CN107064944A - 基于跳频信号的高速多波束测深***及其测深方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于跳频信号的高速多波束测深***和一种基于跳频信号的高速多波束测深方法，所述基于跳频信号的高速多波束测深***包括干端和湿端，所述干端包括工控机和辅助传感器，所述湿端包括发射换能器、接收换能器、发射电子舱和接收电子舱。所述发射电子舱前置设有信号处理板，所述信号处理板包括用于产生基于跳频信号的发射信号的IO发射单元、DSP单元、FPGA单元。所述接收换能器接收声波形式的接收信号，DSP单元和/或FPGA单元将多组基于跳频信号的接收信号经过带通滤波、正交解调、匹配滤波、波束形成以得到声纳图像，将频率搬移至低频，利用跳频信号的处理增益和相关性提高测深精度，提高作用距离和抗干扰能力。

Description

基于跳频信号的高速多波束测深***及其测深方法
技术领域
本发明属于海洋探测技术领域，具体涉及一种基于跳频信号的高速多波束测深***及其测深方法。
背景技术
常见的同类产品以传统的单波束测深技术为基础，结合水下换能器阵列的波束，在水下形成多个不同角度的探测波束，从而实现条带式的海底地形探测。
与传统的单波束测深***相比，单波束探测每次测量只能获得测量船垂直下方一个海底测量深度值。传统的单波束测深***存在的问题包括：船只测量速度受水深影响较大；在复杂环境和存在干扰的情况下，测量效果较差；距离分辨力与作用距离不能兼得。
发明内容
本发明针对现有技术的状况，本发明提供一种基于跳频信号的高速多波束测深***和一种基于跳频信号的高速多波束测深方法。
本发明的目的在于，利用跳频信号的相关特性和抗干扰特性，不仅可以明显提高测量精度，而且可以提高作用距离和抗干扰能力。同时在时域上可以做到多发多收，这样在大量程或者船速较快时，可以明显提高测量帧率，降低测量脚印间隔，提高成图效率和质量。可获得一个条带覆盖区域内多个测量点的海底深度值，实现了从“点-线”测量到“线-面”测量的跨越，特别适合大面积的水下勘测。
本发明的有益效果包括：收发电子***模块化设计，功耗低、性能高、可靠稳定；提高作用距离和测深精度；抗干扰能力较强，受环境影响较小；测量速度不受量程影响，只要计算速度满足，可以尽可能的提高***帧率。
本发明采用以下技术方案，所述基于跳频信号的高速多波束测深***包括：
干端和湿端，所述干端包括工控机和辅助传感器，所述湿端包括换能器和电子***，其中所述湿端具有发射舱和接收舱，所述换能器包括发射换能器和接收换能器，所述电子***包括发射电子舱和接收电子舱，所述发射电子舱和发射换能器内置于所述发射舱，所述接收电子舱和接收换能器内置于所述接收舱；
所述发射电子舱前置设有信号处理板，所述信号处理板包括用于产生基于跳频信号的发射信号的IO发射单元，还包括DSP单元、AD采集单元和与所述DSP单元电连接的FPGA单元；
所述发射电子舱设有多个相互独立的发射模块，所述发射模块包括驱动单元、功放单元和匹配单元，所述IO发射单元电连接所述驱动单元，所述IO发射单元和所述驱动单元之间还设有光耦隔离单元，所述匹配单元电连接所述发射换能器；
所述接收电子舱设有多个相互独立的接收模块，所述接收模块包括放大单元、增益控制单元、滤波单元和放大及电压调整单元，所述放大单元电连接所述接收换能器，所述放大及电压调整单元电连接所AD采集单元，所述接收换能器接收声波形式的接收信号。
根据上述技术方案，所述信号处理板还包括DA增益控制单元、RS232单元、RS422单元和千兆网，所述DA增益控制单元电连接所述增益控制单元，所述增益控制单元读取所述DA增益控制单元输出的增益控制信号，并且根据上述增益控制信号调节所述增益控制单元输出的接收信号，所述FPGA单元与所述RS232单元以及RS422单元电连接并且双向通讯，所述DSP单元通过千兆网电连接所述工控机。
根据上述技术方案，所述发射模块采用开关发射机。
根据上述技术方案，所述接收模块采用厚膜电路工艺制成。
根据上述技术方案，所述功放单元采用MOS管D类推挽功率放大电路。
根据上述技术方案，所述放大及电压调整单元内置动态范围调节电路，该动态范围调节电路采用Burr-Browm的VCA810。
根据上述技术方案，所述DSP单元采用TI的TMS320C6455，所述FPGA单元采用Xilinx的XC2V1000。
根据上述技术方案，所述干端还包括显示器，所述显示器电连接所述工控机，所述湿端还包括固定架，所述固定架分别固定支撑所述发射舱和接收舱。
根据上述技术方案，所述发射电子舱设有8个相互独立的发射模块，各个接收模块相应设有接收通道，所述接收电子舱设有96路相互独立的接收通道。
根据上述技术方案，所述基于跳频信号的高速多波束测深方法包括步骤：
步骤一：信号处理板产生基于跳频信号的数字形式发射信号，并且向发射电子舱传输数字形式发射信号；
步骤二：发射电子舱的发射模块同时发射多组基于跳频信号的数字形式发射信号，通过发射换能器将数字形式发射信号转换为声波；
步骤三：接收换能器同时接收声波形式的多组接收信号，接收电子舱将接收信号增益放大为基于跳频信号的接收信号；
步骤四：DSP单元和/或FPGA单元将多组基于跳频信号的接收信号经过带通滤波、正交解调、匹配滤波、波束形成以得到声纳图像；
步骤五：根据辅助传感器提供的姿态信息将一个时序周期内的多帧声纳图像进行位置拼接以生成海底地形。
附图说明
图1是本发明优选实施例的***组成框图。
图2是本发明优选实施例的发射模块框图。
图3是本发明优选实施例的接收模块框图。
图4是本发明优选实施例的动态范围调节电路示意图。
图5是本发明优选实施例的信号处理板框图。
图6是本发明优选实施例的跳频信号示意图。
图7是本发明优选实施例的跳频信号处理流程图。
图8是本发明优选实施例的多组跳频信号收发时序图。
图9是本发明优选实施例的测深工作流程图。
具体实施方式
本发明公开了一种基于跳频信号的高速多波束测深***和一种基于跳频信号的高速多波束测深方法，下面结合优选实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。
参见附图的图1，图1示出了所述基于跳频信号的高速多波束测深***的组成架构（以下简称多波束测深***）。优选地，所述多波束测深***包括干端100和湿端200，所述干端100包括工控机11和辅助传感器12，所述湿端200包括换能器21和电子***22，其中所述湿端200具有两个舱体，分别为发射舱300和接收舱400，所述换能器21进一步包括发射换能器211和接收换能器212，所述电子***22包括发射电子舱221和接收电子舱222，所述发射电子舱221和发射换能器211内置于所述发射舱300，所述接收电子舱222和接收换能器212内置于所述接收舱400，所述发射舱300和接收舱400协同完成测深信号的发射和接收，所述辅助传感器12提供声速、时间、位置和姿态等精确测深数据，所述工控机11完成测深数据和测深信号的同步、处理和显示。
进一步地，所述干端100还包括显示器13，所述显示器电连接所述工控机11，所述湿端200还包括固定架23，所述固定架23分别固定支撑所述发射舱300和接收舱400。
参见附图的图2，所述发射电子舱221设有多个相互独立的发射模块2210，各个发射模块2210同时完成发射信号的驱动、功率放大和匹配。优选地，考虑到所述发射电子舱221要求具有较大的开角和发射功率，所述发射电子舱221设有8个相互独立的发射模块2210。优选地，为了增加发射效率，减少发射电路体积，并考虑到发射效率、散热、可靠性等因素，所述发射模块2210采用开关发射机。
优选地，所述发射电子舱221前置设有信号处理板24，数字形式的发射信号由所述信号处理板24的IO发射单元245产生。所述发射模块2210包括驱动单元2213、功放单元2214和匹配单元2215，所述信号处理板24的所述IO发射单元245电连接所述驱动单元2213，所述驱动单元2213、功放单元2214和匹配单元2215两两之间依次电连接，所述IO发射单元245和所述驱动单元2213之间还设有光耦隔离单元2212，所述匹配单元2215电连接所述发射换能器211。
进一步地，所述功放单元2214作为发射模块2210的主电路，优选采用MOS管D类推挽功率放大电路。相对于线性放大器，上述MOS管D类推挽功率放大电路作为准线性放大器，放大效率高于90%，可以实现高效率地大功率发射；所述IO发射单元245作为信号源，其产生的发射信号优选采用强限幅信号，理论最大损失为3dB；发射信号经所述光耦隔离单元2212的高速光耦隔离，可有效地减少信号源与所述发射电子舱221之间的相互干扰；所述驱动单元2213内置的驱动电路可提高发射信号的驱动能力；所述功放单元2214内置的MOS管D类推挽功率放大电路进一步将发射信号放大到足以推动所述功放单元2214；所述匹配单元2215内置的匹配电路将所述功放单元2214输出的功率与所述发射换能器211相匹配，上述匹配电路同时具有补偿发射电压频率响应和消振等功能。
参见附图的图3，所述接收电子舱222设有多个相互独立的接收模块2220，各个接收模块2220相应地具有接收通道，各个接收模块2220同时完成接收信号的小信号放大、增益控制、滤波和电压调整。优选地，考虑到信号处理算法对各路接收信号的相位信息非常敏感，要求各个接收模块2220具有较高的一致性，因此所述接收模块2220采用厚膜电路工艺制成，所述接收电子舱222设有96路相互独立的接收通道。
优选地，所述接收模块2220前置设有所述接收换能器212，并且接收所述接收换能器212输出的接收信号。所述接收模块2220包括放大单元2221、增益控制单元2222、滤波单元2223和放大及电压调整单元2224，所述放大单元2221电连接所述接收换能器212，所述放大单元2221、增益控制单元2222、滤波单元2223和放大及电压调整单元2224两两之间依次电连接，所述放大及电压调整单元2224电连接所述信号处理板24的AD采集单元243。
进一步地，由于要记录从近到远所有目标的散射回波，回波幅度动态范围大，为了使整个目标从近到远均匀计算，必须采用归一化放大处理。因此，所述放大及电压调整单元2224内置动态范围调节电路，上述动态范围调节电路的控制芯片采用Burr-Browm公司的VCA810。参见附图的图4，上述动态范围调节电路的VCA810具有80分贝的线性可控增益，带宽可达15MHz。控压VC经线性光耦隔离而输入上述VCA810，通过调整控压VC，即可改变VCA810的增益。由于多通道接收机的相位误差可以减小但是不可消除，因此对测量出的通道相位误差在最终进行波束形成时还需要进行补偿。
参见附图的图5，为实现同步高速采集和实时信号处理，所述信号处理板24采用DSP和FPGA组合架构。优选地，所述信号处理板24包括DSP单元241和与所述DSP单元241电连接的FPGA单元242，所述信号处理板24还包括AD采集单元243、DA增益控制单元244、IO发射单元245、RS232单元246、RS422单元247和千兆网248，上述各单元分别电连接所述DSP单元241和/或所述FPGA单元242。
优选地，所述IO发射单元245电连接所述驱动单元2213，所述驱动单元2213读取并放大所述IO发射单元245产生的数字形式发射信号；所述DA增益控制单元244电连接所述增益控制单元2222，所述增益控制单元2222读取所述DA增益控制单元244输出的增益控制信号，并且根据上述增益控制信号调节所述增益控制单元2222输出的接收信号；所述AD采集单元243电连接所述放大及电压调整单元2224，所述AD采集单元243读取所述放大及电压调整单元2224输出的接收信号，并且将上述接收信号传输至所述FPGA单元242；所述FPGA单元242与所述RS232单元246以及RS422单元247电连接并且双向通讯，所述RS232单元246电连接参数控制模块，所述RS422单元电连接所述辅助传感器12；所述DSP单元241通过所述千兆网248电连接所述工控机11。
进一步地，所述DSP单元241优选采用TI的TMS320C6455，该款DSP处理器的主频最高可达1.2GHz，片上存储器可达2Mbyte，片外DDRII存储器可达512Mbyte，峰值处理能力可达9600MIPS或9.6GMACS；具有较强的数据交互能力，64通道的EDMA可以在同步模式、64位字宽下从EMIF口实现最大9.6Gbit/s的数据吞吐率；芯片板载以太网MAC模块，可以自适应的满足10/100/1000 Mbit/s以太网通信需求。同时，与该款DSP处理器适配的DSPLIB，作为经过优化的通用算法合集，可以方便调用来进行算法开发。此外，为加强DSP的多任务处理能力，该款DSP处理器适配的是DSP/BIOS这一抢占式实时操作***。
进一步地，所述FPGA单元242优选采用Xilinx的XC2V1000，该款FPGA处理器在信号处理领域的最大优势是并行处理，其内部嵌入有40个硬核乘法器，最高主频可达300MHz；在几百兆的工作主频下，运算能力可以达到几十个GMACS。针对多波束测深***的多通道数据采集和处理，该FPGA处理器可充分发挥其并行处理能力。所述FPGA单元242用于96路接收通道的同步数据采集、多类型相控开关信号发射和辅助传感器102数据采集等，其AD采样最高可达1.5MSamples/s，实测显示数据采集触发同步精度在ns量级。
根据本发明的上述优选实施例，上述发射信号和接收信号均采用跳频信号，有效地提升***性能并且提高测量速度。附图的图6示出了典型的跳频信号自相关示意图，其具有尖锐的主瓣和较低的旁瓣，接近理想的图钉形的模糊度函数。跳频技术（FHSS）采用伪随机码序列进行频移键控，使载波频率不断跳变而扩展频谱，收发两端以特定型式的窄频载波来传送讯号。对于一个非特定的接收器，跳频信号对它而言只算是脉冲噪声。跳频信号是由N个子CW脉冲组成，所有频点均在换能器带宽内，这样的排列能够确保相邻频率排列在一起的次数只有一次。利用跳频信号来测量深度，其优点包括：选择长脉冲的跳频信号进行脉冲压缩可以得到高的距离分辨力（与带宽有关）；在大深度和环境恶劣的情况下，可以得到高的处理增益，增加作用距离；在有干扰信号的情况下，利用跳频信号的相关特性可以剔除干扰（和干扰信号不相关），防止出现错误测深结果。
参见附图的图7，示出了跳频信号的处理流程。跳频信号具有较高的工作频率，信号中的目标信息大都存在于低频包络中，因此需要对目标信号进行频谱的搬移，将接收到的高频回波信号混频到低频进行处理，有效地降低数据运算量。换而言之，以接收信号的频率为依据，进行正交解调，得到包络信号。例如：假设测深仪的中心频率为200KHz，频率覆盖范围为190KHz-210KHz, 则可将接收信号乘以频率为200KHz的余弦信号，并进行低通滤波，滤波器截止频率为20kHz，则得到回波的基带信号，然后对基带信号进行匹配滤波处理，以得到回波信号的宽带处理和自相关增益，最后通过多阵元基带信号的波束形成得到声纳图。
参见附图的图8，示出了多组跳频信号的收发时序图。不同线型代表不同的信号，箭头代表信号收发的方向。记H=C*T/2，H为测量深度（距离），T为测量时延差，C为声速，得到T=2*H/C。假设C=1500m/s，则T=H/750。帧率为一次***工作时间的倒数，即P=750/H。以上均为理论值，考虑***处理时间及其他损耗，最大帧率一般为600/H，因此***工作的帧率取决于量程，量程越大，帧率越慢，导致测量船测量速度变慢，效率大大降低，太快则容易漏测。不同跳频信号之间的自相关为1，互相关为0，更改常规测量中的一发一收模式，在一次完整量程内做到多发多收，利用批处理的方式将所有的多次数据一起接收做相关处理，每一个跳频信号只和自己的回波匹配输出得到结果。其余的跳频信号由于不相关则输出很小，设置合适的门限就能消除跳频信号之间的干扰。这样理论上一个测量周期内可以得到N次结果，相当于相同时间内获得N倍测量结果，再根据航速可以将多帧结果进行位置的拼接，这样可以提高测量速度N倍左右，在量程较大常规方法测量帧率较低时，可以明显提高***的测量速度。
根据本发明的上述优选实施例，参见附图的图9，示出了所述多波束测深***的工作流程步骤，具体步骤如下：
步骤一：信号处理板24产生基于跳频信号的数字形式发射信号，并且向发射换能器211传输数字形式发射信号；
步骤二：发射电子舱221的发射模块2210同时发射多组基于跳频信号的数字形式发射信号，通过发射换能器211将数字形式发射信号转换为声波；
步骤三：接收换能器212同时接收声波形式的多组接收信号，接收电子舱222将接收信号增益放大为基于跳频信号的接收信号；
步骤四：DSP单元241和/或FPGA单元242将多组基于跳频信号的接收信号经过带通滤波、正交解调、匹配滤波、波束形成以得到声纳图像；
步骤五：根据辅助传感器12提供的姿态信息将一个时序周期内的多帧声纳图像进行位置拼接以生成海底地形。
根据上述流程步骤，步骤四和步骤五之间还包括步骤：通过底检测和底跟踪算法计算海底深度。
本发明公开的基于跳频信号的高速多波束测深***，发射和接收电子舱221,222的相关电路采用模块化设计；对接收信号进行正交解调，将频率搬移至低频，便于后续的处理；利用跳频信号的处理增益和相关性提高测深精度，提高作用距离和抗干扰能力；利用调频信号的相关特性，在时序上做得多发多收，显著提升测量速度。
对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于跳频信号的高速多波束测深***，其特征在于，包括：
干端和湿端，所述干端包括工控机和辅助传感器，所述湿端包括换能器和电子***，其中所述湿端具有发射舱和接收舱，所述换能器包括发射换能器和接收换能器，所述电子***包括发射电子舱和接收电子舱，所述发射电子舱和发射换能器内置于所述发射舱，所述接收电子舱和接收换能器内置于所述接收舱；
所述发射电子舱前置设有信号处理板，所述信号处理板包括用于产生基于跳频信号的发射信号的IO发射单元，还包括DSP单元、AD采集单元和与所述DSP单元电连接的FPGA单元；
所述发射电子舱设有多个相互独立的发射模块，所述发射模块包括驱动单元、功放单元和匹配单元，所述IO发射单元电连接所述驱动单元，所述IO发射单元和所述驱动单元之间还设有光耦隔离单元，所述匹配单元电连接所述发射换能器；
所述接收电子舱设有多个相互独立的接收模块，所述接收模块包括放大单元、增益控制单元、滤波单元和放大及电压调整单元，所述放大单元电连接所述接收换能器，所述放大及电压调整单元电连接所AD采集单元，所述接收换能器接收声波形式的接收信号。
2.根据权利要求1所述的基于跳频信号的高速多波束测深***，其特征在于，所述信号处理板还包括DA增益控制单元、RS232单元、RS422单元和千兆网，所述DA增益控制单元电连接所述增益控制单元，所述增益控制单元读取所述DA增益控制单元输出的增益控制信号，并且根据上述增益控制信号调节所述增益控制单元输出的接收信号，所述FPGA单元与所述RS232单元以及RS422单元电连接并且双向通讯，所述DSP单元通过千兆网电连接所述工控机。
3.根据权利要求1所述的基于跳频信号的高速多波束测深***，其特征在于，所述发射模块采用开关发射机。
4.根据权利要求1所述的基于跳频信号的高速多波束测深***，其特征在于，所述接收模块采用厚膜电路工艺制成。
5.根据权利要求1所述的基于跳频信号的高速多波束测深***，其特征在于，所述功放单元采用MOS管D类推挽功率放大电路。
6.根据权利要求1所述的基于跳频信号的高速多波束测深***，其特征在于，所述放大及电压调整单元内置动态范围调节电路，该动态范围调节电路采用Burr-Browm的VCA810。
7.根据权利要求1所述的基于跳频信号的高速多波束测深***，其特征在于，所述DSP单元采用TI的TMS320C6455，所述FPGA单元采用Xilinx的XC2V1000。
8.根据权利要求1所述的基于跳频信号的高速多波束测深***，其特征在于，所述干端还包括显示器，所述显示器电连接所述工控机，所述湿端还包括固定架，所述固定架分别固定支撑所述发射舱和接收舱。
9.根据权利要求1所述的基于跳频信号的高速多波束测深***，其特征在于，所述发射电子舱设有8个相互独立的发射模块，各个接收模块相应设有接收通道，所述接收电子舱设有96路相互独立的接收通道。
10.一种基于跳频信号的高速多波束测深方法，其特征在于，包括步骤：
步骤一：信号处理板产生基于跳频信号的数字形式发射信号，并且向发射电子舱传输数字形式发射信号；
步骤二：发射电子舱的发射模块同时发射多组基于跳频信号的数字形式发射信号，通过发射换能器将数字形式发射信号转换为声波；
步骤三：接收换能器同时接收声波形式的多组接收信号，接收电子舱将接收信号增益放大为基于跳频信号的接收信号；
步骤四：DSP单元和/或FPGA单元将多组基于跳频信号的接收信号经过带通滤波、正交解调、匹配滤波、波束形成以得到声纳图像；
步骤五：根据辅助传感器提供的姿态信息将一个时序周期内的多帧声纳图像进行位置拼接以生成海底地形。
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