一種緊湊型水下微地形測量儀的制作方法

一種緊湊型水下微地形測量儀的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種高性能、高效率的緊湊型水下微地形測量儀，包括水下接收分機、水下發射分機以及連接二者的電纜，其中，水下接收分機包括多通道接收換能器陣、多通道信號調理裝置、信號采集預處理及存儲裝置、數據處理與通訊裝置；水下發射分機包括信號產生裝置、信號發射裝置以及多通道發射換能器陣其采用了特別設計的多通道發射換能器陣和高性能的多通道接收換能器陣，結合高效先進的信號處理算法，能夠獲得超寬覆蓋海底微地形信息、提高了儀器的可靠性和靈活性、改善儀器的性能成本比，極大地提高了海洋測繪效率。本發明還可廣泛用于水上交通安全保障、航道疏浚、抗洪搶險、以及水下定位導航與定位、海底電纜鋪設等眾多應用場合。
【專利說明】一種緊湊型水下微地形測量儀【技術領域】
[0001]本發明涉及水下探測領域，具體涉及一種水下微地形信息高效獲取的緊湊型測量儀器。
【背景技術】 [0002]二十一世紀是海洋世紀，對水下地形的高效遙測是海洋資源探測、海洋工程、航道勘查等領域人類水上活動的必需條件。而穿透水體獲取水下地形信息主要借助于聲學探測設備。
[0003]國外從上個世紀中期就開始研制水下地形探測聲學設備，經過幾十年的發展更迭，從開始的單波束測深儀，到現在的多波束測深儀，已形成了系列化的產品以滿足用戶的不同需求；在國內，目前能夠查閱到的關于水下地形探測設備的資料、專利以及產品也包括了單波束測深儀和多波束測深儀兩類。
[0004]單波束測深儀的工作原理為:向測量船正下方發射單波束探測聲波，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，直接導致了測量成本的提高，而且得到的測量結果也不能實現全覆蓋測量。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±10°左右)，這導致測量精度較低。由于上述這兩方面的原因決定了單波束測深儀已經不適合當前繁多水事活動的迫切需求。
[0005]多波束測深儀的工作原理為:向測量船正下方發射寬覆蓋扇面的探測聲波，通過測量發射與垂直于船行方向的扇面內許多個角度接受聲波之間的時間差來同時獲取寬條帶上的多個水深點，其將傳統的“點-線測量”擴展為“線一面測量”，從而極大地提高了測量效率。
[0006]我國是海洋大國卻不是海洋強國，最重要的原因之一是我國的水下地形測量等技術和設備大大落后于西方國家。進口國外高性能多波束測深儀存在價格昂貴、使用維護不便等眾多弊端。因此，研制具有自主知識產權的高性能多波束測深儀勢在必行。
[0007]國內關于多波束測深儀系統設計方面的專利，目前只有兩項:“便攜式多波束測深儀(ZL200610151239.4) ”和“多波束寬覆蓋海底地形地貌探測裝置(ZL200610151240.7) ”，依據這兩項專利研制的相關產品已在國內市場獲得了推廣和應用，較好滿足了部分用戶的需求。但隨著用戶對設備性能要求的提高，電子技術的發展，這兩項專利產品暴露出一些不足，如:采用了水下分機和水上分機的分體結構，不僅增加了數據傳輸的負擔，并且設備體積龐大，不便于攜帶安裝使用；采用一體化工控機進行系統控制，靈活性差；采用了多個DSP處理器進行并行數據處理，不僅增大了電路的體積、功耗以及數據傳輸的風險，而且性能成本比低；采用均勻發射弧陣不利于實現超寬覆蓋測量等。
[0008]本發明中擬對這些不足之處進行進一步創新改進，以提升新專利產品的性能，更好地滿足國內用戶的需求。
【發明內容】

[0009]本發明所要解決的技術問題是:提供一種高性能、高效率的緊湊型水下微地形測量儀。
[0010]為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為:一種緊湊型水下微地形測量儀，包括:第一電纜、水下接收分機、水下發射分機以及連接水下接收分機和水下發射分機的第二電纜，水下接收分機包括多通道接收換能器陣、多通道信號調理采集及存儲裝置、數據處理與通訊裝置；水下發射分機包括信號產生裝置、信號發射裝置以及多通道發射換能器陣，其中，第一電纜、數據處理與通訊裝置、第二電纜、信號產生裝置、信號發射裝置和多通道發射換能器陣依次電信號連接；多通道接收換能器陣、多通道信號調理采集及存儲裝置與數據處理與通訊裝置依次電信號連接。
[0011]所述的數據處理與通訊裝置由網絡通訊模塊、第一邏輯控制器、第一 DSP處理器、第二 DSP處理器、第二邏輯控制器和第三邏輯控制器組成，其中，第一邏輯控制器分別和第一 DSP處理器、第二 DSP處理器、第二邏輯控制器、第三邏輯控制器、第四邏輯控制器電信號連接；第二邏輯控制器、第一 DSP處理器和第一邏輯控制器依次電信號連接；第三邏輯控制器、第二邏輯控制器和第一邏輯控制器依次電信號連接；第一邏輯控制器和網絡通訊模塊相互間電信號連接。
[0012]所述的多通道信號調理采集及存儲裝置由第四邏輯控制器、模數轉換器組、固定增益放大器組、帶通濾波器組、可變增益放大器組、帶通濾波器組和海量存儲器組成，其中，帶通濾波器組、可變增益放大器組、帶通濾波器組、固定增益放大器組、模數轉換器組和第四邏輯控制器依次電信號連接；第四邏輯控制器和海量存儲器電信號連接。
[0013]所述的信號產生裝置由第五邏輯控制器組成。
[0014]所述的信號發射裝置由功率管驅動器組、功率放大器組和阻抗匹配器組組成，其中，功率管驅動器組、功率放大器組和阻抗匹配器組依次電信號連接。
[0015]所述的多通道發射換能器陣是由多通道、等間距的非均勻加權弧形陣元組成的弧陣。
[0016]所述的多通道接收換能器陣是由多通道、等間距方形陣元組成的均勻線陣。
[0017]本發明利用多通道發射非均性弧形換能器陣實現探測超聲波的超寬覆蓋，高效先進的信號處理方法完成對海底水下微地形信息的高精度獲取，創新的一體化組成架構保證了儀器的緊湊型和性能的可靠性。
[0018]其中，第一電纜不僅給水下接收分機和水下發射分機提供電源，而且還下行傳輸輔助設備(姿態傳感器、聲速儀等產品)的測量信息、用戶通過通用計算機上運行的控制軟件設定的工作參數和控制命令，并且可以上行傳輸微地形測量結果至通用計算機實時顯示和存儲；
[0019]水下接收分機的任務包括:多通道接收換能器陣完成目標散射回波信號由聲信號到電信號的轉換；多通道信號調理采集及存儲裝置完成對轉換后的電信號的濾波、放大、采集和存儲；數據處理與通訊裝置產生協調水下接收分機和水下發射分機工作的同步信號、實時解算水下微地形信息并上行傳輸、接收第一電纜下行傳輸的工作參數和控制命令，并通過第二電纜轉發至控制水下發射分機；
[0020]水下發射分機的任務包括:信號產生裝置根據工作參數和控制命令產生探測信號；信號發射裝置完成探測信號的放大，并根據多通道發射換能器陣的性能參數進行阻抗匹配；驅動多通道發射換能器陣將匹配后的大功率電信號轉換為聲信號輻射到水中。
[0021]本發明的有益效果是:能夠獲得超寬覆蓋海底微地形信息，提高了儀器的可靠性和靈活性，改善了儀器的性能成本比，極大地提高了海洋測繪效率。本發明可以廣泛用于水上交通安全保障、航道疏浚、抗洪搶險、以及水下定位導航與定位、海底電纜鋪設、障礙物探測與沉物打撈、水庫容量預測、堤壩橋墩泥沙淤積測量，甚至水下考古調查等眾多應用場
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【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本發明所述的緊湊型水下微地形測量儀的結構原理框圖。
[0023]圖2是本發明所述的緊湊型水下微地形測量儀的分裝置結構框圖。
[0024]圖3是本發明所述的緊湊型水下微地形測量儀的信號采集預處理及存儲裝置的電路原理圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖，詳細描述本發明所述的緊湊型水下微地形測量儀的具體實施方案:
[0026]結合圖1，本發明所述的緊湊型水下微地形測量儀，包括:第一電纜1、水下接收分機2、水下發射分機3、以及連接水下接收分機2、水下發射分機3的第二電纜4，水下接收分機2主要由多通道接收換能器陣7、多通道信號調理采集及存儲裝置6、數據處理與通訊裝置5組成；水下發射分機3主要由信號產生裝置8、信號發射裝置9以及多通道發射換能器陣10組成，其中，第一電纜1、數據處理與通訊裝置5、第二電纜4、信號產生裝置8、信號發射裝置9和多通道發射換能器陣10依次電信號連接；多通道接收換能器陣7、多通道信號調理采集及存儲裝置6與數據處理與通訊裝置5依次電信號連接。
[0027]結合圖2，所述的數據處理與通訊裝置5由網絡通訊模塊11、第一邏輯控制器12、第一 DSP處理器13、第二 DSP處理器14、第二邏輯控制器15和第三邏輯控制器16組成，其中，第一邏輯控制器12分別與第一 DSP處理器13、第二 DSP處理器14、第二邏輯控制器15、第三邏輯控制器16電信號連接；第二邏輯控制器15、第一 DSP處理器13和第一邏輯控制器12依次電信號連接；第三邏輯控制器16、第二邏輯控制器15和第一邏輯控制器12依次電信號連接；第一邏輯控制器12和網絡通訊模塊11相互間電信號連接；所述的多通道信號調理采集及存儲裝置6由第四邏輯控制器17、模數轉換器組18、固定增益放大器組19、帶通濾波器組20、可變增益放大器組21、帶通濾波器組22和海量存儲器23組成，其中，帶通濾波器組22、可變增益放大器組21、帶通濾波器組20、固定增益放大器組19、模數轉換器組18和第四邏輯控制器17依次電信號連接；第四邏輯控制器17和海量存儲器23電信號連接；所述的信號產生裝置8由第五邏輯控制器24組成；所述的信號發射裝置9由功率管驅動器組25、功率放大器組26和阻抗匹配器組27組成，其中，功率管驅動器組25、功率放大器組26和阻抗匹配器組27依次電信號連接；所述的多通道發射換能器陣10是由多通道、等間距的非均勻加權弧形陣元組成的弧陣；所述的多通道接收換能器陣7是由多通道、等間距方形陣元組成的均勻線陣。[0028]其中，各部分的作用分別說明如下:
[0029]在通用計算機上運行的儀器實時顯示控制軟件，利用鼠標或鍵盤分別輸入工作參數和控制命令，并實時獲取輔助測量設備的測量數據，通過第一電纜1，發送至數據處理與通訊裝置5上的網絡通訊模塊11，并由第一邏輯控制器12進行轉發至第一 DSP處理器13、第二 DSP處理器14、第二邏輯控制器15、第三邏輯控制器16以及信號產生裝置8上的第五邏輯控制器24。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、發射聲源級、探測周期、深度范圍、增益曲線類型；還可以實時顯示輔助測量設備的輸出信息、解算出的水下微地形信息，并將這些信息存入通用計算機的硬盤存儲器。
[0030]第一邏輯控制器12負責通過第一電纜I下行傳輸的控制命令、工作參數以及輔助測量設備數據的接收，根據獲取的母船姿態信息通過第二電纜4向控制信號產生裝置8上的第五邏輯控制器24發送探測信號產生要求，提供水下接收分機2和水下發射分機3的同步工作脈沖。第二邏輯控制器15和第三邏輯控制器16功能相同，根據接收到的工作參數對接收到從第四邏輯控制器17發送來的多通道采集數據，進行波束形成和濾波算法，其中第二邏輯控制器15完成左側波束形成和濾波算法、第三邏輯控制器16完成右側波束形成和濾波算法；第一 DSP處理器13和第二 DSP處理器14功能相同，其中第一 DSP處理器13根據接收到的工作參數對第二邏輯控制器15發送的左側波束形成結果進行左側微地形信息解算，第二 DSP處理 器14根據接收到的工作參數對第二邏輯控制器16發送的右側波束形成結果進行右側微地形信息解算，第一邏輯控制器12接收到左、右側微地形信息后，通過網絡通訊模塊11和第一電纜I上行傳輸結果至通用計算機進行顯示和存儲。
[0031]多通道信號調理采集及存儲裝置6中的帶通濾波器組22和20是利用運算放大器構建的有源二階帶通濾波器組，在信號接收頻帶內起伏較小，通帶內外的抑制比達到了40dB，用來濾除信號中的噪聲；可變增益放大器組21對信號進行放大(放大倍數可調)；固定增益放大器組19是一個固定增益達20dB的放大器組，進一步放大信號；模數轉換器組18采集來自固定增益放大器組19輸出的模擬信號；第四邏輯控制器17負責產生控制模數轉換器組18正常工作的時序，并將采集到的數據存入海量存儲器23，同時還根據工作參數提供可變增益放大器組21需要的放大倍數。
[0032]信號產生裝置8中的第五邏輯控制器24根據接收到的工作參數產生200kHz的方波信號，通過信號發射裝置9中的功率管驅動器組25進行升壓和電流驅動后，通過功率放大器組26進行功率放大，在功率放大器組26和多通道發射換能器陣10之間還有阻抗匹配器組27，其功能就是利用匹配電感和電阻與多通道發射換能器陣10進行很好的匹配，從而得到更高的電一聲轉換效率。
[0033]所述的多通道發射換能器陣10由27條陶瓷晶片粘貼在非均勻弧形底座上拼接組成，每條有50個獨立通道，形成了 1° X 150°的發射指向性；多通道接收換能器陣7由120條陶瓷窄條晶片拼接而成，即120個獨立接收通道，形成了 20° Χ1'的接收指向性。二者合成了在150度寬幅蓋范圍內的1° Xl0的高分辨力指向性。其中，多通道發射換能器陣10和多通道接收換能器陣7的通道數由探測指標的要求決定。
[0034]本發明的水下接收分機2和水下發射分機3相互垂直近距離放置，利用設計的法蘭結構將二者固定，并安裝在船龍骨下方或者舷側。為了保證探測效果，從降低航行噪聲(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，應盡量選擇安裝在船舶航行時產生水花最小及船體顛簸、搖擺幅度也較小的地方，一般在船艏三分之一至五分之二的位置，并且吃水深度不應超過龍骨的深度。多通道發射換能器陣10的中軸線指向船行方向，多通道接收換能器陣7的中軸線垂直于船行方向。第一 DSP處理器13和第二 DSP處理器14采用美國TI公司的TMS320C6748ZWT4E，模數轉換器組18采用多片ADI公司的AD7657BSTZ-1，第一邏輯控制器12、第二邏輯控制器15、第三邏輯控制器16、第四邏輯控制器17、第五邏輯控制器24采用ALTERA公司的EP4CGX150DF27C7。
[0035]結合圖3，本發明采用了集成電路進行電路控制，僅以12通道數據采集電路為例，其中AD1、AD2為6通道模數轉換器AD7657BSTZ-1，另外還有運放AD8066以及一些電阻、電容等小器件，系統共需10個相同部分實現120通道數據采集。而本發明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。
[0036]本發明的工作原理是:緊湊型水下微地形測量儀的水下發射分機2和水下發射分機3安裝在水下，通過第一電纜I和搭載在水面測量母船或者水下作業潛器上的通用計算機連接；當使用本發明儀器在作業水域內工作時，給儀器提供電源，根據作業區域的大致情況，通過運行于通用計算機上的顯示控制軟件設定并裝載儀器的工作參數，然后啟動儀器開始工作。水下接收分機2中數據處理與通訊裝置5接收第一電纜I下行傳輸的工作參數并通過第二電纜4轉發至控制水下發射分機3，根據同步信號控制信號產生裝置8產生具有一定時間間隔的、頻率為200千赫茲的CW脈沖，通過信號發射裝置9放大，經由多通道發射換能器陣10把電信號轉換成聲信號輻射到水中傳送出去，該聲信號經由目標散射回水下接收分機2，其中的多通道接收換能器陣7把接收到聲信號轉換為電信號，經過多通道信號調理采集及存儲裝置6進行濾波、自動及固定增益放大等調理，并將調理后的模擬信號變換為數字信號進行存儲并同時送至數據處理與通訊裝置5，結合輔助設備的測量數據結算出水下微地形信息，并通過第一電纜I送至通用計算機實時顯示和存儲。
【權利要求】
1.一種緊湊型水下微地形測量儀，包括:第一電纜(I)、水下接收分機(2)、水下發射分機(3)以及連接水下接收分機(2)和水下發射分機(3)的第二電纜(4);所述的水下接收分機(2)包括:多通道接收換能器陣(7)、多通道信號調理采集及存儲裝置(6)和數據處理與通訊裝置(5);所述的水下發射分機(3)包括:信號產生裝置(8)、信號發射裝置(9)和多通道發射換能器陣(10)，其中，第一電纜(I)、數據處理與通訊裝置(5)、第二電纜(4)、信號產生裝置(8)、信號發射裝置(9)和多通道發射換能器陣(10)依次電信號連接；多通道接收換能器陣(7)、多通道信號調理采集及存儲裝置(6)與數據處理與通訊裝置(5)依次電信號連接。
2.根據權利要求1所述的緊湊型水下微地形測量儀，其特征在于:所述的數據處理與通訊裝置(5)由網絡通訊模塊(11)、第一邏輯控制器(12)、第一 DSP處理器(13)、第DSP處理器(14)、第二邏輯控制器(15)和第三邏輯控制器(16)組成，其中，第一邏輯控制器12分別和第一 DSP處理器13、第 DSP處理器14、第二邏輯控制器(15)、第三邏輯控制器(16)、第四邏輯控制器(17)電信號連接；第二邏輯控制器(15)、第一 DSP處理器(13)和第一邏輯控制器(12)依次電信號連接；第三邏輯控制器(16)、第二邏輯控制器(15)和第一邏輯控制器(12)依次電信號連接；第一邏輯控制器(12)和網絡通訊模塊(11)相互間電信號連接。
3.根據權利要求1緊湊型水下微地形測量儀，其特征在于:所述的多通道信號調理采集及存儲裝置出)由第四邏輯控制器(17)、模數轉換器組(18)、固定增益放大器組(19)、帶通濾波器組(20)、可變增益放大器組(21)、帶通濾波器組(22)和海量存儲器(23)組成，其中，帶通濾波器組(22)、可變增益放大器組(21)、帶通濾波器組(20)、固定增益放大器組(19)、模數轉換器組(18)和第四邏輯控制器(17)依次電信號連接；第四邏輯控制器(17)和海量存儲器(23)電信號連接。
4.根據權利要求1所述的緊湊型水下微地形測量儀，其特征在于:所述的信號產生裝置(8)由第五邏輯控制器(24)組成。
5.根據權利要求1所述的緊湊型水下微地形測量儀，其特征在于:所述的信號發射裝置(9)由功率管驅動器組(25)、功率放大器組(26)和阻抗匹配器組(27)組成，其中，功率管驅動器組(25)、功率放大器組(26)和阻抗匹配器組(27)依次電信號連接。
6.根據權利要求1所述的緊湊型水下微地形測量儀，其特征在于:所述的多通道發射換能器陣(10)是由多通道、等間距的非均勻加權弧形陣元組成的弧陣。
7.根據權利要求1所述的緊湊型水下微地形測量儀，其特征在于:所述的多通道接收換能器陣(7)是由多通道、等間距方形陣元組成的均勻線陣。
【文檔編號】G01S15/88GK103557843SQ201310562382
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月13日 優先權日:2013年11月13日
【發明者】李海森, 李靚 申請人:蘇州聲光達水下探測儀器有限公司