CN101852854B - 一种水下多波束测探***及其探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种水下多波束测探***及其探测方法，所述***该包括微机控制***、与微机控制***连接的声波发射***和声波接收检测***，所述声波发射***设置有多个单一发射基元，每个单一发射基元包含多个谐振频率不同的发射换能器；本发明还涉及根据该***的水下多波束测深方法，通过独特的“扫频选频”和“跳频测深”两种模式，通过减小跳频驻留时间提高测深的距离分辨力，通过增加跳频的频点数目提高测深量程，解决了单频脉冲测深存在距离分辨力与测距范围之间的矛盾。本发明既能有效对抗水声信道频率选择性衰落和复杂的环境噪声，又能精确估计出各波束角度下的第一回波到达时间，提高了水下多波束测深的精度。

Description

一种水下多波束测探***及其探测方法

技术领域

本发明涉及属于水声探测的技术领域，具体涉及一种水下多波束测探***和方法。

背景技术

自从20世纪初，美国科学家费森登制造出第一台回声探测仪后，水声回波测深法便逐渐成为水下地形的测量的主要方法。传统的回波测深法和传统的超声波测距原理一致，首先发送换能器垂直向下发射声波，声波到达水底发生反射，然后反射回波到达接收换能器被接收。根据估计获得的回波相对于发射声波的延时τ，和声波在水中的传输速度υ(已知)，得到水深

所以，超声测距和测深的重点都是估计回波相对于发射波的延时。传统的回波测深法由于仅采用一个发射波束进行探测，所以又称为单波束测深技术。然而，由于单波束测深技术一次测量仅能得到换能器正下方的一个深度值，效率很低，单波束的测深技术逐渐被多波束测深技术所取代。

水下多波束测深技术主要是指通过安放在船体的水声换能器阵列，经过数字波束形成技术使得海底反射回波在垂直于航行方向形成多个不同角度的窄波束，从而形成测量扇面，一次测量便能得到一个条带内的多个深度值。这很大程度地改进了传统单波束测深技术一次只能测量一个深度点的缺陷，提高了测量的效率和精度。由于目前我国在海洋资源开采、航运以及海洋考古等领域的不断深入，水下多波束测深技术受到了广泛的关注。

于2008年1月16日授权的中国发明专利CN201007741Y提出了一种便携式的多波束测深仪。该装置通过水上处理分机控制安装于船底龙骨的由等间距多通道收发合置换能器组成的均匀线阵向水下发射声波和接收水底回波，再通过先进的数字信号处理器实现信息的采集、多波束处理、显示和存储。从而解决在一个测量周期内得到多达21个水深数据的问题，提高了测量效率。但这种装置存有一些不足：1、该装置采用单频连续脉冲，而水声信道为频率选择性衰落信道，固定的单频信号可能会遇到很大的衰减，导致检测不出回波信号，测量精度下降和测量范围缩减；2、该装置采用信号能量中心方法检测回波到达时间，该方法通过加权平均估计回波的到达时间，因此测量的深度值其实是波束照射范围内多散射点的平均水深值。这样尽管能很好的降低背景噪声对测量的影响，但是当存在二次回波或者波束宽度较大、海底散射点较多时，这种基于中值估计的时间确定方法在测量精度上便会有所下降。3、存在距离分辨力与测距范围之间的矛盾，如果要求***测量的深度量程提高，则要求换能器的发射功率越大或者发射脉冲的持续时间越长，但是换能器的发射功率存在上限，如果加大发射脉冲的持续时间又将导致距离分辨力的下降。

在超声测距领域，于2000年12月3日授权的中国发明专利CN1059498C提出了一种伪随机超声波测距方法及仪器。该仪器利用了伪随机跳时思想，通过超声换能器发射和接收一种带有伪随机特征的脉冲超声波，末端微机***作为信息处理和控制中心只对此次具有伪随机特征的信号进行识别和提取，从而有很强的抗环境噪声干扰能力。并且通过接收的伪随机信号波与发射时存入的伪随机编码比较、提取，能很准确地确定回波的到达时间，提高了测距***的分辨能力和准确度。但是该仪器仍然使用单一频率的发射脉冲，只是用伪随机序列去控制脉冲的宽度和时序，所以在频率选择性信道下，仍然有遭遇剧烈衰减的可能，破坏伪随机超声波的自相关性能。

一种很好的对抗频率选择性衰落和多径效应的方法便是扩频，并且由于扩频测距没有脉冲测距中测量距离量程和距离分辨力的矛盾，被认为是一种很有效的测距方法。最早使用扩频测距技术的例子便是全球定位***(GPS)，而后基于宽带线性调频的扩频测距技术被广泛应用与雷达中。然而，传统的直接序列扩频测距技术对发射带宽要求很高，而普通的水声换能器发射带宽比较窄，一般需要发射脉冲的频率与换能器的谐振频率一致才能让发射超声波的能量最大，所以如果要在水声测距领域中使用传统的扩频技术，则对水声换能器的硬件要求很高，增加了***的成本。此外，由于普通的压电换能器是通过压电效应向外发射机械波，它在产生超声波的过程中，存在较为严重的“拖尾”现象，即压电晶片要经过几个振动周期才能由“起振”跨越到“共振”，并且在停止激励的情况下还会存在“余振”，这也使得运用单个换能器实现快速的变频存在困难。

综上所述，现有水下多波束测深技术主要在以下方面存在着一些局限性及不足：(1)单频信号抗水下环境干扰能力差且容易受到水声信道的频率选择性衰落影响；(2)信号能量中心方法检测不能精确估计第一回波的到达时间；(3)传统的脉冲探测法存在距离分辨力与测距范围之间的矛盾。此外，将伪随机超声测距和扩频测距应用于水声测深时，又将面临如下两个问题：(1)普通水声换能器的发射带宽较窄，频谱扩展能力有限；(2)压电换能器“拖尾”现象严重，频率跳变迟缓。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种既能有效对抗水声信道频率选择性衰落和复杂的环境噪声，又能精确估计出各波束角度下的第一回波到达时间，提高水下多波束测深的精度的水下多波束测探***。

本发明的另一目的是提供所述水下多波束测探***的测探方法，该方法通过减小跳频驻留时间提高测深的距离分辨力，通过增加跳频的频点数目提高测深量程，解决了单频脉冲测深存在距离分辨力与测距范围之间的矛盾。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种水下多波束测探***，包括微机控制***，通过总线接口与微机控制***连接的声波发射***和声波接收检测***，所述声波发射***设置有多个单一发射基元，每个单一发射基元包含多个谐振频率不同的发射换能器。

上述的水下多波束测探***中，所述声波发射***还包括发射控制处理中心，微机控制***通过第一总线接口连接发射控制处理中心的输入端；发射控制处理中心的输出端通过第一接口与多个单一发射基元相连，多个单一发射基元用于频率码的同步传输，发射控制处理中心还通过第二接口与多个单一发射基元相连，用于地址码的同步传输。

上述的水下多波束测探***中，所述声波接收检测***包括接收控制处理中心、与接收控制处理中心连接的信号预处理模块、高速存储器、波束形成模块、回波时频同步估计模块，接收控制处理中心通过第二总线接口与微机控制***连接，多个信号预处理模块各自连接有用以接收水底反射回波的接收换能器阵列。

上述的水下多波束测探***中，所述多个单一发射基元按等间距排列组成均匀发射线阵，并沿船底龙骨布设；所述接收换能器阵列采用等间距的水声换能器组成的均匀线阵并沿垂直船底龙骨方向布设。

上述的水下多波束测探***的测探方法，所述声波发射***和声波接收检测***均具备“扫频选频”和“跳频测深”两种工作模式，该测探方法包括下列步骤：

步骤1：在“扫频选频”模式下，微机控制***从声波发射***发射的扫频水声信号筛选出受衰减和干扰影响较小的频点；

步骤2：在“跳频测深”模式下根据步骤1筛选出的频点发射水声跳频探测信号，声波接收检测***通过短时傅里叶变换(STFT)对各波束角度下的接收信号进行时频分析，从而捕获到与发送出的探测信号跳频规律相一致的回波信号；

步骤3：将步骤2捕获的时间作为该波束角度下的回波到达时间进行深度值的计算。

上述的水下多波束测探***的测探方法中，步骤1包括下列过程：

步骤11：微机控制***向声波发射***的发射控制处理中心和声波接收检测***的接收控制处理中心发送控制指令，使测探***进入“扫频选频”工作模式，并同时传送此阶段必须的跳频参数；

步骤12：“扫频选频”楔式下，发射控制处理中心在跳频带宽允许的频率范围内按照跳频间隔的要求生成频点集合和对应的频率码集合，并将各频率码与相应的发射换能器地址码分组，再按分组次序将频率码和地址码发送给单一发射基元；单一发射基元中根据频率码产生不同频率的信号，再根据地址码将信号送入指定的发射换能器进行发射；带有扫频特性的声波信号连续发送至水下并经水底反射后由声波接收检测***接收；

步骤13：声波接收检测***的接收换能器阵列接收回波信号，并由信号预处理模块进行相关的放大滤波和采样，然后接收控制处理中心将离散的各路采样数据按时间先后进行存储，并指示波束形成模块取出采样数据进行波束形成，并存***束形成模块波束形成后输出的带有角度、幅度和时间信息的时间片；在波束形成进行的同时，接收控制处理中心指示回波时频同步估计模块对波束形成模块输出的同波束角度下时间片进行短时傅里叶变换(STFT)频域分析，并通过门限比较输出超过阀值的频点，并将这些频点信息传回给接收控制处理中心进行保存；接收控制处理中心把得到的不同波束角度下保存的频点集合以及频点所对应的幅度信息传送给微机控制***进行筛选；

上述的水下多波束测探***的测探方法中，步骤2包括下列过程：

步骤21：微机控制***筛选最优的频点后向发射控制处理中心和接收控制处理中心发送控制指令，使测深***进入“跳频测深”模式，同时传送此阶段经筛选后确定的跳频参数，并开启接收控制处理中心的计时器；

步骤22：“跳频测深”模式下，发射控制处理中心按已接收到的跳频参数，在规定时间间隔内按序发送所指定的频率码和地址码给单一发射基元，使测深***发送指定的水声跳频探测信号；

步骤23：“跳频测深”模式下，声波接收检测***的波束形成模块针对全部的波束方向进行波束形成，回波时频同步估计模块将门限比较后输出的频率和对应的时间进行存储，然后再按一定间隔移动窗函数取出该波束角度的下一组数据点进行短时傅里叶变换分析，经过短时傅里叶变换(STFT)频域分析后得到该波束角度下接收信号随时间的主要频点分布表，即时间——频点关系表，最后对该表进行遍历并参照已知的探测信号的频率跳变先后次序进行查找，得到该波束角度下第一回波的到达时间，传送给接收控制处理中心。

所述的水下多波束测探***的测探方法，其特征在于：步骤3包括下列过程：

步骤31：接收控制处理中心收集完所有波束角度下的第一回波到达时间后，将波束角和相应的时间发送给微机控制***；

步骤32：微机控制***根据波束角度和回波到达时间得出对应探测点的深度和相对坐标。

上述的水下多波束测探***的测探方法中，步骤11所述的跳频参数包括：跳频驻留时间、跳频间隔和跳频带宽；步骤13所述波束形成模块取出采样数据进行波束形成时选取接收换能器阵列正下方和左右最外端的波束角度进行波束形成。

上述的水下多波束测探***的测探方法中，步骤21所述的跳频参数包括：跳频驻留时间、发射分组、跳频信息以及循环次数；其中发射分组包含：筛选出的频率码和对应的地址码分组以及分组的发送次序；跳频信息即按照发射分组要求得到的探测信号的频率跳变规律。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

本发明将陆地无线通信中的跳频思想应用到水下声学多波束测深中，通过扫频选择受水声信道干扰和衰落影响较小的频点用于跳频，并将跳频同步捕获技术用于估计第一回波到达时间；此外，本发明还通过将多个谐振频率不同的换能器组合到一个发射基元中进行交替式地跳频，从而能发射不同频率的声波，解决了跳频技术在普通换能器上难以实现的问题。相对于现有技术，其具体优点及有益效果在于：

1、通过引入跳频技术和发射频点选择机制即“扫频选频”模式，使得***具有很强的抗干扰能力，特别是能有效对抗水声信道的频率选择性衰落和复杂的环境噪声。

2、通过跳频同步捕获技术估计回波到达时间，摆脱了传统水下多波束测深技术的能量中心检测技术，能够精确地估计波束角度内的第一回波到达时间。

3、将多个窄带换能器组合为一个发射基元，不同频率的声波由不同的换能器发射，这种多换能器组合跳频发射方法克服了普通水声换能器发射带宽窄、频率跳变慢的缺陷，使得扩频技术在窄带水声换能器上得以实现，降低了***的成本。

4、抗干扰能力的加强也意味着***测深量程的提高，并且在同等测深条件下，***还能节省发射功率。

5、能够通过设定跳频驻留时间和跳频频点数目来分别满足不同的测深分辨率和深度量程的要求。

附图说明

图1是实施方式所述***的结构原理图；

图2是实施方式所述单一发射基元的结构原理图；

图3是实施方式所述回波时频同步估计模块“扫频选频”模式的工作流程图；

图4是回波时频同步估计模块“跳频测深”模式的工作流程图；

图5是实施方式所述发射控制处理中心“扫频选频”模式的工作流程图；

图6是实施方式所述接收控制处理中心“扫频选频”模式的工作流程图；

图7是实施方式所述发射控制处理中心“跳频测深”模式的工作流程图；

图8是实施方式所述接收控制处理中心“跳频测深”模式的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，但本发明的具体实施和保护范围不限于此。

参见图1，本实施方式中的水下多波束测探***主要由：微机控制***1、声波发射***2和声波接收检测***3组成。其中，

声波发射***2包括发射控制处理中心5、第一接口6、第二接口7和多个单一发射基元8；每个单一发射基元8包含多个谐振频率不同的发射换能器21，微机控制***1通过第一总线接口4与发射控制处理中心5相连；发射控制处理中心5通过第一接口6与多个单一发射基元8相连，用于频率码k的同步传输，实现对发射声波频率变化的控制；此外，发射控制处理中心5还通过第二接口7与多个单一发射基元8相连，用于地址码d的同步传输，实现对单一发射基元8中各窄带发射换能器21的选择开启控制；不同的频率码k对应不同地址码d，最终使得不同的声波频率用不同的窄带发射换能器21进行发射。发射控制处理中心5具备“扫频选频”和“跳频测深”两种工作模式，并依据微机控制***1的控制信息选择其工作模式，当发射控制处理中心5为扫频选频模式时，将依序改变传送给单一发射基元8的频率码k和对应的换能器地址码d，使***发射扫频信号用以测试***测深将使用的跳频参数；当发射控制处理中心5为测深模式时，则按预先设定的跳频参数发射跳频声波。

声波接收检测部分3包括接收换能器阵列9、信号预处理模块10、接收控制处理中心11、高速存储器12、波束形成模块13、回波时频同步估计模块14和第二总线接口15。其中，接收换能器阵列9采用等间距的水声换能器组成的均匀线阵并沿垂直船底龙骨方向布设，并且接收换能器阵列9中的各个水声换能器分别与信号预处理模块10相连；水声换能器将反射回的声波信号转换为电信号作为信号预处理模块10的输入，由各路信号预处理模块10实现对接收信号的前置放大、滤波和A/D采样处理，然后通过与接收控制处理中心11的信号连接，将采样数据交由接收控制处理中心11进行存储；接收控制处理中心11主要负责整个接收端的任务调度和计时，它与发射端相对应，也有“扫频选频”和“跳频测深”两种工作模式；高速存储器12、波束形成模块13和回波时频同步估计模块14分别与接收控制处理中心11连接，组成声波接收检测***3的核心；接收控制处理中心11、波束形成模块13和回波时频同步估计模块14可由计算机或者高速数字信号处理器予以实现；接收控制处理中心11通过第二总线接口15与微机控制***1相连，传输声波接收检测***3的处理结果。

如图2所示，单一发射基元8包括：时钟电路16、直接数字频率合成器17、滤波器18、选通芯片19、功率放大器20和发射换能器21。其中，时钟电路16和来自发射控制处理中心5的频率码k分别作为直接数字频率合成器17的输入；直接数字频率合成器17再与滤波器18相连，将根据输入的频率码k而产生的特定频率的电信号送入滤波器18中滤除杂波；滤波器18的输出和来自发射控制处理中心5的地址码d分别作为选通芯片19的两个主要输入；此外，选通芯片19还与各路发射换能器21相应的功率放大器20相连，并根据输入的地址码d，把来自滤波器18的特定频率的电信号与指定的某一功率放大器20接通，电信号经功率放大后，最后由与该路功率放大器20串联的发射换能器21将电信号转变为声信号发射出去。需要注意的是，整个单一发射基元8的输入信号——频率码k和地址码d是相对应的，并且地址码d与各发射换能器21一一对应。对于窄带发射换能器21来说，当其结构确定后，其谐振频率和发射带宽也就确定了，并且该发射换能器21能发射的频点也被限定。所以频率码k与地址码d的组合并不是任意的，必须考虑到该当前地址码d对应的发射换能器21的发射带宽是否覆盖了当前频率码k所指定的信号频率。当频率码k发生变化，其对应的地址码d也将变化，从而使得不同频率的信号由不同的换能器发射。其中，发射换能器21为普通的窄带水声换能器，但是各发射换能器21的谐振频率彼此不同，并在所需的跳频带宽内均匀分布，使得多个带宽仅为2～4KHz的发射换能器21组合起来满足发射所需的跳频带宽。多个单一发射基元8可按等间距排列组成均匀发射阵列，沿船底龙骨布设；直接数字频率合成器17可以使用AD公司的AD9850数字直接频率合成芯片实现；选通芯片19可以使用4051多路选通芯片实现，当单一发射基元8中包含的发射换能器21数目较多时，可将多个芯片组合进行扩展。

结合对图1和图2，分别对本实施方式所述水下多波束测探***的关键部分进行说明：

微机控制***1：微机控制***1作为整个水声多波束测深***的操作显示终端，它实现与用户的交互，提供可视化的界面显示测深结果并接收来自用户的操作控制。此外，对于初始深度数据的修正，比如：声速、船姿、吃水和潮汐修正等也交由微机控制***1与相应的其他辅助测量设备完成。微机控制***1的控制指令包括：开启指令、结束指令、“扫频选频”模式指令、“跳频测深”模式指令；各种参数包括：跳频驻留时间T_h、跳频间隔Δf、跳频带宽W_h、循环次数R、发送分组和跳频信息。各参数说明如下：

(1)跳频驻留时间T_h即跳频探测中各频点信号的持续时间，它与测深的分辨率相关，越高的深度分辨率需要更短暂的跳频驻留时间；

(2)跳频间隔Δf即各频点的频率间隔，优选为500Hz；

(3)跳频带宽W_h即跳频探测需要的总带宽，该参数需要在单一发射基元8能够发射的带宽范围内；

(4)循环次数R即在“跳频测深”模式中，跳频探测信号的重复发送次数；

(5)发射分组即在“跳频测深”模式中，经过微机控制***1筛选出的频率码和对应的地址码分组以及分组的发送次序；

(6)跳频信息即在“跳频测深”模式中，按照发射分组要求得到的跳频探测信号的频率跳变规律；

其中，发射分组的确定，首先需要微机控制***1将“扫频选频”模式下获知的可探测到的频点进行筛选，然后安排所筛选出的频点对应的频率码k和地址码d分组的发射次序。筛选频点需要注意以下几个问题：(1)根据发射控制处理中心5反馈的发射频点信息剔除噪声频点；(2)在前一条件满足的情况下，尽量选择能量高的频点；(3)尽量让筛选出的频点平均分布在各发射换能器21的发射带宽内，减轻单个换能器的发射负担；(4)筛选出的频点数目与测深的量程有关，探测深度越大可以相应地增大频点数目。此外，考虑到普通换能器存在严重的“拖尾”现象，不能快速的进行频率跳变，在安排发射分组次序时，需要尽量拉大同一发射换能器21再次进行发射的间隔时间。

单一发射基元8：单一发射基元8的特点之一是采用了直接数字频率合成技术来生成需求的不同频率的信号。如图2所示，直接数字频率合成器17作为产生跳频信号的核心，具有频率分辨率高、稳定性好、可灵活产生多种信号的优点。以AD公司的AD9850直接数字频率合成芯片为例，其输出频率f_out与时钟频率f_s的关系为：f_out＝(k/2³²)f_s，其中k是通过接口6写入AD9850的一个32位频率码。当k均为0时，输出频率f_out最低，即AD9850的输出频率分辨率；当k最高位为1，其余为0时，输出频率f_out最高，即f_s/2(达到采样定律最高允许值)。但是实际应用中，为了得到好的波形，设计最高输出频率小于时钟频率的1/3。由于高频声波在水声信道中的吸收损失很大，所以发射声波频率相对于陆地无线通信电波的频率要小很多，这里时钟频率f_s可以仅取4MHz便能覆盖水声探测常用的频点。此时，限定AD9850直接数字频率合成芯片的最高输出频率f_out为1MHz，即频率码k最高限定为2³⁰；最低输出频率f_out为0.00093Hz。但是在本实施方式所述***中，微机控制***1会再次限定跳频带宽，通常在带宽在10KHz～500KHz内选择频点，具体情况需要根据测量深度等情况再适当加以缩小。单一发射基元8的另一特点便是将多个发射换能器21组合起来进行跳频探测信号的发射。为了解决普通水声换能器发射带宽窄、频率跳变慢的问题，单一发射基元8中的各发射换能器21在结构上需要有所不同，使得谐振频率在跳频带宽内均匀间隔，使得多个发射换能器21的窄带宽组合起来满足探测所需的跳频带宽要求。例如：通常浅水600～1000m测深所用声信号频率在95KHz以上，若跳频带宽W_h取为100KHz～180KHz，发射换能器21发射带宽为4KHz，则每个单一发射基元8中需要20个，并且各发射换能器21的谐振频率从102KHz起以4KHz的增量递增分布，最终这20个带宽仅4KHz的窄带发射换能器21便能覆盖跳频所需的80KHz的带宽。在发射水声跳频探测信号时，各发射换能器21仅发送其4KHz带宽内的频点信号，由发射控制处理中心5根据单一发射基元8中各发射换能器21的发射带宽特性，确定地址码d与频率码k的分组关系。

波束形成模块13：波束形成模块13主要基于接收换能器阵列9通过波束形成算法将各路信号进行延迟叠加最终生成针对不同波束角度的带有幅度和相位的时间序列。波束形成模块13输出数据的存储形式如表1所示。通常把同一时刻所有波束角度下的输出数据称为一个时间片，即表格中的列，例如：{A₁₂，A₂₂……A_N2}为时间为t₂的一个时间片，其中A_ij为在波束角度θ_i和离散采样时间t_j下的信号幅度。波束形成算法可以使用常用的DFT波束形成方法或者直接相移多波束形成方法。

表1本实施方式所述波束形成模块13输出的数据表形式

回波时频同步估计模块14：回波时频同步估计模块14采用完全数字化的信号处理方法进行回波跳频信号的同步捕获，通过将波束形成模块13的输出数据(如表1)按角度取出时间序列并进行傅里叶变换转换到频域下进行分析，最终实现对波达时间(TOA)的估计，并且这种波达时间的估计将针对波束形成模块13输出的各个波束角度下的时间序列进行，则得到的每一个波达时间与其对应的波束角度(DOA)在微机控制***1里经过简单的声程法和三角函数解算便能获得多波束条带内各个探测点的深度数据。相应地，回波时频同步估计模块14也有“扫频选频”和“跳频测深”两种工作模式。

图3所示为回波时频同步估计模块14在“扫频选频”模式下的工作流程。由图知，回波时频同步估计模块14将表1所示的波束形成模块13的输出数据表按波束角度θ₁～θ_N顺序取出，针对每个角度θ_i每次取出F个离散数据来进行短时傅里叶变换，得到F个离散数据的频谱，通过频率阀值比较得到幅度较好即衰减较小的频点值并输出，完成各波束角度的前F个时间点的频域分析；然后再重新按波束角度θ₁～θ_N顺序取出各角度下的第F+1到2F内的F个时间点做相同的频域分析，如此循环直到收到接收控制处理中心11的结束指令。在“扫频选频”模式下，回波时频同步估计模块14并不估计各角度下信号的回波到达时间，仅将频率分析筛选出的各角度下的频点信息输出，用于微机控制***筛选频点进行测深。

图4所示为回波时频同步估计模块14在“跳频测深”模式下的工作流程。与“扫频选频”模式不同的是，“跳频测深”下回波时频同步估计模块14先捕获了当前波束角度θ_i下的第一回波到达时间，再跳转到下一波束角度θ_i+1进行相同的时间捕获过程。该模式下短时傅里叶变换处理基本和“扫频选频”一致，只是每次读取的时间点为M，一般情况下可令M＜F，因为“扫频选频”模式无需捕获时间，F适当的增大能够减少循环的次数，缩短“扫频选频”的分析时间；M的数值需要满足一个跳频驻留时间内的采样点数，即满足M＝T_h/T_c，其中T_h为跳频驻留时间，T_c＝1/f_c为接收的采样间隔，f_c为接收采样频率。此外，由于要进行回波时间的捕获，在每次M点频域分析后必须将对应M点的起始时间t_j下的频点信息写入表2所示的时间——频点关系表，用于根据跳频信息查表捕获回波到达时间。

表2本实施方式回波时频同步估计模块中所述的时间——频点关系表形式

时间	频率成分(超出阀值的频点)
		t1	f1
t1+M	f1f2
		t1+2M	f2f3

t1+3M	f3f4
		t1+4M	f4f5
···	···

表2为一个简单的经过时频分析生成的关系表，表的第一列{t₁，t_1+M，t_1+2M，……}代表时频分析时读取的M个数据点中起始点对应的时间，表的第二列即各时间下M个数据点中包含的频点信息；假设发送的跳频顺序为{f₁，f₂，f₃，f₄，f₅}仅发射五个频点，通过分析后得到表2所示时间——频点关系表，则通过一个简单的查表算法从t₁开始遍历全表便能找到首个时间顺序符合{f₁，f₂，f₃，f₄，f₅}的五个频点信息，然后将t₁作为第一回波的到达时间与此次时频分析的波束角度θ_i一同传送给接收控制处理中心11，完成该角度θ_i的回波时间捕获。回波时频同步估计模块14的分析处理过程较为复杂，在实际应用中可以通过增加高速数字信号处理器的数目，将任务按角度进行划分处理，从而形成并行的处理结构。

图5至图8为采用图1所示***中的发射控制处理中心5和接收控制处理中心11实现本实施方式水下多波束测深方法的处理流程，其中图5和图6针对本实施方式所述“扫频选频”模式，图7和图8针对本实施方式所述“跳频测深”模式。结合图5到图8，所述水下多波束测深***的测深方法包括以下四个运作部分：

一、本实施方式所述发射控制处理中心5“扫频选频”模式的工作流程分为以下几个步骤：如图5所示，

步骤1，***开启后微机控制***1同时向发射控制处理中心5和接收控制处理中心11发送“扫频选频”模式控制指令。发射控制处理中心5首先按控制指令进入“扫频选频”工作模式，并同时接收跳频参数，参数包含：跳频驻留时间T_h、跳频间隔Δf和跳频带宽W_h。

步骤2，发射控制处理中心5接收完跳频参数后，将按照跳频带宽W_h限定的范围和跳频间隔Δf生成各频点及相应频率码组成频率码集合K，频率码集合K的生成方法按以下计算步骤进行：

(1)由跳频间隔Δf计算对应的频率码间隔值Δk，

其中

表示向下取整，其中假设单一发射基元8中直接数字频率合成器17输出的最低频率分辨力为

(2)由跳频带宽W_h计算频率码的取值范围[k_l，k_h]，这里仍以AD9850为例

其中f₁，f_h分别为W_h限定的最低频率和最高频率，f_s为直接数字频率合成器17的时钟频率。

(3)在[k_l，k_h]内k_l从开始等间隔Δk取出频率码k_i组成频率码集合K，直到到达k_h。

步骤3，发射控制处理中心5得到频率码集合K后，需要将单一发射基元8中每个发射换能器21的地址码d_i与K中频率码k_i进行分组；由于“扫频选频”模式下，频率码集合K中的元素个数往往远大于地址码集合D中的元素个数，所以频率码集合K与地址码集合D不是一一对应的关系；由步骤2可知，频率码k_i的生成只根据微机控制***1指定的跳频间隔Δf和跳频带宽W_h要求，但是单一发射基元8中的发射换能器21能发射声波的频率范围各不相同，每个发射换能器21仅能发射其带宽内的频率信号，所以发射控制处理中心5需根据发射换能器21的发射带宽，将频率码ki与各换能器的地址码d_i进行分组，建立频率码k_i与地址码d_i的对应关系。此外，当跳频间隔Δf小于发射换能器21的发射带宽时，可能出现多个频点的信号需要同一个发射换能器21发射的情况，即出现换能器复用。但考虑到发射换能器21存在的“拖尾”现象，在分组时应尽量拉大换能器复用的时间间隔。分组方法如下：

(1)首先发射控制处理中心5根据单一发射基元8中各发射换能器21的发射频率范围，得到每一个地址码d_i对应的发射换能器21能够接受的频率码范围；仍以AD9850为例，若设地址码d_i对应的窄带发射换能器21的发射频率范围覆盖f′_L到f′_h，则其能够接受的频率码范围为[k′_L，k′_H]_i，其中

(2)然后将步骤2得到的频率码集合K与地址码集合D建立对应关系，通常D中的一个地址码将对应K中的多个频率码，即一个发射换能器21将需要发送在其发射带宽内的多个频点信号。这种对应关系如表3所示，表3假设地址码集合D中元素个数为m，即一个单一发射基元8中包含m个发射换能器21；设频率码集合K的元素个数为G，且每个发射换能器21的发射带宽内包含了8个需要发送的频点，即每个地址码对应8个频率码。

表3频率码与地址码对应关系示意

(3)最后进行发射分组，为了拉大发射换能器21发射时的复用时间间隔，避免同一发射换能器21连续发送不同频率的信号，可将表3中的频率码和对应地址码按列依次取出组成分组，并同时标定分组发送次序。例如(d₁，k₁)₁，(d₂，k₉)₂，……，(d_m，k_G-7)_m，(d₁，k₂)_m+1，(d₂，k₁₀)_m+2，……，(d_m，k_G)_G总共G个分组。这样发射换能器21的发射复用周期为mT_h。

生成了G个对应频率码和地址码的分组后，发射控制处理中心5还需将生成的分组信息以及各个分组中频率码对应的频点信息反馈回微机控制***1，作为微机控制***1筛选频点确定发射分组参数的参考。

步骤4，发射控制处理中心5按图5所示的循环将各组频率码和地址码依次传送给各单一发射基元8，每发送一组等待一跳频驻留时间T_h再发送下一组，直至发送完所有分组则模块运行结束。

二、，本实施方式所述接收控制处理中心11“扫频选频”式的工作流程分为以下几个步骤：如图6

步骤1，首先接收控制处理中心11按控制指令进入“扫频选频”工作模式，并同时接收跳频参数。

步骤2，接收控制处理中心11开启接收电路，由于发射的声波要经过一断时间才会反射回来，所以这里可以在延迟一段时间后再开启接收电路。

步骤3，接收控制处理中心11将各路信号预处理模块10处理采样后的数据按采样时间t_j(j＝1，2，…)存储，并指示波束形成模块13读取数据进行波束形成同时指定需要形成的波束角度，优选接收换能器阵列9正下方和左右最外端的波束角度。

步骤4，当波束形成模块13输出如表1所示的数据表后，接收控制处理中心11指示回波时频同步估计模块14按照图3所示流程运作。

步骤5，接收控制处理中心11获取回波时频同步估计模块14输出的频点信息，传送给微机控制***1，直到监听到来自微机控制***1传来的结束指令。

由此可知，声波接收检测***3中的接收控制处理中心11、波束形成模块13和回波时频同步估计模块14组成了一种流水线式的工作模式，加快了整个***处理的速度。

三、本实施方式所述发射控制处理中心5“跳频测深”模式的工作流程分为以下几个步骤：如图7，

步骤1，微机控制***1同时向发射控制处理中心5和接收控制处理中心11发送“跳频测深”模式控制指令。发射控制处理中心5首先按控制指令进入“扫频选频”工作模式，并同时接收跳频参数，参数包含：跳频驻留时间T_h、发射分组、跳频信息和循环次数R。

步骤2，发射控制处理中心5接收完跳频参数后，按照发射分组中指定的频率码和地址码分组和分组发送次序，将各组频率码和地址码发送给单一发射基元8(假设共有S组待发送)；按照跳频驻留时间T_h控制发送间隔，并重复循环发送R次。

步骤3，发送完成，则停止工作。

四、本实施方式所述接收控制处理中心11“跳频测深”模式的工作流程分为以下几个步骤：如图8，

步骤1，首先接收控制处理中心11按控制指令进入“跳频测深”工作模式，并同时接收跳频参数。

步骤2，接收控制处理中心11开启接收电路同时开启计时器。

步骤3，接收控制处理中心11将各路信号预处理模块10处理采样后的数据按采样时间t_j(j＝1，2，…)存储，并指示波束形成模块13读取数据进行波束形成。接收控制处理中心11在获取波束形成模块13如表1所示的数据表后，指示回波时频同步估计模块14按照图4所示流程运作。

步骤4，接收控制处理中心11获取回波时频同步估计模块14输出的第一回波的到达时间(TOA)与对应的波束角度(DOA)，将结果传送回微机控制***1。

步骤5，当所有波束角度下的第一回波的到达时间都估计完成后，接收检测任务完成，接收控制处理中心11向声波接收检测部分3中各模块发送结束指令。

当第四部分运行完成后，便能得到对应于各波束角度θ_i下的第一回波到达时间t_i(i＝1，2，…，N)，根据声程法和三角变换便能得到各波束角度对应探测点的深度值和相对坐标，具体变换公式如下：

$H=\frac{1}{2}c{t}_i\cos {\mathrm{\θ}}_i,$ $x=\frac{1}{2}c{t}_i\sin {\mathrm{\θ}}_i$

其中，c为声速、H为各波束角度下探测点深度、x为相对于中点的水平坐标。在实际的探测中，由于声速、船姿、吃水和潮汐修正等对探测深度的影响，还可以对以上测得的初始深度和相对坐标进行相应的修正，比如通过加入声速剖面仪测量当前水域的实际声速c，通过姿态传感器感知船只横摇纵摇角度修正实际波束角度θ_i等。

当继续新一轮测深时，只需重复第三和第四部分的步骤；当测量船走过相当长的一段距离后或者水下环境发生显著变化时，可以重复第一和第二部分进行新一轮的扫频选频，使得***重新筛选频点，以适应新的水下环境，然后再按新的频点重复第三和第四部分的步骤进行测深。

Claims (8)

1.一种水下多波束测探***，包括微机控制***(1)，其特征在于：还包括通过总线接口与微机控制***(1)连接的声波发射***(2)和声波接收检测***(3)，所述声波发射***(2)设置有多个单一发射基元(8)，每个单一发射基元(8)包含多个谐振频率不同的发射换能器(21)；所述声波发射***(2)还包括发射控制处理中心(5)，微机控制***(1)通过第一总线接口(4)连接发射控制处理中心(5)的输入端；发射控制处理中心(5)的输出端通过第一接口(6)与多个单一发射基元(8)相连，多个单一发射基元(8)用于频率码的同步传输，发射控制处理中心(5)还通过第二接口(7)与多个单一发射基元(8)相连，用于地址码的同步传输；所述声波接收检测***(3)包括接收控制处理中心(11)、与接收控制处理中心(11)连接的信号预处理模块(10)、高速存储器(12)、波束形成模块(13)、回波时频同步估计模块(14)，接收控制处理中心(11)通过第二总线接口(15)与微机控制***(1)连接，多个信号预处理模块(10)各自连接有用以接收水底反射回波的接收换能器阵列(9)。

2.根据权利要求1所述的水下多波束测探***，其特征在于：所述多个单一发射基元(8)按等间距排列组成均匀发射线阵，并沿船底龙骨布设；所述接收换能器阵列(9)采用等间距的水声换能器组成的均匀线阵并沿垂直船底龙骨方向布设。

3.权利要求1所述的水下多波束测探***的测探方法，所述声波发射***(2)和声波接收检测***(3)均具备“扫频选频”和“跳频测深”两种工作模式，其特征在于：该测探方法包括下列步骤：

步骤1：在“扫频选频”模式下，微机控制***(1)从声波发射***(2)发射的扫频水声信号筛选出受衰减和干扰影响较小的频点；

步骤2：在“跳频测深”模式下根据步骤1筛选出的频点发射水声跳频探测信号，声波接收检测***(3)通过短时傅里叶变换(STFT)对各波束角度下的接收信号进行时频分析，从而捕获到与发送出的探测信号跳频规律相一致的回波信号；

步骤3：将步骤2捕获的时间作为该波束角度下的回波到达时间进行深度值的计算。

4.根据权利要求3所述的水下多波束测探***的测探方法，其特征在于：步骤1包括下列过程：

步骤11：微机控制***(1)向声波发射***(2)的发射控制处理中心(5)和声波接收检测***(3)的接收控制处理中心(11)发送控制指令，使测探***进入“扫频选频”工作模式，并同时传送此阶段的跳频参数；

步骤12：“扫频选频”模式下，发射控制处理中心(5)在跳频带宽允许的频率范围内按照跳频间隔的要求生成频点集合和对应的频率码集合，并将各频率码与相应的发射换能器(21)地址码分组，再按分组次序将频率码和地址码发送给单一发射基元(8)；单一发射基元中(8)根据频率码产生不同频率的信号，再根据地址码将信号送入指定的发射换能器(21)进行发射；带有扫频特性的声波信号连续发送至水下并经水底反射后由声波接收检测***(3)接收；

步骤13：声波接收检测***(3)的接收换能器阵列(9)接收回波信号，并由信号预处理模块(10)进行相关的放大滤波和采样，然后接收控制处理中心(11)将离散的各路采样数据按时间先后进行存储，并指示波束形成模块(13)取出采样数据进行波束形成，并存***束形成模块(13)波束形成后输出的带有角度、幅度和时间信息的时间片；在波束形成进行的同时，接收控制处理中心(11)指示回波时频同步估计模块(14)对波束形成模块(13)输出的同波束角度下时间片进行短时傅里叶变换频域分析，并通过门限比较输出超过阀值的频点，并将这些频点信息传回给接收控制处理中心(11)进行保存；接收控制处理中心(11)把得到的不同波束角度下保存的频点集合以及频点所对应的幅度信息传送给微机控制***(1)进行筛选；

5.根据权利要求3所述的水下多波束测探***的测探方法，其特征在于：步骤2包括下列过程：

步骤21：微机控制***(1)筛选最优的频点后向发射控制处理中心(5)和接收控制处理中心(11)发送控制指令，使测深***进入“跳频测深”模式，同时传送此阶段经筛选后确定的跳频参数，并开启接收控制处理中心(11)的计时器；

步骤22：“跳频测深”模式下，发射控制处理中心(5)按已接收到的跳频参数，在规定时间间隔内按序发送所指定的频率码和地址码给单一发射基元(8)，使测深***发送指定的水声跳频探测信号；

步骤23：“跳频测深”模式下，声波接收检测***(3)的波束形成模块(13)针对全部的波束方向进行波束形成，回波时频同步估计模块(14)将门限比较后输出的频率和对应的时间进行存储，然后再按一定间隔移动窗函数取出该波束角度的下一组数据点进行短时傅里叶变换分析，经过短时傅里叶变换频域分析后得到该波束角度下接收信号随时间的主要频点分布表，即时间——频点关系表，最后对该表进行遍历并参照已知的探测信号的频率跳变先后次序进行查找，得到该波束角度下第一回波的到达时间，传送给接收控制处理中心(11)。

6.根据权利要求3所述的水下多波束测探***的测探方法，其特征在于：步骤3包括下列过程：

步骤31：接收控制处理中心(11)收集完所有波束角度下的第一回波到达时间后，将波束角和相应的时间发送给微机控制***(1)；

步骤32：微机控制***(1)根据波束角度和回波到达时间得出对应探测点的深度和相对坐标。

7.根据权利要求4所述的水下多波束测探***的测探方法，其特征在于：步骤11所述的跳频参数包括：跳频驻留时间、跳频间隔和跳频带宽；步骤13所述波束形成模块(13)取出采样数据进行波束形成时选取接收换能器阵列(9)正下方和左右最外端的波束角度进行波束形成。

8.根据权利要求5所述的水下多波束测探***的测探方法，其特征在于：步骤21所述的跳频参数包括：跳频驻留时间、发射分组、跳频信息以及循环次数；其中发射分组包含：筛选出的频率码和对应的地址码分组以及分组的发送次序；跳频信息即按照发射分组要求得到的探测信号的频率跳变规律。

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