专利名称：一种测量海底微地貌用的高分辨测深侧扫声纳装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种高分辨的声纳技术，特别是涉及一种用于测量海底的微地貌的高分辨测深侧扫声纳装置。
背景技术：
目前，对海底的微地貌进行测量的装置和方法概括如下(1)例如P.H.Kreautner and J.S.Bird，Principal components arrayprocessing for swath acoustic mapping.Proceedings of the IEEE Oceans′97 Conference，October 1997.和H.Kreautner and J.S.Bird，Beyondinterferometry，resolving multiple angles-of-arrival in swathbathymetric imaging，Proceedings of the IEEE Ocean′99 Conference，September，1999.中所介绍的一种由压电陶瓷构成的声纳阵，所有这些水密包封在一起，放在水下，由电缆与水上的电子分机相连。其工作频率300kHz，发射简单脉冲信号。采用“主分量阵处理”方法进行信号处理。并且进行如下的实验(A)在水池中对人造目标进行了测量，目标是由正交的铜管构成，这是一个良好的声学目标，声纳正确检测出人造目标；但对池壁的测量结果差。
(B)在一个小湖中进行了试验，湖深2-30m，将声纳阵放在小码头前湖底上的普通三角的支架上，电子部分放在岸上。实验表明，测出了海底的直达回波，但在作用距离内没有自动删除多途效应引起的多途信号，仍残留在图件中。
(C)在同一小湖中用步进马达转动声纳阵获得了常规的侧扫图；常规侧扫图只能显示水底反向散射信号的强弱，由此可推断水底地形的变化趋势，但给不出水底的深度。
(D)将声纳阵放在一小船的侧舷来回运动，没有姿态修正也没有定位导航装置，获得了三维声像，即三维水底地形的变化趋势。该装置没有给出测深精度，也没有给出等深线图；所有的已有装置和所使用已有的技术在水池和湖中所做实验中均没有测出声纳正下方附近的深度数据。
目前现有的测深侧扫声纳装置和技术中，存在两个主要缺点，首先，它不能正确测量正下方附近的深度，即使能测量出声纳正下方附近的深度数据，那麽测量误差也很大；其次，它不能区分从不同方向同时到达的回波，在水声信道存在多途效应时，或地形复杂时，不能正常工作。声纳的测量精度、作用距离、工作效率和适用性受到严重限制。P.H.Kreautner and J.S.Bird采用“主分量阵处理”方法进行信号处理，基本能分离从不同方向同时到达的回波，但没有自动挑选出所要的海底回波，没有给出测深精度，也没有给出等深线图。
为了祢补现有的测深侧扫声纳的正下方附近的测深精度很差的主要缺点，已采用三种办法其一是将测线间的距离减小，往往要减少为一侧的作用距离，以使相邻两次测量的范围相互覆盖，这显著降低了测量效率。第二是中间加一浅地层剖面仪，由于浅地层剖面仪的圆锥波束角宽在40°左右，分辨率差。而且，由于它的频带相当低，对海底有相当的穿透深度，测深精度不高。第三是中间加一小型多波束测深系统，这增加了设备的复杂性和价格。
其次，现有的测深侧扫声纳的信号处理方法是差分相位估计法，它不能区分不同方向同时到达的回波，严重限制了现有测深侧扫声纳作用距离和适用范围。此外，在复杂地形上工作时，也会产生多个不同方向同时到达的回波，现有测深侧扫声纳的测量精度明显下降。
发明内容
本实用新型的目的在于克服已有技术的缺点和不足，为了解决已有的测深侧扫声纳装置不能正确测量正下方附近的深度或测深精度很差的问题；其次，在于解决它不能区分不同方向同时到达的回波，而严重限制了现有测深侧扫声纳作用距离和适用范围，以及在复杂地形上工作时测量精度明显下降；又为了将高分辨测深侧扫声纳应用于水下载体上，包括机器人(AUV)、无人遥控潜水器(ROV)和拖曳体上，达到实用化；从而提供一种显著地提高测深侧扫声纳的测量精度、作用距离、工作效率和适用性的用于测量海底微地貌的高分辨测深侧扫声纳装置。
本实用新型提供的用于测量海底微地貌的高分辨测深侧扫声纳装置，包括在水下载体上安装有水下电子分机，和在水下载体下方两侧对称安装两个声纳阵，声纳阵的发射线阵与电子分机的发射机的功率放大器的末级相联，声纳阵的平行接收线阵与电子分机的接收机的前置放大器相联；其特征是所述的声纳阵由1个发射Chirp(线性调频)信号的发射线阵和3个或3个以上以等间距排列的、用压电陶瓷制作的平行接收线阵构成，相邻两个平行接收线阵之间的间距d为λ＞d≥λ/2；λ为声波长；其声纳阵的工作频率在30kHz到1200kHz；其中d为λ/2为最佳。所述的平行接收线阵一般选择3个-20个以等间距排列构成。
所述的水下电子分机还包括姿态传感器和/温度传感器；其中姿态传感器和温度传感器分别通过水下电子分机的输入输出控制器与主控计算机电连接。
所述的水下载体包括水下机器人、水下有缆遥控潜水器、吊放架、拖曳系统中或船上。
其工作过程为声纳阵中的发射线阵向侧向发射声波后，海底的声回波按时间的先后依次被声纳阵中的平行接收线阵接收，再经电子分机处理，形成许多波束，获得海底深度。载体不断向前运动，不断发射声波和接收海底的回波，获得海底的深度。一段时间内就可获得某海底一定面积上的等深线(见附图1)。
本实用新型的优点在于(1)本实用新型采用的间距d为λ＞d≥λ/2是通过对相位附加因子的分析，提出了合理的声纳阵设计参数。由图5可知，当声纳阵的平行线阵间的间距d等于和小于波长λ时，ξ只是在很窄的角宽内影响测深精度。当d＝λ/2时，ξ的影响最小。获得的声纳时空相关函数相位的标准偏差的理论值和实验值符合良好，从而找到了声纳产生正下方测深精度差的原因，因此本实用新型解决了声纳正下方测深精度的问题，大大地提高了声纳正下方测深精度，实际测量结果为测深精度小于1％。图9表示，图中实线是理论值，虚线是实验值；由图可见，理论与实验符合。已有技术是假设海底是一厚度为0的产生反向散射回波的面，在考虑声纳阵栅瓣的情形下选用d＝0.7λ，因此，它没有讨论声纳正下方的测深误差的成因，更没有给出声纳正下方的测深精度。本实用新型把海底看成是一产生反向散射信号的薄层，求得的测深侧扫声纳的声纳阵时空相关函数相位的表式上，比通常理论多了一项被称它为相位附加因子ξ；所制作的声纳阵的d≤λ时，ξ的影响相当小，d＝λ/2时ξ的影响最小，如图5所示的。所以本实用新型采用的声纳阵的平行接收线阵的间距d设计为λ＞d≥λ/2结构的测深侧扫声纳装置，能测量得到正确地海底声纳正下方的测深精度。
(2)使用本实用新型的测深侧扫声纳装置进行测量正确地把海底回波与其它多途信号分离出来，它能良好地检测海底，删除多途信号。由此获得的图件中没有多途效应。
(3)本实用新型的高分辨测深侧扫声纳装置装在水下机器人(AUV)上，进行了实际测量，双侧同时工作，在校正了误差后，给出了测深精度和等深线图；从而实现了使用化。
(4)本实用新型装置能正确地把海底回波与其它多途信号分离出来，并正确地检测海，底删除多途信号，由此获得的图件中没有多途效应。
图1本实用新型的结构示意图图2本实用新型的装置中的声纳阵与水下电子分机组成的方框图图3本实用新型的装置中的声纳阵的结构示意图和声纳阵工作的几何状态；图中T1为发射线阵；R1-R4为平行接收线阵；R1-R4的间距为d；并且从图中看出声纳阵工作的几何状态；由图可见，海底、水面会产生多个回波，这就是水声信道的多途效应，同时复杂海底也能产生多个不同方向同时到达的回波；图4本实用新型的装置中的声纳阵框图图5相位附加因子ξ与声波掠射角θ的关系，d≤λ时，ξ的影响相当小，Rd＝λ/2时ξ的影响最小图6本实用新型的装置(在以下领中表示为方法1、已有技术表示为方法2)和已有技术所测的水池实验数据，检测目标是池底。由于存在多途效应，本实用新型的结果好于方法2；本实用新型测出了声纳正下方附近的深度数据图6a(上图)掠射角与时间的关系，图中显示本实用新型的方法(方法1)显然好于已有方法(方法2)，图6b(下图)深度与距离的关系，图中显示本实用新型的方法(方法1)显然好于已有方法(方法2)图7本实用新型的检测目标是池壁，包括墙角；其中本实用新型的获得的结果，与水池的轮廓基本符合；由于多途严重，方法2无法获得有用数据图8本实用新型的声纳阵时空相关函数相位的标准偏差与水平距离的关系，理论值与实验值符合良好图9本实用新型的声纳装置与高精度测深仪获得的水下机器人(AUV)正下方附近的深度数据比较，两者符合良好；高精度测深仪的主要技术指标为工作频率600kHz，波束宽度4°，脉冲宽度0.1ms和每秒发射10次图10本实用新型的一实施例和方法2一次发射获得的数据比较图10a本实用新型的测得的是波束数与掠射角的关系图10b是本实用新型的测得的水平距离与深度的关系图11本实用新型的声纳装置300次发射获得的数据构成的三维深度图图12本实用新型的声纳装置300次发射获得的等深线图图面说明1-声纳水下电子分机2-水下载体3-左声纳阵4-右声纳阵5-平行接收线阵1 6-平行接收线阵27-平行接收线阵3 8-平行接收线阵49-发射阵 10-接收阵11-接收电信号 12-发射电信号具体实施方式
实施例1按照图1-4制作一实验用的用于测量海底微地貌的高分辨测深侧扫声纳装置，测量对象为水池，包括水池底，水池壁和池水面。该高分辨测深侧扫声纳装置包括用一吊放架将左、右声纳阵3、4中的任一个吊放在水池中，声纳阵与声纳的水下电子分机1由电缆连接，水下电子分机1放在水池面的工作台上。每个声纳阵由1个发射线性调频(Chirp)信号的发射线阵9和4个以等间距排列的、用压电陶瓷制作的平行接收线阵5、6、7、8构成，如图4所示；其中相邻两个平行接收线阵之间的线阵间距d＝λ，λ＝2cm；线阵长度为70cm。其工作频率可由30kHz到1200kHz；发射线阵9与水下电子分机1的发射机的功率放大器的末级相联，平行接收线阵5、6、7、8经接收电信号11与水下电子分机1的接收机的前置放大器相联；声纳阵如图4所示，发射机经发射电信号12驱动发射线阵9。左、右两个声纳阵3、4两侧的工作频率分别为70kHz和80kHz，本实施例中的水下电子分机1的各组成部份与声纳的连接关系如图2所示。用本实施例测量的结果与已有技术对水池底的测量结果在图6和图7中给出，图6a中给出虚线表示为本实施例的测量结果，差分相位法(已有技术)的结果为点划线，实线为理论值，本实施例的结果接近理论值，明显优于已有的技术。图6b中□表示本实用新型的声纳阵位置，已有技术的声纳阵位置为星号，明显接近以实线标志的水池底，并给出正下方池底的深度。图7检测的是目标是水池底、水池壁和池水面，包括墙角，其中获得的数据与水池的轮廓基本符合。由于多途严重，已有技术无法获得有用的数据。由图可看出，用本实用新型不仅可测出声纳正下方水池底的深度，而且还可以测出水池壁和水池面的位置，而已有的装置测不出。
由图3可知本实用新型高分辨率测深侧扫声纳装置工作的几何状态，由于海面和海底的多次反射，以及复杂地形产生的回波，不同方向的回波可以同时到达声纳阵。为了分离这些回波，找出本实用新型所要的海底回波，本实用新型研制了两个声纳阵，装在载体左右两侧，它们每个由一个发射阵和4个平行线阵组成，工作频率为30到1200kHz，发射Chirp(线性调频)信号。声纳阵图见图4。4个线阵可以获得16个时空相关函数，它们组成4×4的时空相关函数矩阵。此矩阵包含了声回波的幅度、相位、频率和入射角等许多信息。由此矩阵解出这些信息，并把不同方向同时到达的回波分离出来，这就是本实用新型的主要目的。
实施例2按照图1-4制作一测量对象为湖底的微地貌的高分辨测深侧扫声纳装置，它是在实施例1的实验基础上，将该声纳装置被安置在CR-02水下机器人(AUV)上。在水下机器人2上安装有水下电子分机1，和在水下机器人2下方两侧对称安装左、右各一个声纳阵3、4。水下机器人(AUV)在离湖底40～60m的高度在各种湖底上航行，检验高分辨测深侧扫声纳装置的功能。仍然采用两个声纳阵，每个声纳阵由一个发射线阵和4个平行接收线阵5、6、7、8构成，均用压电陶瓷材料制成。平行接收线阵间距d＝λ，λ＝2cm，线性长度为70cm。电子分机的构成同实施例1，但还包括姿态传感器和/或温度传感器；其中姿态传感器和温度传感器分别通过水下电子分机的输入输出控制器与主控计算机电联接。采用本实施例的装置，其AUV正下方附近的测深结果与高精度测深仪的测深结果在图9中给出，图中实线为本实用新型的测量结果，虚线为高精度数字测深仪的测量结果，后者的技术指标为工作频率600kHz，波束宽度4°，脉冲宽度0.1ms和每秒发射10次。由图看出，二者符合很好，说明本实用新型的测深精度很高，而现行方法给不出此结果。本实用新型的测深结果表示在图10中，图10是装在水下机器人(AUV)上的高分辨测深侧扫声纳的测量结果，本实用新型的以实线表示，已有的差分相位法以虚线表示，图10a是波束数与回波掠射角的关系，由图可见，本实用新型的获得的数据直到200个波束仍然是合理的，而已有的装置得到数据只到80个波束。图10b表示的是水平距离与深度的关系。本实用新型获得的深度直到200m仍然是合理的，已有的差分相位法只到80m是合理的。
本实施例的声纳装在水下机器人(AUV)上，同时安装导航定位装置，在深水湖(最大水深150m)里进行了长时间的系统试验。实验数据表明a.声纳阵时空相关函数相位的标准偏差的理论值与实验值符合良好，见图8，证明了本实用新型的声纳阵所设计的结构的正确性。
b.AUV正下方附近的深度数据与AUV正下方安装的高精度测深仪测深精度符合良好，测深精度小于1％，证明理论是正确的。这才有可能使高分辨测深侧扫声纳实用化。此高精度测深仪的指标为工作频率600kHz，波束宽度4°，脉冲宽度0.1ms和每秒发射10次。见图9。
c.将水声信道的多途效应完全分离；删除多途效应，获得的图件中没有残留的多途效应。见图10。
d.获得了大面积范围内的经校正后的深度剖面图，即三维深度图，见图11。
e.获得了大面积范围内的经过校正后的等深线图，见图12。
为了便于理解，结合附图与实施例已对本实用新型做了叙述，可以理解本实用新型有很多其它实施例，但本实用新型不限于这些图与实施例。本实用新型包括本实用新型精神与范围内的所有权利要求范围内的修正案。
权利要求1.一种测量海底微地貌用的高分辨测深侧扫声纳装置，包括在水下载体上安装有水下电子分机，和在水下载体下方两侧对称安装两个声纳阵，其中声纳阵的发射线阵与水下电子分机上的发射机的功率放大器的末级相联，声纳阵的平行接收线阵与水下电子分机上的接收机的前置放大器相联；其特征是每个声纳阵由1个发射Chirp信号的发射线阵和3个或3个以上以等间距排列的、用压电陶瓷制作的平行接收线阵构成，相邻两个平行接收线阵之间的间距d为λ＞d≥λ/2；λ为声波长；其工作频率在30kHz到1200kHz。
2.根据权利要求1所述的测量海底微地貌用的高分辨测深侧扫声纳装置，其特征是所述的相邻两个平行接收线阵之间的间距d优选为λ/2。
3.根据权利要求1所述的测量海底微地貌用的高分辨测深侧扫声纳装置，其特征是所述的水下电子分机还包括姿态传感器和/或温度传感器；其中姿态传感器和温度传感器分别通过输入输出控制器与主控计算机电联接。
4.根据权利要求1所述的测量海底微地貌用的高分辨测深侧扫声纳装置，其特征是所述的水下载体包括水下机器人、水下有缆遥控潜水器、吊放架、拖曳系统中或船上。
5.根据权利要求1所述的测量海底微地貌用的高分辨测深侧扫声纳装置，其特征是所述的平行接收线阵选择3-20个以等间距排列构成。
专利摘要本实用新型涉及一种测量海底微地貌用的高分辨测深侧扫声纳装置。该装置包括:在水下载体上安装有水下电子分机,和在水下载体下方两侧对称安装两个声纳阵,声纳阵的发射线阵与水下电子分机上的发射机的功率放大器的末级相联,声纳阵的平行接收线阵与水下电子分机上的接收机的前置放大器相联;每个声纳阵由1个发射Chirp信号的发射线阵和3个或3个以上以等间距排列的、用压电陶瓷制作的平行接收线阵构成,相邻两个平行接收线阵之间的间距d为:λ>d≥λ/2;λ为声波长;其工作频率在30kHz到1200kHz。本实用新型能解决了声纳正下方测深精度差的问题,大大地提高了声纳正下方测深精度;正确检测海底信号,并删除多途信号;给出了测深精度和等深线图。
文档编号G01S15/88GK2504649SQ0126046
公开日2002年8月7日 申请日期2001年9月18日 优先权日2001年9月18日
发明者朱维庆, 刘晓东, 朱敏, 潘锋, 张向军, 王长红, 汪玉玲 申请人:中国科学院声学研究所