專利名稱：便攜式多波束測深儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及探測領域，具體涉及的是一種多波束測深儀。
(二)
背景技術：
隨著科學技術不斷發展，人類的活動空間已經基本上達到了世界的每一個角落。由于地 球上70%以上的面積都被水體覆蓋，其中包括海洋、江河湖泊和水庫等，因此很多科學和工 程領域都涉及到對水下地形的測量，例如水下施工、港口建設、航道測量等。
國外從上個世紀中期就開始研制水下地形探測設備，經過幾十年的發展更迭，從開始的 單波束測深儀，到后來的多波束測深儀，已形成了系列化的產品以滿足用戶的不同需求。而 在國內，目前能夠査閱到的關于水下地形探測設備的資料、專利以及產品，涉及的基本都是 單波束測深儀(單頻或雙頻)。這種原型誕生于上個世紀50年代的測深儀的出現曾經為人類開 發利用海洋和江河湖泊帶來極大的便利，但在今天，它們的缺陷已大大限制了我國社會曰益 頻繁的水事活動。
單波束測深儀的工作原理為向測量船正下方發射探測超聲波，通過測量發射與接收聲
波之間的時間差來測量水深。單波束測深儀的根本缺陷在于，每次只能給出測量船正下方的 水深，因此只能實現"點-線"測量，在大面積測量時效率很低。另外，為了避免測量船縱、
橫搖的影響，單波束測深儀要求比較寬的波束(通常在土io。左右)，這也導致測量精度較低。
山于上述這兩方面的限制決定了單波束測深儀已經不適合當前繁多水事活動迫切需求。 多波束測深理論是上個世紀八十年代初提出的，其將傳統的"點-線"測量，擴展為"線
-面"，從而極大地提高了測量效率。由于多波束測深儀采用了預成多波束技術，因此波束角
都相對較窄，再加上先進的新好處理方法，可以大大提高的測量精度。
由于我國的水下地形測量技術與設備的研制大大落后于西方國家，因此目甜國內所適用
的多波束測量設備主要以進口國外的水下地形探測設備為主，然而這些設備價格品貨，并曰.
安裝、使用和維護等多有不便，種種客觀事實清楚表明了我國對便于安裝、使用的低成本水
下地形探測設備的強烈需求。
發明內容
本實用新型的目的在于提供一種可以便利的攜帶到不同水域進行水下地形測量的低成 本、高效率、便于安裝和使用的便攜式多波束測深設備。
本實用新型的目的是這樣實現的它包括水上控制處理分機1、收發合置換能器陣2和
收發轉換電路3，所述的水上控制處理分機l由工控機8、可編程信號源4、信號發射系統5、
信號調理系統7、信號采集與處理系統6、顯示器9、海量存儲器10和輔助測量設備接口 11
組成；其中，工控機8、可編程信號源4、信號發射系統5與收發轉換電路3依次電信號連接； 收發轉換電路3與信號調理系統7、信號采集與處理系統6、工控機8、海量存儲器10依次 電信號連接；信號采集與處理系統6與輔助測量設備接口 11電信號連接；工控機8與顯示器 9之間電信號連接；收發轉換電路3與換能器陣2之間電信號連接。 本實用新型還有這樣一些特征
1、 所述的可編程信號源4由數字信號處理器DSP13、總線控制器12、數模變換器14和 波形整形電路15組成；其中，總線控制器12、 DSP13、數模變換器14與波形整形電路15 依次電信號連接；
2、 所述的信號采集與處理系統6由總線接口控制器16、高速存儲器17、中央邏輯控制 器24、模數變換器25、自動增益控制器26、數據采集DSP23,、數據處理DSP1、數據處理 DSP2、數據處理DSP3、數據處理DSP4和輔助設備數據采集與系統控制DSP20組成；其屮， 總線接口控制器16與高速存儲器17、中央邏輯控制器24之間依次電信號連接；總線接口控 制器16又與輔助設備數據采集與系統控制DSP20、輔助測量設備接口 11之間依次電信號連 接;輔助設備數據采集與系統控制DSP20與中央邏輯控制器24電信號連接；數據采集DSP23、 數據處理DSP1 、數據處理DSP2、數據處理DSP3、數據處理DSP4與高速存儲器17之間電 信號連接；數據采集DSP23、模數變換器25、自動增益控制器26之間電信號連接；同時數 據處理DSP1、數據處理DSP2、數據處理DSP3和數據處理DSP4構成并行處理網絡；
3、 所述的收發合置換能器陣2是由等間距多通道換能器組成的均勻線陣，安裝方式采用 船底龍骨固定或船舷懸掛。
本實用新型利用多通道收發合置換能器陣和預成多波束技術，解決了一個測量周期內得 到多個水深數據(21個)問題，大大提高測量效率；利用回波信號的能量中心檢測大大提高了 測量的精度；利用先進的信號處理器和大規模進程電路使得系統具有體積小、重量輕、便于 安裝和使用的特點。
其中，水上控制處理分機1完成對整個系統運行的控制，信息的實時采集處現、顯示及 存儲。水上控制處理分機l由工控機8、可編程信號源4、信號發射系統5、信號調理系統7、 信號采集與處理系統6、顯示器9、海量存儲器10和輔助測量設備接口11組成；其中，工控 機8、可編程信號源4、信號發射系統5與收發轉換電路3依次采用電信號連接；收發轉換電 路3與信號調理系統7、信號采集與處理系統6、工控機8、海量存儲器10依次采用電信號 連接；信號采集與處理系統6與輔助測量設備接口 ll采用電信號連接；工控機8與顯示器9 之間電信號連接；收發轉換電路3與換能器陣2之間采用電信號連接。
收發合置換能器陣2是由等間距多通道換能器組成的均勻線陣，其通道數由探測指標的
要求決定，其安裝方式可采用船底龍骨固定或船舷懸掛。其結合收發轉換電路3，在發射探 測信號時，將電信號轉換為聲波發射出去，而在接收水底回波時，將聲信號轉換為電信號， 傳給水上控制處理分機l。
可編程信號源4的任務是接收工控機8的工作參數和控制命令，并產生脈沖寬度和發射 周期可調的探測脈沖波形，其組成包括數字信號處理器DSPD、總線控制器12、數模變換 器14和波形整形電路15組成；其中，總線控制器12、 DSP13、數模變換器14與波形整形電 路15依次采用電信號連接，另外其所產生的信號形式、脈沖寬度、脈沖間隔可通過程序控制。
信號發射系統5完成探測脈沖信號的功率放大和發射，并與收發合置換能器陣2進行阻 抗匹配。
信號調理系統7完成對由收發合置換能器陣2所獲得的多通道水底回波進行調理，fe要 包括信號的方法和濾波。
信號采集與處理系統6的任務是完成對信號調理系統7送來的信號進行采集和處理、接 收工控機3給出的控制命令并實時設置系統工作參數、產生協調整個系統工作的同步信號， 其構成包括總線接口控制器16、高速存儲器17、中央邏輯控制器24、模數變換器25、自 動增益控制器26、數據采集DSP23、數據處理DSP1、數據處理DSP2、數據處理DSP3、數 據處理DSP4和輔助設備數據采集與系統控制DSP20組成；其中，總線接口控制器16與島 速存儲器17、中央邏輯控制器24之間依次采用電信號連接；總線接口控制器16又與輔助設 備數據采集與系統控制DSP20、輔助測量設備接口 ll之間依次采用電信號連接；輔助設備數 據采集與系統控制DSP20與中央邏輯控制器24采用電信號連接；數據采集DSP23、數據處 理DSP1 、數據處理DSP2、數據處理DSP3、數據處理DSP4與高速存儲器17之間采用4i倍 號連接；數據采集DSP23、模數變換器25、自動增益控制器26之間采用電信號連接；同時 數據處理DSP1 、數據處理DSP2、數據處理DSP3和數據處理DSP4構成并行處理網絡。
本實用新型的工作原理是:
便攜式多波束測深儀安裝在水面測量船上，換能器陣2位于水下。當測量船在作業水域 內開始測量時，便攜式多波束測深儀操作人員，根據作業海區的大致情況，通過顯示控制軟 件設定系統的工作參數，并通過控制軟件啟動系統開始工作。可編程信號源4產生頻率為180 千赫茲的CW脈沖，通過信號發射系統5放大，經由換能器陣2把電信號轉換成聲信號發射 到水中傳送出去，發射出去的聲波被水底反射散射回來，換能器陣2把接收到的盧信號轉換 為電信號，傳送給信號調理系統7，繼而將調理后的信號送至信號采集與處理系統6進行采 集和處理，從而獲取探測范圍內的多點水深數據，并經由計算機總線傳給工控機8，在顯示 器9上實時顯示出觀測到的各種信息，同時將這些信息存入海量存儲器10。
本實用新型的優點是將傳統的"點-線"測量升級"線-面"測量，能夠高效、準確的 獲取水深數據，從而形成二維或三維水下地形圖。它利用多通道換能器陣和預成多波束技術， 一次測量可以得到多點的水深數據，從而快速、準確的獲得海底地形、地貌等信息，提高了 測量的準確性和工作效率，另外它采用了大規模集成電路技術使得自身體積大大減小，換能 器基陣可以采用船舷懸掛的方式從而具有便于安裝和使用的便攜式特性。本實用新型可廣泛 用于淺海和內陸湖泊江河的水下地形測量，適用于海洋工程、海道測量、海洋資源調杳、打 撈救生、港口建設、水庫測量、抗洪搶險以及知道河道疏浚、水上安全航行等。
圖1是便攜式多波束測深儀的結構原理框圖2是便攜式多波束測深儀的分系統結構框圖3是便攜式多波束測深儀自動增益控制電路原理圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一歩的具體說明
結合圖l-2，本實用新型包括水上控制處理分機l、收發合置換能器陣2和收發轉換電路
3，所述的水上控制處理分機l由工控機8、可編程信號源4、信號發射系統5、信號調理系
統7、信號采集與處理系統6、顯示器9、海量存儲器10和輔助測量設備接口 11組成；其中，
工控機8、可編程信號源4、信號發射系統5與收發轉換電路3依次電信號連接；收發轉換電
路3與信號調理系統7、信號采集與處理系統6、工控機8、海量存儲器10依次電信號連接；
信號采集與處理系統6與輔助測量設備接口 11電信號連接；工控機8與顯示器9之間電倍號
連接；收發轉換電路3與換能器陣2之間電信號連接。所述的可編程信號源4由數字信號處
理器DSP13、總線控制器12、數模變換器14和波形整形電路15組成；其中，總線控制器12、
DSP13、數模變換器14與波形整形電路15依次電信號連接；所述的信號采集與處理系統6
由總線接口控制器16、高速存儲器17、中央邏輯控制器24、模數變換器25、自動增益控制
器26、數據采集DSP23、數據處理DSP1、數據處理DSP2、數據處理DSP3、數據處理DSP4
和輔助設備數據采集與系統控制DSP20組成；其中，總線接口控制器16與高速存儲器17、
中央邏輯控制器24之間依次電信號連接；總線接口控制器16又與輔助設備數據采集與系統
控制DSP20、輔助測量設備接口11之間依次電信號連接;輔助設備數據采集與系統控制DSP20
與中央邏輯控制器24電信號連接；數據采集DSP23、數據處理DSP1、數據處理DSP2、數
據處理DSP3、數據處理DSP4與高速存儲器17之間電信號連接；數據采集DSP23、模數變
換器25、自動增益控制器26之間電信號連接；同時數據處理DSP1、數據處理DSP2、數據
處理DSP3和數據處理DSP4構成并行處理網絡；所述的收發合覽換能器陣2是由等間距多
通道換能器組成的均勻線陣，安裝方式采用船底龍骨固定或船舷懸掛。 其中，各部分的作用分別說明如下
在工控機8上運行的系統實時顯示控制軟件，通過計算機總線，利用鼠標或鍵盤分別輸 入工作參數和控制命令至可編程信號源4上的DSP13和信號采集與處理系統6上的輔助設備 數據采集與系統控制DSP20，控制命令包括啟動命令、暫停命令、停止命令，工作參數包 括脈沖長度、發射功率級、探測周期；還可以實時顯示從數據采集與處理系統6傳送來的 多點水深數據，并將這些信息存入海量存儲器10。
所述的可編程信號源4通過程序控制所產生的信號形式、脈沖寬度和脈沖間隔；可編程
信號源4上的DSP13通過總線控制接收來自工控機8的工作參數和控制命令，產生采樣信號， 通過數模變換器14、波形整形電路15和收發轉換電路3將電信號送至換能器陣2，再由換能 器2將電信號轉變為聲信號傳入水中。信號源最終所產生的信號形式為200千赫茲的單頻填 充脈沖信號。
經過一段發射混響持續時間后，收發轉換電路3將狀態變為接收，水底回波通過換能器 陣2、收發轉換電路3進入信號調理系統7進行預放大和濾波之后，通過自動增益控制電路 26進入模數變換器25，信號采集與處理系統6上的數據采集DSP23通過模數變換器25釆集 每個通道的回波數據，并監視回波的幅度，根據回波幅度的大小不同調整自動增益控制器26 的放大量將回波的幅度控制在合適的量級。數據采集DSP23將有效的回波數據分給由數據處 理DSP1 、數據處理DSP2、數據處理DSP3數據處理DSP4組成的并行處理網絡進行深度估 計，并將處理結果通過中央路基控制器24存入高速存儲器17中，工控機8通過總線接口控 制器16將水深數據讀回在顯示器9上顯示，并同時將測量結果存入海量存儲器10中，從而 完成一次測量。輔助測量設備接口 11與姿態傳感器和GPS系統相連為測量提供導航定位和 在西姿態信息。
收發合置換能器陣2采用8個陶瓷窄條晶片拼接組成。形成8。x60。的發射指向性，以及 8。x2.5。的接收指向性。
本實用新型的換能器陣2安裝在船龍骨下方或者舷側，為了保證探測效果，安裝時，換能 器陣2的中軸線盡量與水面平行。從減少航行噪聲(機械傳導噪聲和螺旋槳噪聲)、減少或避開 氣泡層等方面考慮，換能器陣2盡量選擇在船舶航行時產生水花最小及船體顛簸、搖擺幅度也 最小的地方， 一般在離船艏三分之一至五分之二的位置，而且吃水深度不應超過龍骨的深度。 系統中所有的DSP都采用美國TI公司的TMS320VC5416-160MHz,可編程信號源4的總線接U 控制器12采用的是TI公司的PCI2040，數模變換器14采用的是AD公司的AD7945，波形整形電 路15中的濾波器采用AD公司的運算放大器AD8066構成，信號采集與處理系統6中的總線接口
控制器16采用的是AMCC公司的S5933，中央邏輯控制器24采用的是ALTERA公司的 EPM3512，模數變換器25選用的是AD公司的AD7865，信號調理系統7中的預放和濾波器采用 AD公司的運算放大器AD8066構成，自動增益控制電路26采用AD公司的乘法數模轉換器 AD7945實現。
由220V AC或48V DC給系統上電后，可編程信號源4和信號采集'i處理系統6分別引 導程序，進入待機狀態，啟動水上控制處理分機l內的顯示控制軟件，進行參數設置。發射 聲功率(標準、強)兩檔可調，探測脈沖長度(0.25ms、 0.5ms、 lms、 2ms)四檔可調，探測周期 (0.25s、 0.5s、 ls、 2s)四檔可調。
完成工作參數設置后，按啟動命令使便攜式多波束測深儀丌始工作，工作流程為信號 源4按照設定的工作參數產生對應的探測信號，通過信號發射系統5以定的功率發射出去。 信號調理系統7在信號發射系統5的探測信號發射完畢后開始接收。同時，信號采集與處理 系統6中的數據采集DSP23開始采集，并送入由數據處理DSP1、數據處理DSP2數據處理 DSP3和數據處理DSP4組成的并行處理網絡進行深度估計，從而得到多點的水深數據，工控 機8通過總線接口控制器16讀回水深數據，并在顯示器9上顯示，同時將測量結果存入海量 存儲器10。
結合圖3，本實用新型采用了大規模集成電路進行電路控制，僅以自動增益控制電路為 例，圖中U7為鎖存器，選用元件型號為SN7416543，用于鎖存增益控制碼；U8、 U9、 U10 為四與門，選用元件型號為SN74LV08A，用于將增益控制碼與一方波信號進行與運算輸出具 有一定頻率的增益碼至乘法DA進行增益控制。本實用新型中其它部分的控制電路均可采用 現有技術實現，這里就不一一細舉。
權利要求1.一種便攜式多波束測深儀，它包括水上控制處理分機(1)、收發合置換能器陣(2)和收發轉換電路(3)，其特征在于所述的水上控制處理分機(1)由工控機(8)、可編程信號源(4)、信號發射系統(5)、信號調理系統(7)、信號采集與處理系統(6)、顯示器(9)、海量存儲器(10)和輔助測量設備接口(11)組成；其中，工控機(8)、可編程信號源(4)、信號發射系統(5)與收發轉換電路(3)依次電信號連接；收發轉換電路(3)與信號調理系統(7)、信號采集與處理系統(6)、工控機(8)、海量存儲器(10)依次電信號連接；信號采集與處理系統(6)與輔助測量設備接口(11)電信號連接；工控機(8)與顯示器(9)之間電信號連接；收發轉換電路(3)與換能器陣(2)之間電信號連接。
2. 根據權利要求1所述的便攜式多波束測深儀，其特征在于所述的可編程信號源(4)由數 字信號處理器DSP(13)、總線控制器(12)、數模變換器(14)和波形整形電路(15)組成；其中， 總線控制器(12)、 DSP(13)、數模變換器(14)與波形整形電路(15)依次電信號連接。
3. 根據權利要求1所述的便攜式多波束測深儀，其特征在于所述的信號采集與處理系統 (6)由總線接口控制器(16)、高速存儲器(17)、中央邏輯控制器(24)、模數變換器(25)、自動增 益控制器(26)、數據采集DSP(23)、數據處理DSP1(18)、數據處理DSP2(19)、數據處理 DSP3(21)、數據處理DSP4(22)和輔助設備數據采集與系統控制DSP(20)組成；其中，總線接 口控制器(16)與高速存儲器(17)、中央邏輯控制器(24)之間依次電信號連接；總線接口控制器 (16)又與輔助設備數據采集與系統控制DSP(20)、輔助測量設備接口(11)之間依次電信號連接； 輔助設備數據采集與系統控制DSP(20)與中央邏輯控制器(24)電信號連接;數據采集DSP(23)、 數據處理DSP1(18)、數據處理DSP2(19)、數據處理DSP3(21)、數據處理DSP4(22)與高速存 儲器(17)之間電信號連接；數據采集DSP(23)、模數變換器(25)、自動增益控制器(26)之間電 信號連接；同時數據處理DSP1(18)、數據處理DSP2(19)、數據處理DSP3(21)和數據處理DSP4 (22)構成并行處理網絡。
4. 根據權利要求1所述的便攜式多波束測深儀，其特征在于所述的收發合置換能器陣(2) 是由等間距多通道換能器組成的均勻線陣，安裝方式采用船底龍骨固定或船舷懸掛。
專利摘要本實用新型涉及一種便攜式多波束測深儀，它包括水上控制處理分機、收發合置換能器陣和收發轉換電路；其中，水上控制處理分機主要由工控機、可編程信號源、信號發射系統、信號調理系統、信號采集與處理系統、顯示器和海量存儲器組成。本實用新型它利用多通道換能器陣和預成多波束技術，一次測量可以得到多點的水深數據，從而快速、準確的獲得海底地形、地貌等信息，提高了測量的準確性和工作效率，換能器基陣采用船舷懸掛的方式從而具有便于安裝和使用的便攜式特性。本實用新型可廣泛用于淺海和內陸湖泊江河的水下地形測量，適用于海洋工程、海道測量、海洋資源調查、打撈救生、港口建設、水庫測量、抗洪搶險以及知道河道疏浚、水上安全航行等。
文檔編號G01B15/00GK201007741SQ20062016696
公開日2008年1月16日 申請日期2006年12月31日 優先權日2006年12月31日
發明者彬 么, 天 周, 張宏宇, 朱志德, 李思純, 李海森, 樊世斌, 陳寶偉, 魏玉闊 申請人:哈爾濱工程大學