[發(fā)明專利]三維淺地層剖面及掩埋目標探測裝置及其方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202211575960.1
• 申請日: 2022-12-08
• 公開（公告）號: CN115857014A
• 公開（公告）日: 2023-03-28
• 發(fā)明（設計）人: 張純;詹長法;張松;牟偉;張巧花
• 申請（專利權）人: 南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海）
• 主分類號: G01V1/38
• 分類號: G01V1/38;G01V1/30;G01S15/89;G01S7/52
• 代理公司: 廣州市科豐知識產(chǎn)權代理事務所(普通合伙) 44467
• 代理人: 王海曼

1.一種基于換能器陣列的淺地層三維剖面聲學探測裝置，包括雙層系統(tǒng)搭載平臺，其特征在于，上層搭載平臺上設置有電子艙和GPS天線；下層搭載平臺上設有“T”型換能器陣列、控制與處理系統(tǒng)；所述的控制與處理系統(tǒng)包括發(fā)射模塊和接收處理模塊，并且分別與換能器陣列和顯控終端連接。

2.根據(jù)權利要求1所述的基于換能器陣列的淺地層三維剖面聲學探測裝置，其特征在于，所述的雙層系統(tǒng)搭載平臺漂浮在水面上，與測量船連接，在測量船牽引下前進。

3.根據(jù)權利要求1所述的基于換能器陣列的淺地層三維剖面聲學探測裝置，其特征在于，所述的“T”型換能器陣列包括成像垂直布放的發(fā)射換能器陣列和接收換能器陣列；均布放在搭載平臺底部，輻射面向下，與控制與處理系統(tǒng)連接，在控制與處理系統(tǒng)的控制下用于產(chǎn)生和發(fā)射聲學信號，向水中和海底發(fā)射，并接收地層結(jié)構與掩埋目標的回波信號，收發(fā)換能器陣列能夠覆蓋較寬的掃測角度，掃測角度內(nèi)形成多個波束，從而獲得較高的成像分辨率。

4.根據(jù)權利要求3所述的基于換能器陣列的淺地層三維剖面聲學探測裝置，其特征在于，所述的括發(fā)射換能器陣列水平放置，由決定穿透能力分辨率的M個陣元和決定孔徑分辨率的N陣元組成，按照半波長均勻等間隔布陣；所述的括接收換能器陣列垂直放置，由決定穿透能力分辨率的M個陣元和決定孔徑分辨率的N陣元組成，按照半波長均勻、間隔布陣。

5.根據(jù)權利要求1所述的基于換能器陣列的淺地層三維剖面聲學探測裝置，其特征在于，所述的控制與處理系統(tǒng)用于發(fā)射和接收地層及掩埋目標的聲學回波數(shù)據(jù)，對采集的地層及目標的回波信號進行處理，通過計算精確重構地層結(jié)構及目標信息，傳輸?shù)斤@控終端，形成對特定海域地層剖面測量及掩埋沉船目標三維重建。

6.根據(jù)權利要求1所述的基于換能器陣列的淺地層三維剖面聲學探測裝置，其特征在于，所述控制與處理系統(tǒng)包括多通道信號發(fā)射模塊、多通道信號接收與高速采集模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、姿態(tài)儀和電源模塊，及安裝各模塊的電子艙。

7.根據(jù)權利要求5所述的基于換能器陣列的淺地層三維剖面聲學探測裝置，其特征在于，所述多通道發(fā)射模塊由M個發(fā)射通道構成，每個通道連接發(fā)射換能器陣列的一個陣元，用于產(chǎn)生聲學信號，并驅(qū)動換能器將信號向水中發(fā)射，并穿透海底淺地層；所述多通道信號接收與高速采集模塊由N個接收通道構成，每個接收通道連接接收換能器的一個陣元，用于接收地層結(jié)構及掩埋目標散射的微弱信號，并經(jīng)調(diào)理將信號放大到-5V,～+5V，由高速采集模塊進行AD采樣，得到數(shù)字化信號，以便于進一步數(shù)據(jù)處理。

8.根據(jù)權利要求1所述的基于換能器陣列的淺地層三維剖面聲學探測裝置，其特征在于，所述控制模塊采用通用ARM架構的處理芯片實現(xiàn)，用于對發(fā)射陣元的信號產(chǎn)生和相位調(diào)節(jié)、接收信號波束合成參數(shù)，系統(tǒng)增益、數(shù)據(jù)傳輸工作參數(shù)進行調(diào)整，使系統(tǒng)獲得最佳的工作狀態(tài)。

9.根據(jù)權利要求1所述的基于換能器陣列的淺地層三維剖面聲學探測裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理模塊將采集的N個接收通道的信號進行波束合成處理，獲得高分辨率的淺地層剖面結(jié)構信息及大掩埋目標的三維重建，并由控制模塊將結(jié)果傳輸?shù)斤@控終端，進行進一步的處理和顯示，采用高性能的數(shù)字信號處理芯片和可編程場門控陣列組合來實現(xiàn)。

10.一種采用上述基于換能器陣列的淺地層三維剖面聲學探測裝置的三維重建和成像方法，其特征在于，依次包括下述步驟

步驟1)控制模塊控制發(fā)射換能器陣列，在信號發(fā)射過程中，將M個陣元劃分成Q個發(fā)射扇面，每扇面內(nèi)依次發(fā)射正交的聲納波束信號，每個正交信號對應扇面中一個垂直波束方向，信號穿透地層，遇到地層結(jié)構界面或掩埋目標，聲信號被發(fā)射回來，被N個陣元的接收換能器陣列所接收；

步驟2)換能器陣列接收和處理過程中，接收陣列每個陣元接收到該扇面的回波信號后，通過與發(fā)射的模板信號進行相關匹配處理，提取所有發(fā)射波束對應回波信號，并在相應扇區(qū)上做波束合成，并補償由于不同入射波束的方向所引起的回波強度損失；完成后進行下一個扇區(qū)的發(fā)射-接收-波束合成，直到所有扇面都完成；

步驟3)對每個扇區(qū)內(nèi)每個波束進行地層結(jié)構的檢測和跟蹤，并標記是否為同一地層結(jié)構；利用邊緣檢測方法檢測每個地層結(jié)構內(nèi)部是否存在掩埋目標，并標記；

步驟4)將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@控終端進行地層結(jié)構和掩埋目標的三維重建和實時顯示。