CN104237891B - 一种多频测深的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多频测深的装置，包括：换能器探头、控制显示模块、换能器驱动模块、数据采集模块以及回声信号处理模块；其中，换能器驱动模块在控制显示模块的控制下驱动换能器探头发射一调幅信号，该调幅信号在传播过程中能解调出频率为调幅信号中的包络信号频率两倍的低频信号，该低频信号与频率不变的原始调幅信号到达水底反射，生成回波信号；该低频信号还能在水底发生透射，在遇到另一层介质界面时再发生反射，生成回波信号；反射后的回波信号被换能器探头接收，再经数据采集模块传输到回声信号处理模块，回声信号处理模块对回波信号做滤波、放大后，计算出测深结果。

Description

一种多频测深的装置及方法
技术领域
本发明涉及水深测量领域，特别涉及一种多频测深的装置及方法。
背景技术
进行水底相关调查研究及工程建设首要测量的目标就是水体深度和水底沉积物的厚度，而声学方法是最为有效及普遍的水深测量方法。利用声学方法测量水深的原理为利用水声换能器向下发射声信号，声信号在水介质里传播遇到水底则反射回来，接收反射信号，利用发射信号与接收到的反射信号间的时间差来计算水深。
目前所用的测深仪从工作频率上分主要有两种工作模式：单频和双频。所谓的单频测深仪或双频测深仪指的是向水体发射的声信号是单一的频率或是发射两个频率的信号。使用双频测深仪的原因主要有两点：1、在深海海域的海洋深度观测方面的应用。由于高频声波用于深度测量时的测量精度比较高，但同时声波能量在海水中单位距离上的衰减也比较快。所以，当海洋深度比较深时，用高频声波往往测量不到海底，为此需要降低工作频率，以便能够对比较深的海域实施测量，从而设置了低频工作频率。2、在航道观测中的应用。航道的深度会由于淤泥的沉积而变浅并影响通航能力，往往需要通过清淤等措施来维持航道的通航能力。所以要对河道的淤泥的淤积状况进行检测。而高频声波很难穿透淤泥，低频声波则比较容易穿透淤泥。正好利用这一特性来测量淤积的厚度，指导清淤工作。
双频测深仪发射的信号一般为一高一低两种频率，是通过两个不同的换能器发出。而现在有一些产品标称为变频测深仪，具有多种频率可供选择，但实际上是通过更换不同的换能器实现不同频率信号的发射，这种工作方式对一套设备来说实际上还是一高一低两个频率，用户需要配置并更换不同的传感器才能实现工作频率的更换，操作困难，成本高。此外，发射信号的频率越低，则对应的换能器尺寸越大，因此传统的低频测深仪或双频测深仪尺寸都比较大，使用安装上有诸多不便。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的多频测深装置需要多个换能器所造成的成本高、操作不便等缺陷，从而提供一种成本低廉、操作简便的多频测深装置。
为了实现上述目的，本发明提供了一种多频测深的装置，包括：换能器探头1、控制显示模块3、换能器驱动模块5、数据采集模块6以及回声信号处理模块7；其中，
所述换能器驱动模块5在所述控制显示模块3的控制下驱动所述换能器探头1发射一调幅信号，该调幅信号在传播过程中能解调出频率为调幅信号中的包络信号频率两倍的低频信号，该低频信号与频率不变的原始调幅信号到达水底反射，生成回波信号；该低频信号还能在水底发生透射，在遇到另一层介质界面时再发生反射，生成回波信号；反射后的回波信号被换能器探头1接收，再经数据采集模块6传输到所述回声信号处理模块7，所述回声信号处理模块7对回波信号做滤波、放大后，计算出测深结果。
上述技术方案中，所述换能器探头1所发射的信号为具有一定宽度的脉冲信号，其最大功率大于3000瓦。
上述技术方案中，所述控制显示模块3对所要发射的信号进行选择，所述选择包括：确定所要发射的调幅信号中的包络信号的形状。
上述技术方案中，所述控制显示模块3对所要发射的信号进行选择还包括：调整信号增益。
上述技术方案中，所述回声信号处理模块7设置不同的通道为低频信号的回波信号、频率不变的原始调幅信号的回波信号做滤波与放大。
本发明还提供了采用所述的多频测深的装置所实现的多频测深方法，包括：
步骤1)、第一调幅信号10通过换能器探头1发射到水介质中后转变为与所述第一调幅信号10频率一样但幅度变小的第二调幅信号12以及频率为第一调幅信号10的包络频率两倍的低频信号11；
步骤2)、解调出的低频信号11和能量不断变小的第二调幅信号12在传播过程中遇到水底会发生反射；
步骤3)、换能器探头1接收低频信号11遇到水底反射所生成的低频回波信号13，以及第二调幅信号12遇到水底反射所生成的高频回波信号14，进而根据回波到达时间计算水底深度。
上述技术方案中，还包括：
步骤4)、低频信号11在水底发生透射，在遇到另一层介质界面时再发生反射，换能器探头1接收反射回波，根据回波到达时间计算介质界面的深度。
本发明的优点在于：
本发明的多频测深装置在无需变换换能器的前提下能够用多种频率的信号测量水底深度，具有广泛的适应性，且成本低廉、操作简便。
附图说明
图1是本发明的多频测深装置的连接关系图；
图2是本发明的多频测深装置的功能示意图；
图3是本发明的多频测深方法中的信号传播过程示意图。
图面说明
1 换能器探头 2 防水壳体
3 控制显示模块 4 密封接头
5 换能器驱动模块 6 数据采集模块
7 回声信号处理模块 8 通信模块
9 水密电缆 10 调幅信号
11 低频信号 12 调幅信号
13 低频回波信号 14 高频回波信号
15 载波信号 16 包络信号
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明的多频测深方法的原理是：向水底发射一大功率调幅信号，该调幅信号在介质中传播时由于非线性效应可解调出频率为调幅信号中包络信号频率两倍的低频信号；原始发射信号与低频信号遇水底反射，接收这些回波信号可分析出水底深度；低频信号还具有较强的穿透能力，可测量水底之下的其他介质层面。低频信号有较强穿透能力、可传播较远距离，原始的发射信号频率高，测量精度高，两者互补，可适应多种测量环境。此外，在不同的测量环境中可通过改变调幅信号中包络信号的频率来获得不同频率的、能够满足测量条件的低频信号，进一步增加了本发明方法的适用范围。
下面将结合附图对本发明做详细说明。
参考图1和图2，本发明的多频测深装置包括：换能器探头1、防水壳体2、控制显示模块3、换能器驱动模块5、数据采集模块6、回声信号处理模块7以及通信模块8；其中，所述换能器探头1通过密封接头4与防水壳体2无缝机械连接；所述换能器驱动模块5、数据采集模块6、回声信号处理模块7以及通信模块8均位于所述防水壳体2内；所述换能器探头1与换能器驱动模块5、数据采集模块6电连接，所述换能器驱动模块5还与通信模块8电连接，数据采集模块6还与回声信号处理模块7电连接，回声信号处理模块7还与通信模块8电连接，所述通信模块8通过水密电缆9与控制显示模块3电连接。
下面对多频测深装置中的各个部分做进一步的说明。
所述换能器探头1用于发射信号与接收回波信号。换能器探头1所发射的调幅信号为具有一定宽度的脉冲信号，其最大功率大于3000瓦，可使用一个AB类功法实现大功率信号。参见图3，换能器探头1所发射的调幅信号由载波信号15与包络信号16相乘得到，包络信号的频率与所要探测的环境有关，频率越高、测量结果越精确，但量程越小，相反的，频率越低、测量结果的精度越低，但量程越大、穿透能力越强。因此，在测量时，可根据所要探测的环境确定换能器探头1所发射信号中包络信号的频率。
所述控制显示模块3用于向用户提供接口，用户通过控制显示模块3选择所要发射的信号。用户对所要发射信号的选择包括：确定发射信号的形状(即发射的调幅信号中的包络信号的形状)。作为一种可选的实现方式，在另一个实施例中，用户对所要发射的信号的选择还包括：调整信号增益。此外，控制显示模块3还能够向用户显示回声信号处理模块7计算得到的检测结果。
所述通信模块8用于接收所述控制显示模块3所发出的信息，并向所述换能器驱动模块5发送发射命令和发射信号波形；通信模块8还将回声信号处理模块7所生成的测深结果传送给控制显示模块3。
所述换能器驱动模块5用于驱动换能器探头1发射信号。
所述数据采集模块6用于将换能器探头1所接收的回波信号转换为数字信号。
所述的回声信号处理模块7根据控制显示模块3所设置的不同通道的工作方式(高频、低频或是双频)对信号进行相应的滤波、放大处理，得到检测结果。所述换能器探头1所接收到的信号有可能同时存在高频信号和低频信号，因此在回声信号处理模块7中采用不同的处理通道来对回波信号进行滤波。例如，采用高频通道从回波信号中过滤出高频信号，具体的说，该高频通道通过带通范围在高频信号范围内的带通滤波器对回波信号进行滤波，从而得到高频信号。类似的，采用低频通道从回波信号中过滤出低频信号，具体的说，该低频通道通过带通范围在低频信号范围内的带通滤波器对回波信号进行滤波，从而得到低频信号。由于换能器探头1对高频信号与低频信号的接收灵敏度不一样，高频信号的接收灵敏度较强，低频信号的接收灵敏度较弱，因此在做放大处理时，回声信号处理模块7中的高频通道与低频通道对两种信号进行放大的倍数也不一样，高频信号的放大倍数较小，一般在40-100分贝之间，而低频信号的放大倍数较大，一般需要达到100-160分贝之间。回声信号处理模块7由滤波、放大后的高频回波信号或低频回波信号的到达时间，可计算出水底深度。
参考图3，本发明的方法包括下列步骤：
步骤1)、调幅信号10通过换能器探头1发射到水介质中，由于水介质吸收衰减，调幅信号10的能量会随着传播距离增加而变小，转变为与调幅信号频率一样但幅度变小的调幅信号12。同时由于非线性效应，调幅信号12会解调出频率为包络频率两倍的低频信号11，低频信号11的能量较小，但由于原调幅信号不断解调，低频信号11能量在一定范围内逐渐累积变大。
步骤2)、解调出的低频信号11和能量不断变小的调幅信号12在传播过程中遇到水底会发生反射。
步骤3)、换能器探头1接收低频信号11遇到水底反射所生成的低频回波信号13，以及调幅信号12遇到水底反射所生成的高频回波信号14，进而根据回波到达时间计算水底深度。在本步骤中，换能器探头1能同时接收到低频回波信号13、高频回波信号14，在根据回波到达时间计算水底深度时，可采用其中任意一种回波计算水底深度，相对而言，高频回波信号14的测量精度较高。
步骤4)、低频信号11在水底发生透射，在遇到另一层介质界面时再发生反射，换能器探头1接收反射回波，根据回波到达时间计算介质界面的深度。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种多频测深的装置，其特征在于，包括：换能器探头(1)、控制显示模块(3)、换能器驱动模块(5)、数据采集模块(6)以及回声信号处理模块(7)；其中，
所述换能器驱动模块(5)在所述控制显示模块(3)的控制下驱动所述换能器探头(1)发射一调幅信号，该调幅信号在传播过程中能解调出频率为调幅信号中的包络信号频率两倍的低频信号，该低频信号与频率不变的原始调幅信号到达水底反射，生成回波信号；该低频信号还能在水底发生透射，在遇到另一层介质界面时再发生反射，生成回波信号；反射后的回波信号被换能器探头(1)接收，再经数据采集模块(6)传输到所述回声信号处理模块(7)，所述回声信号处理模块(7)对回波信号做滤波、放大后，计算出测深结果；
所述换能器探头(1)所发射的信号为具有一定宽度的脉冲信号，其最大功率大于3000瓦；
所述回声信号处理模块(7)设置不同的通道为低频信号的回波信号、频率不变的原始调幅信号的回波信号做滤波与放大，包括：采用高频通道从回波信号中过滤出高频信号，该高频通道通过带通范围在高频信号范围内的带通滤波器对回波信号进行滤波，从而得到高频信号；采用低频通道从回波信号中过滤出低频信号，该低频通道通过带通范围在低频信号范围内的带通滤波器对回波信号进行滤波，从而得到低频信号。
2.根据权利要求1所述的多频测深的装置，其特征在于，所述控制显示模块(3)对所要发射的信号进行选择，所述选择包括：确定所要发射的调幅信号中的包络信号的形状。
3.根据权利要求2所述的多频测深的装置，其特征在于，所述控制显示模块(3)对所要发射的信号进行选择还包括：调整信号增益。
4.采用权利要求1-3之一所述的多频测深的装置所实现的多频测深方法，包括：
步骤1)、第一调幅信号(10)通过换能器探头(1)发射到水介质中后转变为与所述第一调幅信号(10)频率一样但幅度变小的第二调幅信号(12)以及频率为第一调幅信号(10)的包络频率两倍的低频信号(11)；
步骤2)、解调出的低频信号(11)和能量不断变小的第二调幅信号(12)在传播过程中遇到水底会发生反射；
步骤3)、换能器探头(1)接收低频信号(11)遇到水底反射所生成的低频回波信号(13)，以及第二调幅信号(12)遇到水底反射所生成的高频回波信号(14)，进而根据回波到达时间计算水底深度。
5.根据权利要求4所述的多频测深方法，其特征在于，还包括：
步骤4)、低频信号(11)在水底发生透射，在遇到另一层介质界面时再发生反射，换能器探头(1)接收反射回波，根据回波到达时间计算介质界面的深度。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018167516A1 (en) * 2017-03-16 2018-09-20 Rosemount Measurement Limited Improvements in or relating to vibrating element apparatus

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105004880B (zh) * 2015-07-06 2017-12-29 杭州开闳环境科技有限公司 一种采用高次谐波分量的adcp流速测速***
CN107290744B (zh) * 2016-04-11 2023-04-25 中国水利水电科学研究院 冰厚水深综合探测雷达***及方法
CN108627839B (zh) * 2017-03-16 2020-12-29 中国科学院声学研究所 一种基于声波高更新率发射模式的目标探测方法及装置
CN108303357B (zh) * 2018-01-29 2021-02-05 杭州开闳环境科技有限公司 基于多频水声信号的悬移质测量***及信号处理方法
CN110219641A (zh) * 2019-05-27 2019-09-10 承德石油高等专科学校 一种井液面测试装置及其测试方法
CN113447983B (zh) * 2021-06-23 2022-10-04 湖南国天电子科技有限公司 一种浅地层剖面仪的数据采集及信号处理方法
CN116840821B (zh) * 2023-09-01 2023-12-22 无锡市海鹰加科海洋技术有限责任公司 基于数据分析的双频测深控制***
CN117031477A (zh) * 2023-09-28 2023-11-10 北京海卓同创科技有限公司 一种自动变频多波束测深***及方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201463853U (zh) * 2009-06-02 2010-05-12 广州市中海达测绘仪器有限公司 一种可变频数字测深仪
EP2317336A1 (en) * 2009-10-28 2011-05-04 Agency for Defence Development Method for estimating target range error and sonar system thereof

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201463853U (zh) * 2009-06-02 2010-05-12 广州市中海达测绘仪器有限公司 一种可变频数字测深仪
EP2317336A1 (en) * 2009-10-28 2011-05-04 Agency for Defence Development Method for estimating target range error and sonar system thereof

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
参量阵及其在水声工程中的应用进展;李颂文;《声学技术》;20110228;第30卷(第1期);第12页左栏3.5节 *
双频数字测深仪信号处理软硬件设计与实现;张迎华;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技II辑》;20100615;正文63-64页 *
双频测深仪测深研究;陈钧等;《海洋测绘》;20081130;第28卷(第6期);第71页左栏2.3、3.1节 *
小型双频测深仪的设计与实现;汪猛猛;《中国优秀硕士论文全文数据库 工程科技II辑》;20130215;正文第13-15页 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018167516A1 (en) * 2017-03-16 2018-09-20 Rosemount Measurement Limited Improvements in or relating to vibrating element apparatus

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