fā)射模塊和M組水聲換能器發(fā)射陣元；
[0032]N組擴頻序列存儲模塊中分別存儲有擴頻碼序列，以電信號形式輸出到N組2PSK調(diào)制器中；
[0033]N組2PSK調(diào)制器將接收到的擴頻碼序列調(diào)制到水聲換能器的中心頻點上，以電信號形式輸出到N組近場固定焦點延時發(fā)射聚焦模塊；
[0034]每組近場固定焦點延時發(fā)射聚焦模塊分別對應(yīng)一個預(yù)先設(shè)定的近場聚焦點，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的近場聚焦點到各水聲換能器發(fā)射陣元的不同時延，產(chǎn)生M組擴頻碼聚焦信號，以電信號形式分別輸出到M組累加器模塊中；
[0035]每組累加器模塊將接收到的擴頻碼聚焦信號進行累加，以電信號形式輸出給一組功率發(fā)射模塊；
[0036]M組功率發(fā)射模塊將分別接收到的信號轉(zhuǎn)換為大功率信號,輸出到M組水聲換能器發(fā)射陣元；
[0037]M組水聲換能器發(fā)射陣元將接收到的大功率信號轉(zhuǎn)換為聲信號，形成多焦點聚焦波束。
[0038]擴頻碼序列采用Kasami序列。
[0039]場固定焦點延時發(fā)射聚焦模塊產(chǎn)生M組擴頻碼聚焦信號的方法為:
[0040]計算其對應(yīng)的預(yù)先設(shè)定的近場聚焦點到達每個水聲換能器發(fā)射陣元與到達整個換能器基陣中心點的聲程差；
[0041]根據(jù)聲程差計算出預(yù)先設(shè)定的近場聚焦點到各水聲換能器發(fā)射陣元的不同時延；
[0042]根據(jù)不同時延，近場固定焦點延時發(fā)射聚焦模塊產(chǎn)生M組時延不同、波形相同的擴頻碼聚焦信號。
[0043]累加器模塊，采用數(shù)字累加器或者模擬累加器，接收近場固定焦點延時發(fā)射聚焦模塊產(chǎn)生的擴頻碼聚焦信號，各通道信號對應(yīng)累加，其中第一組累加器模塊51接收第一通道411、421、431的信號累加以電信號形式輸出到第一組功率發(fā)射模塊61,第二組累加器模塊52接收第二通道412、422、432的信號累加以電信號形式輸出到第二組功率發(fā)射模塊62，第M組累加器模塊5M接收第M通道41M、42M、43M的信號累加以電信號形式輸出到第M組功率發(fā)射模塊6M。
[0044]具體實施例為:
[0045]一種基于編碼信號的同時多焦點淺水多波束接收動態(tài)聚焦系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)包括80組水聲換能器接收陣元；80組正交變換器；80組脈沖壓縮單元；5組擴頻序列選擇器；動態(tài)聚焦波束形成器等幾部分:在此以在可編程邏輯門陣列中實施舉例說明。
[0046]80組水聲換能器接收陣元，用于接收聲信號，并實現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換，為了后續(xù)在可編程邏輯門陣列中進行數(shù)字信號處理，在此需加入模擬前端預(yù)處理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；
[0047]80組正交變換器，用于將實數(shù)轉(zhuǎn)換為復(fù)數(shù)，采用分別乘正弦和余弦，然后濾波的方法來實現(xiàn)正交變換，由于通道數(shù)較多，同時采樣率相對較低，采用串行的FIR濾波器來實現(xiàn)濾波，可以大大節(jié)省可編程邏輯門陣列的邏輯資源占用量；
[0048]80組脈沖壓縮單元，用于將擴頻編碼信號進行脈沖壓縮，由于脈沖壓縮的運算量相對較大，采用較短的擴頻編碼樣本，以降低脈沖縮的運算量；
[0049]5組擴頻序列選擇器，其結(jié)構(gòu)包括時間計數(shù)器、多路選擇控制器、5組擴頻序列存儲器和多路選擇器，可以根據(jù)時間的變化選擇不同的擴頻序列進行結(jié)果輸出其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，鑒于擴頻編碼數(shù)據(jù)較短，本實例中直接采用寄存器來存儲5組擴頻序列樣本，而其余邏輯相對簡單，直接用可編程邏輯門陣列中的邏輯資源實現(xiàn)；
[0050]動態(tài)聚焦波束形成器，將80組脈沖壓縮后的信號根據(jù)距離的不同進行動態(tài)聚焦波束形成，輸出最終結(jié)果；
[0051]本發(fā)明首先將多波束測深中同時多焦點發(fā)射聚焦信號的水底回波信號經(jīng)過80組水聲換能器接收陣元實現(xiàn)聲信號到電信號的轉(zhuǎn)換，并將電信號的實數(shù)形式通過80組正交變換器變換為復(fù)包絡(luò)形式。同時由時間計數(shù)器和多路選擇控制器根據(jù)時間不同產(chǎn)生對應(yīng)焦點擴頻序列的序號控制多路選擇器輸出5組擴頻序列存儲器中的其中一組作為結(jié)果。然后將80組正交變換器的結(jié)果和5組擴頻序列選擇器的結(jié)果同時送入到動態(tài)聚焦波束形成器，形成最終的波束形成結(jié)果，送至多波束測深儀的后續(xù)處理設(shè)備，進行水底地形的測量。利用該發(fā)明便可實現(xiàn)對多波束測深中同時多焦點發(fā)射聚焦信號的水底回波信號進行接收動態(tài)聚焦的目的，從而實現(xiàn)近場水底地形的高精度測量。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
[0052]一種基于編碼信號的同時多焦點淺水多波束發(fā)射聚焦系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)包括5組擴頻序列存儲模塊；5組2PSK調(diào)制器；5組近場固定焦點延時發(fā)射聚焦模塊；80組累加器模塊；80組功率發(fā)射模塊；80組水聲換能器發(fā)射陣元，在此以在可編程邏輯門陣列中實施舉例說明。
[0053]5組擴頻序列存儲模塊，用于存儲5組相互獨立的擴頻碼序列，5組擴頻序列采用優(yōu)選方法進行選擇，以保證其相互之間良好的互相關(guān)性和自身的自相關(guān)性，由于擴頻序列中碼元只是以O(shè)和I構(gòu)成且數(shù)量較少，在可編程邏輯門陣列中放到寄存器中存儲即可；
[0054]5組2PSK調(diào)制器，采用二進制相移鍵控調(diào)制法，用于將擴頻碼序列調(diào)制到換能器的中心頻點上，由于水聲換能器本身具有較好的窄帶特性，本部分可考慮將結(jié)果用單比特形式表示，該裝置在可編程邏輯門陣列實現(xiàn)方便，占用邏輯資源較少；
[0055]5組近場固定焦點延時發(fā)射聚焦模塊，用于按預(yù)設(shè)焦點對每通道發(fā)射信號做延時，分別產(chǎn)生5組不同通道的發(fā)射信號，該部分可在可編程邏輯門陣列中用移位寄存器加多路選擇器的結(jié)構(gòu)來方便的實現(xiàn)；
[0056]80組累加器模塊，將每個焦點的相應(yīng)通道數(shù)據(jù)累加，直接利用可編程邏輯門陣列內(nèi)部邏輯資源即可方便實現(xiàn)；
[0057]80組功率發(fā)射模塊，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為大功率信號，該部分可以使用高效率的D類功放；
[0058]80組水聲換能器發(fā)射陣元，用于將電信號轉(zhuǎn)換為聲信號，該實例中采用180千赫茲為中心頻率的水聲發(fā)射換能器。
【權(quán)利要求】
1.一種基于編碼信號的同時多焦點淺水多波束接收動態(tài)聚焦系統(tǒng)，其特征在于:包括M個水聲換能器接收陣元、M個正交變換器、M個脈沖壓縮單元、擴頻序列選擇器和動態(tài)聚焦波束形成器， M個水聲換能器接收陣元接收多波束多焦點發(fā)射聚焦回波信號，將聲信號轉(zhuǎn)換為電信號，每個水聲換能器接收陣元對應(yīng)一個正交變換器，將電信號輸出給對應(yīng)的正交變換器； 正交變換器將接收到的電信號轉(zhuǎn)換為復(fù)數(shù)電信號，每個正交變換器對應(yīng)一個脈沖壓縮單元，將復(fù)數(shù)電信號輸出給對應(yīng)的脈沖壓縮單元； 擴頻序列選擇器包括時間計數(shù)器、多路選擇控制器和N個擴頻序列存儲器，時間計數(shù)器用于輸出時間信息給多路選擇控制器，N個擴頻序列存儲器用于存儲擴頻序列，多路選擇控制器根據(jù)焦點信息和時間信息，選擇一個擴頻存儲器中的擴頻序列輸出給M個脈沖壓縮單元； M組脈沖壓縮單元將接收到的擴頻序列與復(fù)數(shù)電信號進行脈沖壓縮，將結(jié)果輸出給動態(tài)聚焦波束形成器； 動態(tài)聚焦波束形成器根據(jù)目標(biāo)的距離和角度不同，計算目標(biāo)到達各水聲換能器接收陣元的聲程差，將聲程差轉(zhuǎn)化為相位差，將接收到的信號補償對應(yīng)的相位差，累加得到動態(tài)聚焦波束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于編碼信號的同時多焦點淺水多波束接收動態(tài)聚焦系統(tǒng)，其特征在于:所述的擴頻序列采用Kasami序列。
【文檔編號】G01S15/88GK104181540SQ201410452836
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月5日
【發(fā)明者】李海森, 魯東, 魏玉闊, 徐超, 陳寶偉, 周天, 李珊, 李若 申請人:哈爾濱工程大學(xué)