本發(fā)明涉及的是水下勘察、水下測(cè)繪等領(lǐng)域，更確切地說，涉及一種可廣泛應(yīng)用于水下地形以及各類水下結(jié)構(gòu)物、管線的精細(xì)三維測(cè)繪等領(lǐng)域的一體化多波束測(cè)深裝置。

背景技術(shù)：

水深測(cè)量是一種測(cè)定水底點(diǎn)至水面的高度和點(diǎn)的平面位置的工作，是海道測(cè)量和海底地形測(cè)量的中心環(huán)節(jié)，因此水深測(cè)量的最初目的是為船舶航行提供航道深度和確定航行障礙物的位置、深度和性質(zhì)。隨著水深測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的以保障航行為目的的水深測(cè)量逐步發(fā)展成相對(duì)獨(dú)立的技術(shù)門類，即水下地形測(cè)量。

水下地形測(cè)量是測(cè)量水底起伏形態(tài)和地物的工作，是陸地地形測(cè)量在水下的延伸，按照水域不同，又可劃分為內(nèi)水地形測(cè)量和海洋地形測(cè)量。同時(shí)在測(cè)量技術(shù)方面，水深測(cè)量經(jīng)歷了測(cè)繩重錘測(cè)量、單波束回聲測(cè)深、多波束回聲測(cè)深以及機(jī)載激光測(cè)深等幾個(gè)發(fā)展階段。

多波束測(cè)深系統(tǒng)是從單波束測(cè)深系統(tǒng)發(fā)展起來，能一次給出與航線相垂直的平面內(nèi)的幾十個(gè)甚至上百個(gè)深度，能夠精確、快速地測(cè)定沿航線一定寬度內(nèi)水下目標(biāo)的大小、形狀，從而較可靠地描繪出水下地形的精細(xì)特征，真正意義上實(shí)現(xiàn)了水下地形的面測(cè)量。與單波束回聲測(cè)深儀相比，多波束測(cè)深系統(tǒng)具有測(cè)量范圍大、速度快、精度和效率高等優(yōu)點(diǎn)。

目前，在水下地形測(cè)量領(lǐng)域所應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)和儀器是單波束回聲測(cè)深僅和多波束測(cè)深儀，而其中由于單波束測(cè)深儀操作簡便、設(shè)備成本相對(duì)較低，因此盡管多波束測(cè)深儀效率很高，但仍然沒有得到普及應(yīng)用。其主要原因是多波束測(cè)深系統(tǒng)的構(gòu)成及其復(fù)雜，除了多波束測(cè)深聲納之外，還需要額外配置定位設(shè)備、姿態(tài)測(cè)量設(shè)備、聲速測(cè)量裝置等，同時(shí)要求對(duì)各類設(shè)備的安裝位置和安裝偏差以及聲納吃水等進(jìn)行復(fù)雜的測(cè)前標(biāo)校等工作，因此測(cè)前準(zhǔn)備工作復(fù)雜，對(duì)操作人的要求很高。

而對(duì)于水下地形以及各類水下結(jié)構(gòu)物、管線的精細(xì)三維測(cè)繪等領(lǐng)域，尤其是機(jī)動(dòng)式、快速水下三維地形或目標(biāo)的勘察、測(cè)量領(lǐng)域的迫切需求，單波束測(cè)深儀已不能滿足測(cè)量精度要求，傳統(tǒng)的多波束測(cè)深儀由于其設(shè)備的復(fù)雜性及使用操作的繁瑣性也直接制約著其應(yīng)用，因此就必須有一種在使用過程中無需再配合額外的傳感器及額外標(biāo)校流程即可實(shí)現(xiàn)高精度水下測(cè)繪一體化的多波束測(cè)深裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于此，本發(fā)明公開了一種一體化多波束測(cè)深裝置，該裝置由水下聲學(xué)系統(tǒng)(101)、水上信號(hào)處理機(jī)(102)和控制計(jì)算機(jī)(103)三個(gè)主要部分組成，其中水下聲學(xué)系統(tǒng)(101)和水上信號(hào)處理機(jī)(102)通過水密電纜(104)進(jìn)行連接；水上信號(hào)處理機(jī)(102)和控制計(jì)算機(jī)(103)通過以太網(wǎng)線(105)進(jìn)行連接；水下聲學(xué)系統(tǒng)(101)包括同步信號(hào)生成單元(107)、信息采集與控制單元(106)、網(wǎng)絡(luò)通信單元2(108)、聲速傳感器(109)、溫度傳感器(110)、壓力傳感器(111)、姿態(tài)傳感器(112)、羅經(jīng)(113)、多通道陣列信號(hào)接收單元(114)、多通道接收換能器陣(115)、多通道陣列信號(hào)發(fā)生單元(116)和多通道發(fā)射換能器陣(117)，其中，多通道接收換能器陣(115)、多通道陣列信號(hào)接收單元(114)和信息采集與控制單元(106)依次相連，多通道發(fā)射換能器陣(117)、多通道陣列信號(hào)發(fā)生單元(116)和信息采集與控制單元(106)依次相連，同步信號(hào)生成單元(107)、網(wǎng)絡(luò)通信單元2(108)、聲速傳感器(109)、溫度傳感器(110)、壓力傳感器(111)、姿態(tài)傳感器(112)、羅經(jīng)(113)分別和信息采集與控制單元(106)單獨(dú)相連；水上信號(hào)處理機(jī)(102)包括信號(hào)處理單元(118)、網(wǎng)絡(luò)通信單元1(119)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)(120)、氣壓傳感器(121)、通信與控制單元(122)、GNSS天線(124)和GNSS模塊(123)，其中，信號(hào)處理單元(118)、網(wǎng)絡(luò)通信單元1(119)和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)(120)依次相連，氣壓傳感器(121)、通信與控制單元(122)和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)(120)依次相連；GNSS天線(124)與水上信號(hào)處理機(jī)(102)中的GNSS模塊(123)、通信與控制單元(122)依次相連；水上信號(hào)處理機(jī)(102)中的通信與控制單元(122)與水下聲學(xué)系統(tǒng)(101)中的同步信號(hào)生成單元(107)通過位于水密電纜中的數(shù)據(jù)與控制線相連；水上信號(hào)處理機(jī)(102)中的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)(120)與水下聲學(xué)系統(tǒng)(101)中的網(wǎng)絡(luò)通信單元2(108)通過位于水密電纜中的數(shù)據(jù)線相連。

本發(fā)明所公開的一種一體化多波束測(cè)深裝置，其依次相連的信號(hào)采集與控制單元(106)、網(wǎng)絡(luò)通信單元2(108)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)(120)、網(wǎng)絡(luò)通信單元1(119)、信號(hào)處理單元(118)、網(wǎng)絡(luò)通信單元1(119)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)(120)以及控制計(jì)算機(jī)(103)，構(gòu)成了回波信號(hào)處理與結(jié)果上傳回路。其中信號(hào)處理單元(118)包括原始數(shù)據(jù)分發(fā)模塊(201)、回波信號(hào)預(yù)處理模塊(202)、表面聲速信息預(yù)處理模塊(203)、姿態(tài)信息預(yù)處理模塊(204)、時(shí)延聚焦波束形成模塊(205)、水體信息提取模塊(206)、回波強(qiáng)度提取模塊(207)、實(shí)時(shí)地形檢測(cè)模塊(208)以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊(209)；其中，原始數(shù)據(jù)分發(fā)模塊(201)分別與網(wǎng)絡(luò)通信單元1(119)、回波信號(hào)預(yù)處理模塊(202)、表面聲速信息預(yù)處理模塊(203)和姿態(tài)信息預(yù)處理模塊(204)相連，接收網(wǎng)絡(luò)通信單元1(119)的原始數(shù)據(jù)信息并分別向回波信號(hào)預(yù)處理模塊(202)、表面聲速信息預(yù)處理模塊(203)和姿態(tài)信息預(yù)處理模塊(204)分發(fā)原始回波數(shù)據(jù)、表面聲速數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)；時(shí)延聚焦波束形成模塊(205)分別與回波信號(hào)預(yù)處理模塊(202)、表面聲速預(yù)處理模塊(203)、姿態(tài)信息預(yù)處理模塊(204)、水體信息提取模塊(206)、回波強(qiáng)度提取模塊(207)、實(shí)時(shí)地形檢測(cè)模塊(208)相連，接收經(jīng)過回波信號(hào)預(yù)處理模塊(202)、表面聲速信息預(yù)處理模塊(203)、姿態(tài)信息預(yù)處理模塊(204)預(yù)處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)延聚焦波束形成并分別向水體信息提取模塊(206)、回波強(qiáng)度提取模塊(207)和實(shí)時(shí)地形檢測(cè)模塊(208)發(fā)送波束形成結(jié)果；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊(209)分別與水體信息提取模塊(206)、回波強(qiáng)度提取模塊(207)、實(shí)時(shí)地形檢測(cè)模塊(208)和網(wǎng)絡(luò)通信單元1(119)相連，接收來自水體信息提取模塊(206)、回波強(qiáng)度提取模塊(207)和實(shí)時(shí)地形檢測(cè)模塊(208)的水體信息、回波強(qiáng)度和實(shí)時(shí)地形檢測(cè)數(shù)據(jù)并通過依次相連的網(wǎng)絡(luò)通信單元1(119)和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)(120)發(fā)送給控制計(jì)算機(jī)(103)。

本發(fā)明所公開的一種一體化多波束測(cè)深裝置，其依次相連的同步信號(hào)生成單元(107)、信息采集與控制單元(106)、多通道陣列信號(hào)發(fā)生單元(116)以及多通道發(fā)射換能器陣(117)，構(gòu)成了多通道陣列信號(hào)發(fā)射回路。其中多通道陣列信號(hào)發(fā)生單元(116)包括指令解析模塊(301)、程控電源模塊(302)、多通道時(shí)延控制模塊(303)、信號(hào)生成模塊(304)、功率放大模塊(305)和變壓器耦合模塊(306)；其中，指令解析模塊(301)分別與信息采集與控制單元(106)、程控電源模塊(302)、多通道時(shí)延控制模塊(303)和信號(hào)生成模塊(304)單獨(dú)相連；多通道時(shí)延控制模塊(303)與功率放大模塊(305)、變壓器耦合模塊(306)以及多通道發(fā)射換能器陣(117)依次相連；信號(hào)生成模塊(304)的輸出端與多通道時(shí)延控制模塊(303)相連，程控電源模塊(302)的輸出端與功率放大模塊(305)相連；指令解析模塊(301)接收來自信息采集與控制單元(106)的發(fā)射信號(hào)控制參數(shù)信息進(jìn)行指令解析并分別向程控電源模塊(302)、多通道時(shí)延控制模塊(303)和信號(hào)生成模塊(304)分發(fā)電壓控制信號(hào)、姿態(tài)參數(shù)以及發(fā)射信號(hào)參數(shù)；信號(hào)生成模塊(304)根據(jù)發(fā)射信號(hào)參數(shù)生成特定的發(fā)射信號(hào)，并輸出到多通道時(shí)延控制模塊(303)并生成含有時(shí)延信息的每個(gè)通道發(fā)射信號(hào)；程控電源模塊(302)根據(jù)電壓控制信號(hào)向功率放大模塊(305)提供特定的電源電壓，同時(shí)功率放大模塊(305)將多通道時(shí)延控制模塊(303)的輸出信號(hào)進(jìn)行放大，并通過變壓器耦合模塊(306)、多通道發(fā)射換能器陣(117)向水中發(fā)射聲波信號(hào)。

本發(fā)明所公開的一種一體化多波束測(cè)深裝置，其特征在于多通道接收換能器陣(115)、多通道陣列信號(hào)接收單元(114)以及信息采集與控制單元(106)依次相連，構(gòu)成多通道陣列信號(hào)接收回路。其中多通道陣列信號(hào)接收單元(114)包括差分信號(hào)輸出模塊(401)、差分放大器模塊(402)、差分轉(zhuǎn)單端模塊(403)、可變?cè)鲆娣糯笃髂K(404)、帶通濾波模塊(405)、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊(406)和增益控制模塊(407)；其中，多通道接收換能器陣(115)輸出的微弱電信號(hào)通過依次相連的差分信號(hào)輸出模塊(401)、差分放大器模塊(402)、差分轉(zhuǎn)單端模塊(403)、可變?cè)鲆娣糯笃髂K(404)、帶通濾波模塊(405)和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊(406)生成多通道數(shù)字信號(hào)并傳送給信息采集與控制單元(106)；增益控制模塊(407)分別與信息采集與控制單元(106)、可變?cè)鲆娣糯笃髂K(404)相連，接收信息采集與控制單元(106)的回波信號(hào)幅度信息，并產(chǎn)生增益控制信號(hào)調(diào)整可變?cè)鲆娣糯笃髂K(404)的放大倍數(shù)進(jìn)而調(diào)整接收信號(hào)的幅度。

本發(fā)明所公開的一種一體化多波束測(cè)深裝置，其控制計(jì)算機(jī)(103)根據(jù)位于水下聲學(xué)系統(tǒng)(101)中壓力傳感器(111)采集的靜水壓力數(shù)據(jù)以及位于水上信號(hào)處理機(jī)(102)氣壓傳感器(121)采集的大氣壓力數(shù)據(jù)通過解算獲得靜水狀態(tài)下的設(shè)備吃水深度

本發(fā)明所公開的一種一體化多波束測(cè)深裝置，其信號(hào)處理單元(118)根據(jù)溫度傳感器(110)采集的溫度數(shù)據(jù)修正多通道發(fā)射換能器陣(117)和多通道接收換能器陣(115)陣元間距由于溫度變化引起的形變。

本發(fā)明所公開的一種一體化多波束測(cè)深裝置，其同步信號(hào)生成單元(107)以GNSS模塊(123)產(chǎn)生的1PPS秒脈沖信號(hào)和UTC時(shí)間作為時(shí)間基準(zhǔn)，生成工作同步信號(hào)，并以此工作同步信號(hào)為基準(zhǔn)計(jì)量聲速傳感器(109)、溫度傳感器(110)、壓力傳感器(111)、姿態(tài)傳感器(112)、羅經(jīng)(113)所生成數(shù)據(jù)的絕對(duì)時(shí)間；同時(shí)以此工作同步信號(hào)為基準(zhǔn)，標(biāo)記聲納發(fā)射時(shí)間以及每個(gè)接收采樣點(diǎn)的絕對(duì)時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)具有完全一致的絕對(duì)時(shí)間信息。

本發(fā)明所公開的一種一體化多波束測(cè)深裝置，其基本原理是利用發(fā)射換能器基陣向海底發(fā)射寬覆蓋扇區(qū)的聲波，并由接收換能器基陣對(duì)海底回波進(jìn)行窄波束接收。通過發(fā)射、接收波束相交在海底與船行方向垂直的條帶區(qū)域形成數(shù)以百計(jì)的照射腳印(即交叉測(cè)量點(diǎn))，對(duì)這些腳印內(nèi)的反向散射信號(hào)同時(shí)進(jìn)行到達(dá)時(shí)間和到達(dá)角度的估計(jì)，從而計(jì)算得到該點(diǎn)的水深值。當(dāng)多波束測(cè)深聲納沿指定測(cè)線連續(xù)測(cè)量，即可對(duì)覆蓋范圍內(nèi)的水下地形進(jìn)行精細(xì)測(cè)量。傳統(tǒng)多波束測(cè)深聲納除了通過聲波發(fā)射與接收換能器陣進(jìn)行聲波廣角度定向發(fā)射、接收形成多個(gè)波束計(jì)算水深值外，還需要通過多種不同類型的傳感器，例如定位系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)傳感器、羅經(jīng)、聲速儀等，對(duì)各個(gè)目標(biāo)的空間位置進(jìn)行歸算，準(zhǔn)確檢測(cè)與識(shí)別海底目標(biāo)。

本發(fā)明所公開的一種一體化多波束測(cè)深裝置其優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)將所有輔助傳感器，包括GNSS定位系統(tǒng)、聲速傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、姿態(tài)傳感器、羅經(jīng)集成于一體，同時(shí)水下聲納系統(tǒng)中專門設(shè)計(jì)的信息采集與控制單元和同步信號(hào)生成單元對(duì)聲納數(shù)據(jù)、表面聲速數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)、靜水壓力以及溫度數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了完全同步式的實(shí)時(shí)采集，同時(shí)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)剿闲盘?hào)處理機(jī)中并與GNSS和氣壓計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有機(jī)融合，從而實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的同時(shí)間、同空間和同姿態(tài)的采集和處理，使得該裝置在使用過程中無需再配合額外的傳感器及額外標(biāo)校流程即可實(shí)現(xiàn)高精度水下測(cè)繪。

由此可見，本發(fā)明設(shè)計(jì)新穎、技術(shù)含量高、易于實(shí)現(xiàn)且成本較低，因此可廣泛適用于水下地形以及各類水下結(jié)構(gòu)物、管線的精細(xì)三維測(cè)繪等領(lǐng)域，而且更適合于機(jī)動(dòng)式、快速水下三維地形的測(cè)量領(lǐng)域。

附圖說明

為了使本發(fā)明的內(nèi)容更利于相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員理解，下面對(duì)附圖進(jìn)行簡單說明。

圖1為本發(fā)明所述的一體化多波束測(cè)深裝置的整體結(jié)構(gòu)組成框圖。

圖2為本發(fā)明所述的一體化多波束測(cè)深裝置中回波信號(hào)處理與結(jié)果上傳回路連接框圖。

圖3為本發(fā)明所述的一體化多波束測(cè)深裝置中多通道陣列信號(hào)發(fā)射回路連接框圖。

圖4為本發(fā)明所述的一體化多波束測(cè)深裝置中多通道陣列信號(hào)接收回路連接框圖。

圖5為本發(fā)明所述的一體化多波束測(cè)深裝置一種實(shí)施例中網(wǎng)絡(luò)通信單元實(shí)現(xiàn)電路原理圖。

圖6為本發(fā)明所述的一體化多波束測(cè)深裝置一種實(shí)施例中陣列信號(hào)發(fā)生單元中程控電源模塊的實(shí)現(xiàn)電路原理圖。

圖7為本發(fā)明所述的一體化多波束測(cè)深裝置一種實(shí)施例中Cyclone III系列FPGA模塊實(shí)現(xiàn)電路原理圖。

具體實(shí)施方案

下面結(jié)合附圖和本發(fā)明一種較佳的具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

作為本發(fā)明的一種較佳施例，該一體化多波束測(cè)深裝置，其聲學(xué)中心工作頻率可選為400kHz，多通道接收換能器陣(115)采用96元直線陣結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，陣元間距1.875mm，每個(gè)陣元形成水平150°垂直30°的接收指向性波束，從而全陣自然指向性為水平1°垂直30°的均勻接收線列陣；多通道發(fā)射換能器陣(117)都采用8元U型陣元組成的線陣結(jié)構(gòu)，陣元間距22.5mm，每個(gè)發(fā)射陣元形成水平150°垂直8°的發(fā)射指向性波束，多通道發(fā)射換能器陣(117)全陣形成的自然指向性為水平150°垂直1°。

作為本發(fā)明的一種較佳施例，該一體化多波束測(cè)深裝置，其聲學(xué)中心工作頻率也可選為200kHz，多通道接收換能器陣(115)采用96元直線陣結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，陣元間距3.75mm，每個(gè)陣元形成水平160°垂直30°的接收指向性波束，從而全陣自然指向性為水平1°垂直30°的均勻接收線列陣；多通道發(fā)射換能器陣(117)都采用24元U型陣元組成的線陣結(jié)構(gòu)，陣元間距15mm，每個(gè)發(fā)射陣元形成水平160°垂直24°的發(fā)射指向性波束，多通道發(fā)射換能器陣(117)全陣形成的自然指向性為水平160°垂直1°；

作為本發(fā)明的一種較佳施例，多通道接收換能器陣(115)與多通道發(fā)射換能器陣(117)組合形成一種T型結(jié)構(gòu)，水下聲學(xué)系統(tǒng)的電子倉采用TC4鈦合金材料或316L不銹鋼材料加工制成。

作為本發(fā)明的一種較佳施例，位于水上信號(hào)處理機(jī)(102)中的信號(hào)處理單元(118)由兩組圖7所示的Cyclone III系列FPGA模塊和一片TI公司TMS320C6678系列DSP完成。其中原始數(shù)據(jù)分發(fā)模塊(201)、回波信號(hào)預(yù)處理模塊(202)、表面聲速預(yù)處理模塊(203)、姿態(tài)信息預(yù)處理模塊(204)由一組FPGA模塊通過邏輯實(shí)現(xiàn)；時(shí)延聚焦波束形成模塊(205)由一組FPGA模塊通過邏輯實(shí)現(xiàn)；水體信息提取模塊(206)、回波強(qiáng)度提取模塊(207)、實(shí)時(shí)地形檢測(cè)模塊(208)由TMS320C6678 DSP芯片通過嵌入式程序?qū)崿F(xiàn)。

作為本發(fā)明的一種較佳施例，位于水上信號(hào)處理機(jī)(102)中的通信與控制單元(122)也由圖7所示的Cyclone III系列FPGA模塊實(shí)現(xiàn)；網(wǎng)絡(luò)通信單元1(119)和網(wǎng)絡(luò)通信單元2(108)由圖5所示的W5300網(wǎng)絡(luò)處理芯片實(shí)現(xiàn)。

作為本發(fā)明的一種較佳施例，位于水下聲學(xué)系統(tǒng)(101)中的同步信號(hào)生成單元(107)和信息采集與控制單元(106)由一組圖7所示的Cyclone III系列FPGA模塊通過邏輯實(shí)現(xiàn)；聲速傳感器(109)、溫度傳感器(110)、壓力傳感器(111)、姿態(tài)傳感器(112)、羅經(jīng)(113)均通過FPGA的通用IO接口與FPGA相連實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

作為本發(fā)明的一種較佳施例，多通道陣列信號(hào)發(fā)生單元(116)中的指令解析模塊(301)、多通道時(shí)延控制模塊(303)、信號(hào)生成模塊(304)由圖7所示的Cyclone III系列FPGA模塊通過邏輯實(shí)現(xiàn)；程控電源模塊(302)采用圖6所示的由MAX6495、IRFI4110GPBF和X9C103組成的程控電壓源實(shí)現(xiàn)，為采用標(biāo)準(zhǔn)D類功放實(shí)現(xiàn)的功率放大模塊(305)提供電源。

以上所述僅為發(fā)明的一種較佳可行施例，所述實(shí)施例并非用以限制本發(fā)明的專利保護(hù)范圍，因此凡是運(yùn)用本發(fā)明的說明書及附圖內(nèi)容所做的等同結(jié)構(gòu)變化，同理均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。