一种下视三维与下视多波束集成水下全景三维成像声呐的制作方法

本发明涉及涉及海洋工程技术设备领域，特别涉及一种下视三维与下视多波束集成水下全景三维成像声呐。

背景技术：

随着海洋科技、海洋经济的深入发展，对海洋的认知和开发已遍布海洋的各个区域，对探查装备的能力需求越来越高，要求探查装备的探测能力从近海延展到中远海，从水中悬浮、沉底目标扩展到海底以下地质层或掩埋物体。因此，对可探测悬浮、沉底和掩埋目标的海洋全景三维探查系统的需求越来越迫切。

在各类小目标探查中，掩埋物探查一直是水下目标探查的一个技术难题。当前主要解决方案有两种：声学探测与磁探。其中，磁探技术作用距离近，分辨率低，探测能力有限(如不能探测非金属目标等)，虚警率高，且对载体有苛刻的要求(如消磁等)，应用范围相对有限。声学的探测方法是水下掩埋物的优选。

现有技术中，传统的声学探测手段主要为浅地层剖面仪，其缺隐表现为：1、浅地层剖面仪探测效率低、分辨率低，一般只能用于探测较粗的管线目标或较大范围的地质剖面，不适合用来探测较小的掩埋目标；2、浅地层为二维成像，只能获得设备下方的剖面图像；3、由于人们涉足海洋的范围急剧增大，对海底各类探测(例如小目标探测、地形探测)的探测效率要求也迅速增加，一方面要求单部声呐的探测效率提升，另一方面要求能够采用多部声呐同时工作的方式，来获得倍增的探测效率。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种下视三维与下视多波束集成水下全景三维成像声呐，针对现有技术中的不足，本发明采用海底下视三维声呐和下视多波束声呐的集成安装，能够实时地同时工作，来实现海底三维成像和海底地形成像，提高了设备对海洋的探查能力和探测效率。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种下视三维与下视多波束集成水下全景三维成像声呐，包括下视多波束声呐发射基阵、下视多波束声呐接收基阵、蒙皮、下视三维声呐发射基阵、发射阵盖板、下视三维声呐接收基阵、下视多波束声呐发射机、下视多波束声呐接收机、下视三维声呐发射机、下视三维声呐接收机、水下控制模块、拖体框架、拖曳架，其特征在于：

所述拖体框架为整体对称的扁平形架构，其中间竖向固定设置有拖曳架、后部两侧固定装配有两块稳定尾翼，所述稳定尾翼之间设置有两组尾舵；所述拖体框架底部设置有下视三维声呐接收基阵，所述下视三维声呐接收基阵的上方前后并排固定设置有下视多波束声呐发射机和下视多波束声呐接收机；所述拖体框架前方中间位置设置有下视多波束声呐发射基阵，所述下视多波束声呐发射基阵的后部拖体框架中部位置设置有下视多波束声呐接收基阵；所述拖体框架后部中间位置设置有下视三维声呐发射基阵，所述下视三维声呐发射基阵的一侧固定设置有水下控制模块、另一侧并排设置有下视三维声呐发射机和下视三维声呐接收机；所述下视三维声呐发射基阵上方设置有发射阵盖板；所述拖体框架内部中间位置还设置有发射电子舱和接收电子舱，拖体框架外部装配有蒙皮，从而构成拖体，并通过互联缆与母船连接；

所述下视三维声呐发射机、下视三维声呐接收机、下视三维声呐发射基阵、下视三维声呐接收基阵协调工作构成下视三维声呐，所述下视三维声呐接收基阵为三维面阵式配置，并通过垂向上利用匹配滤波、垂直航迹向方向上为多波束的波束形成处理、在航迹向上的合成孔径处理，探测获得海底悬浮、沉底、掩埋目标的三维图像；

所述下视多波束声呐发射机、下视多波束声呐接收机、下视多波束声呐发射基阵、下视多波束声呐接收基阵协调工作构成下视多波束声呐，所述下视多波束声呐利用多通道大规模波束形成算法，实时获得海底地形图。

所述下视三维声呐和下视多波束声呐两部声呐分机联合，使得下视三维声呐发射基阵、下视三维声呐接收基阵的收发声波的频率降低，其中心频率为10kHz，提高了声波的穿透性，实现了大深度掩埋目标的探测成像；同时，采用“基于功率谱密度分布的改进脉冲压缩方法”、“基于灰度分布的正下方底混响抑制方法”、“基于底跟踪的自适应分辨率修正方法”进行信号处理和高分辨处理技术，提高了掩埋目标的信噪比，提高了成像分辨率。

所述下视多波束声呐采用高频声呐基阵收发声波，并通过“基于能量法和相位法联合的底跟踪方法”、“时域和频域联合的波束形成方法”信号处理技术，实现海底地形高分辨实时探测。

所述下视三维声呐和下视多波束声呐采用两种方式处理声兼容设计，以避免声波互相串扰、严重影响成像质量；第一种方式是频率上的设计，充分考虑频带分布，所述三维下视声呐工作频带设置于30kHz以内，而下视多波束声呐的工作频带设置于200kHz以上；两者的频带差别较大，利用带通滤波器可将非本声呐分机的频率分量滤除；第二种方式是在时间上的设计，即进行同步设计，本声呐下属的各电子系统均由统一的外部同步模块进行同步，可进一步提高两种声呐的声兼容特性。

通过上述技术方案，本发明技术方案的有益效果是：采用海底下视三维声呐和下视多波束声呐的集成安装，能够实时地同时工作，来实现海底三维成像和海底地形成像，提高了设备对海洋的探查能力和探测效率；有效探测获得海底悬浮、沉底、掩埋目标的三维图像；有效地获得海底各类悬浮和沉底小目标以及海底地貌的高分辨率成像结果；下视多波束声呐和下视三维声呐同时使用，能够弥补各自的缺陷；使用了平板型拖体结构，简化了拖体结构、降低了拖体的重量和尺寸、提高了拖曳姿态稳定性和提高了声呐对海底的扫测效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所公开的一种下视三维与下视多波束集成水下全景三维成像声呐立体轴侧图示意图；

图2为本发明实施例所公开的一种下视三维与下视多波束集成水下全景三维成像声呐俯视图示意图；

图3为本发明实施例所公开的一种下视三维与下视多波束集成水下全景三维成像声呐主视图示意图。

图中数字和字母所表示的相应部件名称：

1.下视多波束声呐发射基阵 2.下视多波束声呐接收基阵

3.蒙皮 4.下视三维声呐发射基阵

5.发射阵盖板 6.下视三维声呐接收基阵

7.下视多波束声呐发射机 8.下视多波束声呐接收机

9.下视三维声呐发射机 10.下视三维声呐接收机

11.水下控制模块 12.拖体框架

13.拖曳架

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据图1、图2和图3，本发明提供了一种下视三维与下视多波束集成水下全景三维成像声呐，包括下视多波束声呐发射基阵1、下视多波束声呐接收基阵2、蒙皮3、下视三维声呐发射基阵4、发射阵盖板5、下视三维声呐接收基阵6、下视多波束声呐发射机7、下视多波束声呐接收机8、下视三维声呐发射机9、下视三维声呐接收机10、水下控制模块11、拖体框架12、拖曳架13，其特征在于：

所述拖体框架12为整体对称的扁平形架构，其中间竖向固定设置有拖曳架13、后部两侧固定装配有两块稳定尾翼，所述稳定尾翼之间设置有两组尾舵；所述拖体框架12底部设置有下视三维声呐接收基阵6，所述下视三维声呐接收基阵6的上方前后并排固定设置有下视多波束声呐发射机7和下视多波束声呐接收机8；所述拖体框架12前方中间位置设置有下视多波束声呐发射基阵1，所述下视多波束声呐发射基阵1的后部拖体框架12中部位置设置有下视多波束声呐接收基阵2；所述拖体框架12后部中间位置设置有下视三维声呐发射基阵4，所述下视三维声呐发射基阵4的一侧固定设置有水下控制模块11、另一侧并排设置有下视三维声呐发射机9和下视三维声呐接收机10；所述下视三维声呐发射基阵1上方设置有发射阵盖板5；所述拖体框架12内部中间位置还设置有发射电子舱和接收电子舱，拖体框架12外部装配有蒙皮，从而构成拖体，并通过互联缆与母船连接；

所述下视三维声呐发射机9、下视三维声呐接收机10、下视三维声呐发射基阵4、下视三维声呐接收基阵6协调工作构成下视三维声呐，所述下视三维声呐接收基阵6为三维面阵式配置，并通过垂向上利用匹配滤波、垂直航迹向方向上为多波束的波束形成处理、在航迹向上的合成孔径处理，探测获得海底悬浮、沉底、掩埋目标的三维图像；

所述下视多波束声呐发射机7、下视多波束声呐接收机8、下视多波束声呐发射基阵1、下视多波束声呐接收基阵2协调工作构成下视多波束声呐，所述下视多波束声呐利用多通道大规模波束形成算法，实时获得海底地形图。

所述下视三维声呐和下视多波束声呐两部声呐分机联合，使得下视三维声呐发射基阵4、下视三维声呐接收基阵6的收发声波的频率降低，其中心频率为10kHz，提高了声波的穿透性，实现了大深度掩埋目标的探测成像；同时，采用“基于功率谱密度分布的改进脉冲压缩方法”、“基于灰度分布的正下方底混响抑制方法”、“基于底跟踪的自适应分辨率修正方法”进行信号处理和高分辨处理技术，提高了掩埋目标的信噪比，提高了成像分辨率。

所述下视多波束声呐采用高频声呐基阵收发声波，并通过“基于能量法和相位法联合的底跟踪方法”、“时域和频域联合的波束形成方法”信号处理技术，实现海底地形高分辨实时探测。

所述下视三维声呐和下视多波束声呐采用两种方式处理声兼容设计，以避免声波互相串扰、严重影响成像质量；第一种方式是频率上的设计，充分考虑频带分布，所述三维下视声呐工作频带设置于30kHz以内，而下视多波束声呐的工作频带设置于200kHz以上；两者的频带差别较大，利用带通滤波器可将非本声呐分机的频率分量滤除；第二种方式是在时间上的设计，即进行同步设计，本声呐下属的各电子系统均由统一的外部同步模块进行同步，可进一步提高两种声呐的声兼容特性。

所述基于功率谱密度分布的改进脉冲压缩方法：传统脉冲压缩方法是基于线性调频信号在频带内的谱密度分布是常数的假设，但实际中发射机在设计时很难保证其线性度，此外信号经过水体传播后，由于水体对不同频率的吸收系数不同，因此即使完全线性的调频信号经过传输和采集后，其低频部分吸收较少，回波功率谱密度较大，高频段则相反，回波功率谱密度较低；该方法对回波数据进行功率谱分析后，拟合带内功率谱分布曲线，并根据这个拟合的曲线在脉冲压缩参考信号上进行补偿；

所述基于灰度分布的正下方底混响抑制方法：海底目标散射强度受入射角度影响较大，正下方入射角度最小，反射回波明显较强；在波束域数据上，在垂直航迹方向上选取同一距离的回波，统计其灰度分布，多个距离的灰度分布求均值，拟合灰度分布曲线，利用该曲线对波束数据进行补偿，抑制声呐正下方底混响；

所述基于底跟踪的自适应分辨率修正方法：波束形成数据运算量较大，而大量的水体部分的数据并无实际意义，为此提出自动距离门和自动分辨率的方法；利用相邻数据帧的测底不会突变的特性，将上一帧测底结果应用到本帧波束形成及测底中，在底附近的数据进行高分辨率处理，远离底的区域数据进行低分辨率处理，从而提高测底精度，同时保证运算效率；与全深度同一分辨率波束形成相比，能够保证探测掩埋深度更大、有效数据的分辨率更高，从而解决了探掩埋深度和分辨率之间的矛盾；

所述时域和频域联合的波束形成方法：时域波束形成准确度高，运算效率低，频域波束形成运算效率高，但在近场条件下运算误差较大，为此采用在近场使用时域波束形成，远场条件下使用频域波束形成的时频联合多通道大规模并行波束形成，处理时充分利用现代计算机多核的特点，进行并行处理，提高运算效率。

通过上述具体实施例，本发明的有益效果是：采用海底下视三维声呐和下视多波束声呐的集成安装，能够实时地同时工作，来实现海底三维成像和海底地形成像，提高了设备对海洋的探查能力和探测效率；有效探测获得海底悬浮、沉底、掩埋目标的三维图像；有效地获得海底各类悬浮和沉底小目标以及海底地貌的高分辨率成像结果；下视多波束声呐和下视三维声呐同时使用，能够弥补各自的缺陷；使用了平板型拖体结构，简化了拖体结构、降低了拖体的重量和尺寸、提高了拖曳姿态稳定性和提高了声呐对海底的扫测效率。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。