[發(fā)明專利]一種水下多波束測(cè)探系統(tǒng)及其探測(cè)方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010195895.0
• 申請(qǐng)日: 2010-06-07
• 公開（公告）號(hào): CN101852854A
• 公開（公告）日: 2010-10-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 韋崗;陳庭柱;曹燕;寧更新;張軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01S15/08
• 分類號(hào): G01S15/08;G01S7/539
• 代理公司: 廣州粵高專利商標(biāo)代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及屬于水聲探測(cè)的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種水下多波束測(cè)探系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)

自從20世紀(jì)初，美國科學(xué)家費(fèi)森登制造出第一臺(tái)回聲探測(cè)儀后，水聲回波測(cè)深法便逐漸成為水下地形的測(cè)量的主要方法。傳統(tǒng)的回波測(cè)深法和傳統(tǒng)的超聲波測(cè)距原理一致，首先發(fā)送換能器垂直向下發(fā)射聲波，聲波到達(dá)水底發(fā)生反射，然后反射回波到達(dá)接收換能器被接收。根據(jù)估計(jì)獲得的回波相對(duì)于發(fā)射聲波的延時(shí)τ，和聲波在水中的傳輸速度υ(已知)，得到水深所以，超聲測(cè)距和測(cè)深的重點(diǎn)都是估計(jì)回波相對(duì)于發(fā)射波的延時(shí)。傳統(tǒng)的回波測(cè)深法由于僅采用一個(gè)發(fā)射波束進(jìn)行探測(cè)，所以又稱為單波束測(cè)深技術(shù)。然而，由于單波束測(cè)深技術(shù)一次測(cè)量?jī)H能得到換能器正下方的一個(gè)深度值，效率很低，單波束的測(cè)深技術(shù)逐漸被多波束測(cè)深技術(shù)所取代。

水下多波束測(cè)深技術(shù)主要是指通過安放在船體的水聲換能器陣列，經(jīng)過數(shù)字波束形成技術(shù)使得海底反射回波在垂直于航行方向形成多個(gè)不同角度的窄波束，從而形成測(cè)量扇面，一次測(cè)量便能得到一個(gè)條帶內(nèi)的多個(gè)深度值。這很大程度地改進(jìn)了傳統(tǒng)單波束測(cè)深技術(shù)一次只能測(cè)量一個(gè)深度點(diǎn)的缺陷，提高了測(cè)量的效率和精度。由于目前我國在海洋資源開采、航運(yùn)以及海洋考古等領(lǐng)域的不斷深入，水下多波束測(cè)深技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注。

于2008年1月16日授權(quán)的中國發(fā)明專利CN201007741Y提出了一種便攜式的多波束測(cè)深儀。該裝置通過水上處理分機(jī)控制安裝于船底龍骨的由等間距多通道收發(fā)合置換能器組成的均勻線陣向水下發(fā)射聲波和接收水底回波，再通過先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)信息的采集、多波束處理、顯示和存儲(chǔ)。從而解決在一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)得到多達(dá)21個(gè)水深數(shù)據(jù)的問題，提高了測(cè)量效率。但這種裝置存有一些不足：1、該裝置采用單頻連續(xù)脈沖，而水聲信道為頻率選擇性衰落信道，固定的單頻信號(hào)可能會(huì)遇到很大的衰減，導(dǎo)致檢測(cè)不出回波信號(hào)，測(cè)量精度下降和測(cè)量范圍縮減；2、該裝置采用信號(hào)能量中心方法檢測(cè)回波到達(dá)時(shí)間，該方法通過加權(quán)平均估計(jì)回波的到達(dá)時(shí)間，因此測(cè)量的深度值其實(shí)是波束照射范圍內(nèi)多散射點(diǎn)的平均水深值。這樣盡管能很好的降低背景噪聲對(duì)測(cè)量的影響，但是當(dāng)存在二次回波或者波束寬度較大、海底散射點(diǎn)較多時(shí)，這種基于中值估計(jì)的時(shí)間確定方法在測(cè)量精度上便會(huì)有所下降。3、存在距離分辨力與測(cè)距范圍之間的矛盾，如果要求系統(tǒng)測(cè)量的深度量程提高，則要求換能器的發(fā)射功率越大或者發(fā)射脈沖的持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，但是換能器的發(fā)射功率存在上限，如果加大發(fā)射脈沖的持續(xù)時(shí)間又將導(dǎo)致距離分辨力的下降。

在超聲測(cè)距領(lǐng)域，于2000年12月3日授權(quán)的中國發(fā)明專利CN1059498C提出了一種偽隨機(jī)超聲波測(cè)距方法及儀器。該儀器利用了偽隨機(jī)跳時(shí)思想，通過超聲換能器發(fā)射和接收一種帶有偽隨機(jī)特征的脈沖超聲波，末端微機(jī)系統(tǒng)作為信息處理和控制中心只對(duì)此次具有偽隨機(jī)特征的信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和提取，從而有很強(qiáng)的抗環(huán)境噪聲干擾能力。并且通過接收的偽隨機(jī)信號(hào)波與發(fā)射時(shí)存入的偽隨機(jī)編碼比較、提取，能很準(zhǔn)確地確定回波的到達(dá)時(shí)間，提高了測(cè)距系統(tǒng)的分辨能力和準(zhǔn)確度。但是該儀器仍然使用單一頻率的發(fā)射脈沖，只是用偽隨機(jī)序列去控制脈沖的寬度和時(shí)序，所以在頻率選擇性信道下，仍然有遭遇劇烈衰減的可能，破壞偽隨機(jī)超聲波的自相關(guān)性能。

一種很好的對(duì)抗頻率選擇性衰落和多徑效應(yīng)的方法便是擴(kuò)頻，并且由于擴(kuò)頻測(cè)距沒有脈沖測(cè)距中測(cè)量距離量程和距離分辨力的矛盾，被認(rèn)為是一種很有效的測(cè)距方法。最早使用擴(kuò)頻測(cè)距技術(shù)的例子便是全球定位系統(tǒng)(GPS)，而后基于寬帶線性調(diào)頻的擴(kuò)頻測(cè)距技術(shù)被廣泛應(yīng)用與雷達(dá)中。然而，傳統(tǒng)的直接序列擴(kuò)頻測(cè)距技術(shù)對(duì)發(fā)射帶寬要求很高，而普通的水聲換能器發(fā)射帶寬比較窄，一般需要發(fā)射脈沖的頻率與換能器的諧振頻率一致才能讓發(fā)射超聲波的能量最大，所以如果要在水聲測(cè)距領(lǐng)域中使用傳統(tǒng)的擴(kuò)頻技術(shù)，則對(duì)水聲換能器的硬件要求很高，增加了系統(tǒng)的成本。此外，由于普通的壓電換能器是通過壓電效應(yīng)向外發(fā)射機(jī)械波，它在產(chǎn)生超聲波的過程中，存在較為嚴(yán)重的“拖尾”現(xiàn)象，即壓電晶片要經(jīng)過幾個(gè)振動(dòng)周期才能由“起振”跨越到“共振”，并且在停止激勵(lì)的情況下還會(huì)存在“余振”，這也使得運(yùn)用單個(gè)換能器實(shí)現(xiàn)快速的變頻存在困難。