一种多波束海底浅地层剖面探测设备的制作方法
【专利摘要】本发明涉及的是一种多波束海底浅地层剖面探测设备。本发明包括干端和湿端，干端由发射模块和信号处理及显示模块构成，湿端由参量阵和矢量水听器构成。本发明基于FrFT技术设计频带重叠的LFM探测信号，利用小孔径的参量阵作为相控发射换能器，采用矢量水听器作为接收换能器，在提高系统带宽利用率的同时大大减小基阵的孔径。本发明由于能够发射频带重叠的多分量信号，使发射多波束的数量增加，系统带宽利用率和探测效率都得到了很大的提高，更适用于大面积的扫海探测；基阵孔径的减小使设备更加便携，具有更大的推广和应用价值。
【专利说明】一种多波束海底浅地层剖面探测设备
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是一种多波束海底浅地层剖面探测设备。
【背景技术】
[0002] 与传统单波束海底浅地层探测相比，利用多波束设备进行海底浅地层探测，在提 高测量效率的同时可以获得更丰富的底质信息。多波束海底浅地层剖面探测设备采用空间 扫描、走航探测的工作方式。传统多波束海底浅地层探测设备通常采用向不同方向发射频 带不重叠的LFM信号分量，然后对同时接收的多分量回波信号进行频域滤波，从而消除不 同方向上回波信号间的混叠，以区分各分量信号的到达方向，达到同时探测多条测线的目 的。但是，这种频分编码设计使得各信号分量间不能存在频谱重叠，从而使有限的系统频带 内仅能设计出很少的几个LFM信号分量，限制了系统探测测线的数量，制约了多波束海底 浅地层探测技术探测效率的提1?。
[0003] 另外，在多波束浅地层探测设备使用的换能器基阵方面，传统多波束浅地层剖面 探测设备通常采用低频大孔径基阵，体积大、重量重，不利于设备的推广应用，这是由于海 底浅地层探测信号频率低，若采用空域滤波的方法接收各方向的信号分量，发射、接收波束 宽度必须足够地窄，从而必将导致接收基阵孔径增大，使设备体积和成本增加，尤其不利于 在小的探测平台上使用。如Calimero项目中应用的新一代多波束浅地层探测系统SBP120 采用了 32 X 3元发射基阵和1 X 64元接收基阵，长度都大于7m，仅限于安装在大测量船上使 用。而参量阵声纳的独特优点是可以利用小尺寸换能器获得低频、宽带、低旁瓣或无旁瓣的 尖锐波束，从而不仅可以达到多波束海底浅地层测量对发射低频信号的要求，而且保证了 探测的分辨率。同时，由于矢量水听器工作在低频状态，且具有cos Θ形式的与频率无关的 指向性，这意味着传感器的尺寸不再受声波波长的制约，与传统低频接收基阵相比，基阵孔 径大大缩小，并且与传统基阵相比，矢量水听器可以提供更多的信息、具有适合进行浅剖测 量的频率范围（通常为几百赫兹至十几千赫兹左右）。因此，采用矢量水听器作为多波束参 量浅剖系统的接收基阵是一个理想的选择。本发明采用参量阵和矢量水听器作为发、收换 能器，解决了传统低频基阵孔径大带来的诸多问题。
[0004] 分数阶傅立叶变换是一种重要的分数阶变换，是一种广义的傅立叶变换，直到近 年其重要性才受到各国学者的关注。从本质上讲，信号在分数阶傅立叶域（通常称为u域） 上的表示融合了信号在时域和频域的信息，因此FrFT被认为是一种时频分析方法，与小波 变换、WVD等时频分析工具具有密切的关系。傅立叶变换是以三角函数为完备正交基，当单 频正弦信号经过傅立叶变换就会在某个单频基上成为一个冲激函数。而分数阶傅立叶变换 以LFM信号为完备的正交基，改变旋转角度α，就可以得到不同调频率的基，当LFM信号的 频率变化率与某一分数阶傅立叶变换基的频率变化率相吻合时，信号的分数阶傅立叶变换 就会在该变换基上形成一个冲激函数，参见图2。这一点说明LFM信号在u域上具有很好的 时频聚集性。
[0005] 另外，FrFT又是一个线性变换：
[0006] Fp[a · x (t)+b · y (t) ] = a · Xp (u)+b · Yp (u) (1)
[0007] 其中，x(t)和y(t)表示两个幅度归一化时域信号分量，a和b分别表示量信号分 量的幅度，P□表示p阶分数阶傅里叶变换，p为变换阶数，X p(u)和1(11)分别表示对应两 时域信号分量的u域信号。因此，多个信号分量叠加形成的多分量信号的分数阶傅立叶变 换等价于各分量信号分别进行分数阶傅立叶变换后的叠加。利用上述两点即可以对多分量 LFM信号在u域上进行滤波：当各LFM信号分量在合适的u域上出现能量聚集时，就可以用 窄带滤波器将各LFM信号分量从多分量信号中滤出，即实现对多分量LFM信号的提取与分 离。这就是LFM信号u域滤波和信号提取与分离的机理，本发明是基于这一机理设计实现 的。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是为了针对传统多波束海底浅地层剖面探测设备系统带宽利用率 低，基阵体积庞大，不利于推广应用等问题，提出了一种多波束海底浅地层剖面探测设备。
[0009] 本发明的目的是这样实现的：
[0010] 本发明包括干端和湿端，干端由发射模块12和信号处理及显示模块13构成，湿端 由参量阵3和矢量水听器4构成，其特征在于：
[0011] 发射模块12,用于生成编码的多分量线性调频信号并驱动参量阵3,由多分量信 号源1和多通道发射机2构成；
[0012] 多分量信号源1，用于接收同步信号和控制指令，并根据控制指令，向多通道发射 机2提供生成的N个频带重合的LFM信号分量，信号分量个数N由控制指令设置，同时向信 号处理及显示模块13发送最优变换阶数、信号分量在分数阶傅立叶域u域的分布位置 uQ、检测门限η ;
[0013] 多通道发射机2,利用多分量信号源1提供的Ν个线性调频编码信号驱动参量阵3 相控发射；
[0014] 参量阵3,将多通道发射机2产生的Ν个信号分量相控发射到Ν个不同的预探测方 向上；
[0015] 矢量水听器4,同时接收Ν条测线上的多分量回波信号，并将接收到的多分量信号 发送到信号处理及显示模块13 ;
[0016] 信号处理及显示模块13,实现多分量回波信号的提取与分离，处理得到各条测线 的扫迹，并显示探测得到的Ν个浅地层剖面图；
[0017] 最优FrFT变换器5,根据多分量信号源1提供的最优变换阶数ρ_对接收的多分 量回波信号作最优FrFT变换，将变换结果取模值发送至门限检测器6 ;
[0018] 门限检测器6,对最优FrFT变换器5发送的信号进行门限检测，选取过门限II的 浅地层回波信号，并将过门限的信号发送至u域带通滤波器组7 ;
[0019] u域带通滤波器组7,根据多分量信号源1提供的第i个信号分量在u域的分布位 置ui(l，利用第i个带通滤波器对多分量回波信号进行u域带通滤波，在u域滤出第i个信号 分量，实现所有N个信号分量在u域的提取与分离，并将提取的各信号分量发送至FrFT逆 变换器8 ;
[0020] FrFT逆变换器8,用于对u域带通滤波器组7滤出的各信号分量作-Ρ_阶的FrFT 逆变换，得到各条测线的回波信号，并发送至拷贝相关器组9 ;
[0021] 拷贝相关器组9,用于对各条测线的回波信号序列作拷贝相关处理，得到各条测线 上浅地层剖面的扫迹，并将N条扫迹发送至显示器10显示N个浅地层剖面图；
[0022] 显示器10,显示多波束海底浅地层剖面探测设备探测得到的N条测线上的浅地层 剖面图以及控制信息及现场参数信息。
[0023] 本发明的有益效果在于：本发明基于FrFT技术设计频带重叠的LFM探测信号，利 用小孔径的参量阵作为相控发射换能器，采用矢量水听器作为接收换能器，在提高系统带 宽利用率的同时大大减小基阵的孔径。本发明由于能够发射频带重叠的多分量信号，使发 射多波束的数量增加，系统带宽利用率和探测效率都得到了很大的提高，更适用于大面积 的扫海探测；基阵孔径的减小使设备更加便携，具有更大的推广和应用价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 图1是多波束海底浅地层剖面探测设备的结构构成图。
[0025] 图2是LFM信号一个变换周期（变换阶数从0?4)的FrFT变换3D图；
[0026] 图3是频率变化率不同的二分量LFM信号的时频分布和对应其中一个信号频率变 化率的FrFT ;
[0027] 图4是图3情况下提取分离出的两个信号分量的时域波形及频谱；
[0028] 图5是频率变化率相同的二分量LFM信号的时频分布和最优阶FrFT ;
[0029] 图6是图5情况下提取分离出的两信号分量的时域波形及频谱；
[0030] 图7是发射多分量信号中各信号分量的时域波形及频谱；
[0031] 图8是矢量水听器宽波束同时接收的多分量信号的时域波形及其频谱，信噪比 SNR = -3dB ；
[0032] 图9是多分量回波信号FrFT的模值；
[0033] 图10是各信号分量对应的u域带通滤波器响应；
[0034] 图11是u域滤出的第一个LFM信号分量；
[0035] 图12是u域滤出的第二个LFM信号分量；
[0036] 图13是u域滤出的第三个LFM信号分量；
[0037] 图14是经FrFT逆变换后，从多分量信号中提取出的各信号分量的时域波形及频 谱。
【具体实施方式】
[0038] 本发明具体地说是涉及一种基于分数阶傅立叶变换（Fractional Fourier Transform，FrFT)技术的，用参量阵发射编码的多分量线性调频信号（Linear Frequency Modulation，LFM)，采用矢量水听器宽波束同时接收多分量回波信号的一种多波束海底浅 地层剖面高效探测设备。
[0039] 所述的多波束海底浅地层探测设备的应用背景为大面积海底浅地层剖面勘测，设 备利用参量阵相控发射频带重叠的LFM信号分量进行探测，信号参数选取满足LFM信号在 分数阶傅立叶域具有很好能量聚集的特性，用矢量水听器宽波束同时接收多条测线的多个 回波信号分量，在分数阶傅立叶域通过u域滤波实现各信号分量的提取与分离，最终实现 海底浅地层剖面的高效探测。
[0040] 本发明的多波束海底浅地层剖面探测设备的工作原理为：在每个探测同步周期， 当多分量信号源1接到开始工作的控制指令后，向多通道发射机2发送N个频带重叠的LFM 信号分量发射信号分量的个数N可根据探测需求进行现场设定；多通道发射机2根据多分 量信号源1提供的信号驱动参量阵3向N个不同的预探测方向依次发射N个频带重叠的 LFM信号分量；各发射声波信号经海底浅地层反射产生回波信号，矢量水听器4同时接收各 个探测方向的回波信号，并将此多分量回波信号传送至信号处理及显示模块13进行处理 与显示。最优FrFT变换器5根据多分量信号源1传送的最优变换阶数p_对多分量信号 作最优分数阶傅立叶变换，将信号变换到u域，通过门限检测器6在u域进行信号检测；根 据多分量信号源1提供的参数，分别利用u域带通滤波器组7、FrFT逆变换器8和拷贝相关 器组9对检测到的N个信号分量分别作u域带通滤波和-p_阶FrFT逆变换，将各信号分 量从多分量信号中提取分离出来，反变换到时域并经拷贝相关处理得到各探测方向海底浅 地层的探测扫迹；最后将扫迹送至显示器（10)形成多波束海底浅地层探测剖面图。至此， 实现了一个同步周期的多波束海底浅地层剖面探测。随着测量船的航行，实现了多条测线 上海底浅地层的剖面探测。
[0041] 本实施方式的多波束海底浅地层剖面探测设备发射的N个信号分量应当满足如 下准则：
[0042] 发射信号分量在u域具有很好的能量聚集特性，即采用LFM信号；
[0043] 各信号分量的频率变化率一致；
[0044] 发射各信号分量的参数可根据已制定的协议自主实现信号发射与信号处理间的 协调工作。
[0045] 满足上述三点的多个分量的发射信号能够保证在u域实现多分量信号的提取分 离。其中，第一点主要从提高系统带宽利用率的角度出发，只有在u域具有很好的能量聚集 特性，才能保证在有限的频带上设计更多的信号分量，并实现宽波束同时接收的多个信号 分量经U域带通滤波后的有效提取与分离；第二点是为了防止U域滤波时出现信号失真，因 为如果各个信号分量的频率变化率不同，U域带通滤波器在对某一信号分量滤波时，会滤出 其它信号分量的成分，造成提取信号的失真，可参见图3和图4,不同频率变化率时提取和 分离信号分量将出现失真。另外，频率变化率设计成一致可简化处理过程，仅对某一最优变 换阶数作一次FrFT变换即可，而不必对各个分量分别作FrFT变换，并且能够很好地提取、 分离出各信号分量，如图5和图6所示，不仅信号不会出现失真，而且仅一次FrFT即可使所 有信号分量在u域出现能量聚集，进而进行u域带通滤波等后续处理；第三点是为了使设备 协调工作，可根据测量需要下达探测测线个数N(或信号分量个数，或相控方向个数）、相控 方向和次序以及调整同步周期。
[0046] 所述多分量信号源1生成N个信号分量需要控制指令发送的信息包括：
[0047] ①各LFM信号分量的高低截止频率= 1、2……N，确定各发射信号分量 的频率范围；
[0048] ②各LFM信号分量的脉冲宽度1\。确定各发射信号分量的脉冲宽度；
[0049] ③多通道发射机2相控发射信号的角度及顺序。控制多通道发射机2开始驱动参 量阵3不同基元的时间，并以事先定义的顺序向不同角度相控发射不同的信号分量。
【权利要求】
1. 一种多波束海底浅地层剖面探测设备，包括干端和湿端，干端由发射模块（12)和信 号处理及显示模块（13)构成，湿端由参量阵（3)和矢量水听器（4)构成，其特征在于： 发射模块（12)，用于生成编码的多分量线性调频信号并驱动参量阵（3)，由多分量信 号源（1)和多通道发射机（2)构成； 多分量信号源（1)，用于接收同步信号和控制指令，并根据控制指令，向多通道发射机 (2) 提供生成的N个频带重合的LFM信号分量，信号分量个数N由控制指令设置，同时向信 号处理及显示模块（13)发送最优变换阶数、信号分量在分数阶傅立叶域u域的分布位 置u Q、检测门限η ; 多通道发射机（2)，利用多分量信号源（1)提供的Ν个线性调频编码信号驱动参量阵 (3) 相控发射； 参量阵（3)，将多通道发射机（2)产生的Ν个信号分量相控发射到Ν个不同的预探测方 向上； 矢量水听器（4)，同时接收Ν条测线上的多分量回波信号，并将接收到的多分量信号发 送到信号处理及显示模块（13); 信号处理及显示模块（13)，实现多分量回波信号的提取与分离，处理得到各条测线的 扫迹，并显示探测得到的Ν个浅地层剖面图； 最优FrFT变换器（5)，根据多分量信号源（1)提供的最优变换阶数ρ_对接收的多分 量回波信号作最优FrFT变换，将变换结果取模值发送至门限检测器（6); 门限检测器（6)，对最优FrFT变换器（5)发送的信号进行门限检测，选取过门限η的 浅地层回波信号，并将过门限的信号发送至u域带通滤波器组（7); u域带通滤波器组（7)，根据多分量信号源（1)提供的第i个信号分量在u域的分布位 置ui(l，利用第i个带通滤波器对多分量回波信号进行u域带通滤波，在u域滤出第i个信号 分量，实现所有N个信号分量在u域的提取与分离，并将提取的各信号分量发送至FrFT逆 变换器（8); FrFT逆变换器（8)，用于对u域带通滤波器组（7)滤出的各信号分量作-ρ_阶的FrFT 逆变换，得到各条测线的回波信号，并发送至拷贝相关器组（9); 拷贝相关器组（9)，用于对各条测线的回波信号序列作拷贝相关处理，得到各条测线上 浅地层剖面的扫迹，并将N条扫迹发送至显示器（10)显示N个浅地层剖面图； 显示器（10)，显示多波束海底浅地层剖面探测设备探测得到的N条测线上的浅地层剖 面图以及控制信息及现场参数信息。
【文档编号】G01S15/88GK104062663SQ201410336422
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年7月15日 优先权日:2014年3月12日
【发明者】李海森, 朱建军, 周天, 魏玉阔, 陈宝伟, 徐超, 杜伟东, 么彬, 魏波 申请人:哈尔滨工程大学