CN1110709C - 用于测量海底微地貌的高分辨测深侧扫声纳***和测量方法 - Google Patents

用于测量海底微地貌的高分辨测深侧扫声纳***和测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于测量海底的微地貌的高分辨测深侧扫声纳***和测量方法。该***包括：在水下载体上安装有水下电子分机，和在水下载体下方两侧对称安装两个声纳阵，发射线阵与水下电子分机的发射机的功率放大器末级相联，平行接收线阵与水下电子分机的接收机的前置放大器相联；每个声纳阵由1个发射线阵和3个或3个以上以等间距排列的、用压电陶瓷制作的平行接收线阵构成，相邻两个平行接收线阵的间距d为：λ＞d≥λ/2；λ为声波长；其工作频率在30kHz到1200kHz。该***对海底的微地貌进行测量，大大地提高了声纳正下方测深精度；采用本发明的海底自动检测-多途信号分离(SBAD-ESPRIT)方法，能良好地检测海底，删除多途信号；并且给出了测深精度和等深线图。

Description

用于测量海底微地貌的高分辨测深侧扫声纳***和测量方法
                          技术领域
本发明涉及一种高分辨的声纳技术，特别是涉及一种用于测量海底的微地貌的高分辨测深侧扫声纳***和测量方法。
                          背景技术
目前，对海底的微地貌进行测量的装置和方法概括如下：
(1)例如P.H.Kreautner and J.S.Bird，Principal components arrayprocessing for swath acoustic mapping.Proceedings of the IEEE Oceans′97 Conference，October 1997.和H.Kreautner and J.S.Bird，Beyondinterferometry，resolving multiple angles-of-arrival in swathbathymetric imaging，Proceedings of the IEEE Ocean′99 Conference，September，1999.中所介绍的：一种由一个6个等间距平行线阵组成的声纳阵，平行线阵由按一定间隔排列的压电陶瓷构成，与前置放大器和功率放大器的终端相连。所有这些水密包封在一起，放在水下，由电缆与水上的电子分机相连。其工作频率300kHz，发射简单脉冲信号。采用“主分量阵处理”方法进行信号处理。并且进行如下的实验：
(A)在水池中对人造目标进行了测量，目标是由正交的铜管构成，这是一个良好的声学目标，声纳正确检测出人造目标；但对池壁的测量结果差。
(B)在一个小湖中进行了试验，湖深2-30m，将声纳阵放在小码头前湖底上的普通三角的支架上，电子部分放在岸上。实验表明，测出了海底的直达回波，但在作用距离内没有自动删除多途效应引起的多途信号，仍残留在图件中。
(C)在同一小湖中用步进马达转动声纳阵获得了常规的侧扫图；常规侧扫图只能显示水底反向散射信号的强弱，由此可推断水底地形的变化趋势，但给不出水底的深度。
(D)将声纳阵放在一小船的侧舷来回运动，没有姿态修正也没有定位导航装置，获得了三维声像，即三维水底地形的变化趋势。该装置没有给出测深精度，也没有给出等深线图；所有的已有装置和所使用已有的技术在水池和湖中所做实验中均没有测出声纳正下方附近的深度数据。
目前现有的测深侧扫声纳技术中，存在两个主要缺点，首先，它不能正确测量正下方附近的深度，即使能测量出声纳正下方附近的深度数据，那麽测量误差也很大；其次，它不能区分从不同方向同时到达的回波，在水声信道存在多途效应时，或地形复杂时，不能正常工作。声纳的测量精度、作用距离、工作效率和适用性受到严重限制。P.H.Kreautner and J.S.Bird采用“主分量阵处理”方法进行信号处理，基本能分离从不同方向同时到达的回波，但没有自动挑选出所要的海底回波，没有给出测深精度，也没有给出等深线图。
为了祢补现有的测深侧扫声纳的正下方附近的测深精度很差的主要缺点，已采用三种办法：其一是将测线间的距离减小，往往要减少为一侧的作用距离，以使相邻两次测量的范围相互覆盖，这显著降低了测量效率。第二是中间加一浅地层剖面仪，由于浅地层剖面仪的圆锥波束角宽在40°左右，分辨率差。而且，由于它的频带相当低，对海底有相当的穿透深度，测深精度不高。第三是中间加一小型多波束测深***，这增加了设备的复杂性和价格。
其次，现有的测深侧扫声纳的信号处理方法是差分相位估计法，它不能区分不同方向同时到达的回波，严重限制了现有测深侧扫声纳作用距离和适用范围。此外，在复杂地形上工作时，也会产生多个不同方向同时到达的回波，现有测深侧扫声纳的测量精度明显下降。
                        发明内容
发明的目的在于：克服已有技术的缺点和不足，为了解决已有的测深侧扫声纳装置和技术所测得正下方附近的测深精度很差的问题，以及不能给出等深线图；其次，在于解决现有的测深侧扫的信号处理方法是差分相位估计法，它不能区分不同方向同时到达的回波，而严重限制了现有测深侧扫声纳作用距离和适用范围，以及在复杂地形上工作时测量精度明显下降；又为了将高分辨测深侧扫声纳应用于水下载体上，包括机器人(AUV)、无人遥控潜水器(ROV)和拖曳体上，达到实用化；从而提供一种显著地提高测深侧扫声纳的测量精度、作用距离、工作效率和适用性的、用于测量海底微地貌的高分辨测深侧扫声纳***。
本发明的目的是这样实现的：本发明提供的用于测量海底微地貌的高分辨测深侧扫声纳***，包括：在水下载体上安装有水下电子分机，和在水下载体下方两侧对称安装两个声纳阵，发射线阵与水下电子分机的发射机的功率放大器的末级相联，平行接收线阵与水下电子分机的接收机的前置放大器相联；其特征是：每个声纳阵由1个发射线性调频(Chirp)信号的发射线阵和3个或3个以上以等间距排列的、用压电陶瓷制作的平行接收线阵构成，相邻两个平行接收线阵之间的间距d为：λ＞d≥λ/2；λ为声波长；其工作频率可由30kHz到1200kHz；其中d为λ/2为最佳；一般每个声纳阵由1个发射Chirp(线性调频)信号的发射线阵和由3个或3个以上的平行接收线阵构成。声纳阵中的发射线阵向侧向发射声波后，海底的声回波按时间的先后依次被声纳阵中的平行接收线阵接收，再经电子分机处理，形成许多波束，获得海底深度。载体不断向前运动，不断发射声波和接收海底的回波，获得海底的深度。一段时间内就可获得某海底一定面积上的等深线。
其中所述的水下电子分机包括：接收机、发射机、多通道A/D转换器、高速数字信号处理器、输入输出控制器和主控计算机。其中发射线阵与发射机的功率放大器的末级相联，平行接收线阵与接收机的前置放大器相联，接收机与多通道A/D转换器电连接，多通道A/D转换器与高速数字信号处理器电连接，多通道高速数字信号处理器与带有硬盘的主控计算机电连接，输入输出控制器与主控计算机、发射机、接收机电联接。
所述的水下电子分机还包括：姿态传感器和/或温度传感器，姿态传感器和温度传感器通过输入输出控制器与主控计算机电连接。
此外，为了调试整个水下分机，还可以包括与主控计算机通过以太网相联接的水上计算机。
所述的用于测量海底微地貌的高分辨测深侧扫声纳***，其工作流程如下：
首先由主控计算机通过控制器向两个发射机给出门控信号，使发射机产生大功率线性调频(Chirp)电脉冲信号驱动两侧的发射线阵，发射线阵把Chirp电脉冲信号转换成声脉冲信号并向海底发射；发射完毕后，主控计算机命令高速数字信号处理器启动多通道A/D转换器，同时主控计算机通过控制器向接收机给出时变增益控制(TGC)信号，接收机开始接收由两侧的平行接线阵接收到的信号，经过接收机放大、滤波、正交解调，通过多通道A/D转换器将其变为数字信号，数字信号被输入到高速数字信号处理器，高速数字信号处理器将对数字信号进行处理，处理结果被输入到主控计算机，并保存在硬盘上；同时，当该***还安装有姿态传感器数据和/或温度传感器的情况下，在这段时间内的姿态传感器数据和温度传感器数据也通过控制器被输入到主控计算机，并保存在硬盘上。
其中所述的接收机由两块接收机板组成，每块接收机板的通道数和工作频率与相联接的平行接收线阵数目和工作频率一致。换能器接收到的微弱信号经前放放大和时变增益控制(TGC)进行增益补偿，输入带通滤波器，滤去通带外的噪声，信号经正交解调后形成正交信号，经过缓冲放大器，馈给多通道A/D转换器，其幅度适合多通道A/D转换器的要求。
其中所述的发射机由两块发射机板组成，工作频率与相联接的发射线阵工作频率一致。发射机由主控计算机控制，主控计算机通过输入输出板向发射机发出门控信号，启动发射机，由信号转换电路根据载频信号产生发射控制信号，经过驱动级控制功率级的功率开关，推动变压器生成驱动换能器的大功率脉冲信号。
其中所述的多通道A/D转换器是包括一主要用于对经过接收机处理后的多路正交回波信号进行数据采集；该采集器由模拟输入、多路模拟开关、A/D转换器、FIFO存储器、可编程逻辑控制电路、时钟发生器、主控计算机总线和DSP扩展总线组成。输入信号按与接收机的通道数相一致分为多组，每组由两个相互正交的信号组成，输入信号经过多路模拟开关后，每组的两个信号同时进行A/D转换，数据送入FIFO存储器；存储器在半满时向高速数字信号处理器发出中断请求，高速数字信号处理器响应中断，读走数据并另行保存，然后进行处理，处理完的数据传给主控计算机显示和保存。如此直到下一次中断到来。
其中所述的高速数字信号处理器由数字信号处理芯片、双口RAM、静态RAM(SRAM)、逻辑控制器、主控计算机接口和扩展总线接口组成。高速数字信号处理器板与主控计算机之间通过双口RAM进行数据交换。控制计算机负责将DSP程序加载到静态RAM(SRAM)，还负责控制数字信号处理器的启动和停止。数字信号处理芯片工作时，AD数据经过扩展接口保存到SRAM中，再经过双口RAM将AD数据传到主控计算机。
其中所述的输入输出控制器由数字输出接口、数字输入接口、定时器、D/A转换器、逻辑控制器和主控计算机接口组成。控制发射机的门控信号使用了数字输出口的两路，同步信号从数字输入口的一路输入，两块接收机板的时变增益控制(TGC)信号由两个D/A转换器给出，由定时器控制D/A转换器的工作频率。该输入输出控制器用于控制两个发射机的门控、提供两块接收机板的时变增益控制(TGC)信号，并接收同步信号输入。
其中所述的高分辨率测深侧扫声纳***的方框图见图2。计算机对整个***进行控制，按一定时间经过控制器发出指令，发射机驱动声纳阵发射声波，声回波经声纳阵变成电信号后馈给接收机，经各种处理后，信号经A/D换能器变成数字信号，在高速数字信号处理器中进行各种运算，获得的结果存在硬盘里，或者经由以太网送到水上计算机。
其中所述的水下载体包括：水下机器人(AUV)、水下有缆遥控潜水器(ROV)和拖曳***中或船上。
本发明的测量海底微地貌的测量方法，包括如下步骤：
(1)根据用户的要求选用上述合适的水下载体，例如：可适用于水下的机器人(AUV)、水下有缆遥控潜水器(ROV)和拖曳***中，或船上；
(2)根据用户要求，拟定初步的总体指标，将声纳阵时空相关函数相位标准偏差的理论公式和声纳方程联合起来进行设计，选择声纳的工作频率、作用距离、脉冲宽度以及声纳阵的长度等主要指标；
(3)根据声纳阵时空相关函数中的相位附加因子理论表式选择声纳阵线阵基元的波束宽度和线阵间的距离，以使测量到声纳正下方的测深精度良好；
(4)选择声纳的各主要参数，否则重复(2)和(3)的计算，直到声纳的各主要参数基本满意；
(5)根据声纳工作的具体环境和用户的要求，决定选用几个平行的等间距线阵，其中线阵至少3个或3个以上；然后用本发明的海底自动检测—采用旋转不变技术的信号参数估计(SBAD-ESPRIT)方法进行模拟计算，初步定出声纳的分辨率和克服多途的能力；
(6)确定好声纳的各主要参数，否则重复(2)、(3)、(4)和(5)各步，直到声纳的各主要参数确定下来，制作成两个声纳阵样机；
(7)将步骤(6)制作的声纳阵样机在水池中进行测试；首先，测量池底的回波，将测得的深度值与池底的真实深度比较，包括正下方附近的深度，两者应该符合良好；其次，测量水池的轮廓包括墙角，测量值应与实际值基本符合，这之后才能进行室外试验；
(8)在湖上或海上试验；将声纳阵装在水下载体上进行试验；本发明的***的工作过程如下：
首先由主控计算机通过控制器向两个发射机给出门控信号，使发射机产生大功率线性调频(Chirp)电脉冲信号驱动两侧的发射线阵，发射线阵把Chirp电脉冲信号转换成声脉冲信号并向海底发射；发射完毕后，主控计算机命令高速数字信号处理器启动多通道A/D转换器，同时主控计算机通过控制器向接收机给出时变增益控制(TGC)信号，接收机开始接收由两侧的平行接线阵接收到的信号，经过接收机放大、滤波、正交解调，通过多通道A/D转换器将其变为数字信号，数字信号被输入到高速数字信号处理器，高速数字信号处理器将对数字信号进行处理，处理结果被输入到主控计算机，并保存在硬盘上；同时，(当该装置中安有姿态传感器数据和温度传感器)在这段时间内的姿态传感器数据和温度传感器数据也通过控制器被输入到主控计算机，并保存在硬盘上；到此为止，一个高分辨率测深侧扫声纳***的正常工作周期完成，***将紧接着进行下一个正常工作周期的工作，此时只有断电才能使整个***的工作停止。另外，在***进入正常工作前，主控计算机向高速数字信号处理器提供所需的程序。
试验完成后进行数据处理；首先，将声纳测得的正下方附近的深度数据与高精度测深仪的深度数据对比，应该符合良好；其次，将水下载体工作在多途效应比较严重的情况，由测量数据判定克服多途效应的能力。最后显示的图件上正确给出湖底或海底的深度，无任何多途信号干扰；
(9)融合声纳测量数据以及载体姿态传感器的数据和定位数据，给出等深线图；
(10)同时给出声反向散射信号的灰阶图；
(11)可以根据用户要求制作用户需要的图件；
本发明的优点在于：(1)由于使用本发明的用于测量海底微地貌的高分辨测深侧扫声纳***和方法进行测量时是把海底看成是-产生反向散射回波的薄层，该测深侧扫***中的声纳阵采用的是用压电陶瓷制作的平行接收线阵和发射线阵构成，相邻两个平行接收线阵之间的间距d为：λ＞d≥λ/2，λ为声波长；其工作频率可由30kHz到1200kHz，安装在水下载体(例如机器人)上，发射Chirp信号；获得了声纳阵时空相关函数的标准偏差，见图14，图中实线是理论值，虚线是实验值。由图可见，理论与实验符合，这是本发明的高分辨测深侧扫声纳的理论基础。已有技术是假设海底是一厚度为0的产生反向散射回波的面，在考虑声纳阵栅瓣的情形下选用d＝0.7λ。它没有谈及声纳正下方测深误差的成因，更没有给出正下的测深精度。本发明把海底看成是-产生反向散射信号的薄层，求得的测深侧扫声纳的声纳阵时空相关函数相位的表式上，比通常理论多了一项被称它为相位附加因子ξ。ξ使测深侧扫声纳正下方的测深精度变差。如图8所示的。本发明采用的间距d为：λ＞d≥λ/2是通过对相位附加因子的分析，提出了合理的声纳阵设计参数。由图8可知，当声纳阵的平行线阵间的间距d等于和小于波长λ时，ξ只是在很窄的角宽内影响测深精度。当d＝λ/2时，ξ的影响最小。获得的声纳时空相关函数相位的标准偏差的理论值和实验值符合良好，从而找到了声纳产生正下方测深精度差的原因，因此本发明解决了声纳正下方测深精度的问题，大大地提高了声纳正下方测深精度，实际测量结果为测深精度小于1％。
(2)使用本发明的测深侧扫声纳***进行测量时采用ESPRIT(采用旋转不变技术的信号参数估计)信号处理方法正确地把海底回波与其它多途信号分离出来，再采用本发明的海底自动海底检测和跟踪方法，即SBAD(海底自动检测)方法，它能良好地检测海底，删除多途信号。由此获得的图件中没有多途效应。本发明的信号处理方法总称为SBAD-ESPRIT方法。
(3)本发明的高分辨测深侧扫声纳***装在水下机器人(AUV)上，进行了实际测量，双侧同时工作，在校正了误差后，给出了测深精度和等深线图。
                           附图说明
图1本发明的结构示意图
图2高分辨率测深侧扫声纳***的方框图
图3高分辨率测深侧扫声纳***接收机一个通道的电路框图
图4高分辨率测深侧扫声纳***发射机电路框图
图5高分辨率测深侧扫声纳***多通道A/D转换器框图
图6高分辨率测深侧扫声纳***高速数字信号处理器电路框图
图7高分辨率测深侧扫声纳***输入输出控制器电路框图
图8相位附加因子ξ与声波掠射角θ的关系，d≤λ时，ξ的影响相当小，d＝λ/2时ξ的影响最小
图9高分辨率测深侧扫声纳***工作的几何状态；由图可见，海底、水面会产生多个回波，这就是水声信道的多途效应，同时复杂海底也能产生多个不同方向同时到达的回波
图10高分辨率测深侧扫声纳***声纳阵框图
图11高分辨率测深侧扫声纳***软件***框图
图12是方法1和方法2的水池实验数据的比较，检测目标是池底。由于存在多途效应，方法1好于方法2；方法1给出了声纳正下方附近的深度数据
图12a(上图)掠射角与时间的关系，图中显示本发明的SBIAD-ESPRIT方法(以下简称方法1)显然好于已有方法(以下简称方法2)
图12b(下图)深度与距离的关系，图中显示方法1显然好于方法2
图13检测目标是池壁，包括墙角；其中的数据是方法1获得的结果，与水池的轮廓基本符合；由于多途严重，方法2无法获得有用数据
图14声纳阵时空相关函数相位的标准偏差与水平距离的关系，理论值与实验值符合良好
图15高分辨率测深侧扫声纳***与高精度测深仪获得的水下机器人(AUV)正下方附近的深度数据比较，两者符合良好；高精度测深仪的主要技术指标为：工作频率600kHz，波束宽度4°，脉冲宽度0.1ms和每秒发射10次
图16是水下机器人(AUV)上的高分辨率测深侧扫声纳***用本发明的SBIAD-ESPRIT方法(方法1)和方法2一次发射获得的数据比较(右侧)；方法1获得的数据直到波束数200～250和水平距离200～250m仍然是合理的，而方法2获得的数据只到波束数80和水平距离80m是合理的：
图16a是波束数与掠射角的关系
图16b是水平距离与深度的关系
图17a是波束数与掠射角的关系
图17b是水平距离与深度的关系
图17是水下机器人(AUV)上的高分辨率测深侧扫声纳***用本发明的SBIAD-ESPRIT方法(方法1)和已有的方法(差分相位估计法，即方法2)一次发射获得的数据比较(左侧)；结果同图16的结果
图18高分辨率测深侧扫声纳***300次发射获得的数据构成的三维深度图
图19高分辨率测深侧扫声纳***300次发射获得的等深线图
                 图面说明
1-声纳水下电子分机       2-水下载体
3-左声纳阵               4-右声纳阵
5-接收线阵1              6-接收线阵2
7-接收线阵3              8-接收线阵4
9-发射阵                 10-接收阵
11-接收电信号            12-发射电信号
                       具体实施方式
实施例1
按照图1和2制作一用于测量海底微地貌的高分辨测深侧扫声纳***，测量对象为水池底、水池壁和池水面。该***包括：由吊放装置将声纳阵3、4中的任一个吊放在水池中，声纳阵与声纳水下电子分机1由电缆连接，1放在水池面的工作台上。  每个声纳阵由1个发射线性调频(Chirp)信号的发射线阵和4个以等间距排列的、用压电陶瓷制作的平行接收线阵1、2、3、4构成，相邻两个平行接收线阵之间的线阵间距d＝λ，λ＝2cm；线阵长度为70cm。其工作频率可由30kHz到1200kHz；发射线阵9与水下电子分机1的发射机的功率放大器的末级相联，平行接收线阵1-4与水下电子分机的1接收机的前置放大器相联；声纳阵如图10所示。声纳左右两侧的工作频率分别为70kHz和80kHz，高分辨率测深侧扫声纳***中水下电子分机1的各部份与声纳的连接关系见如图2所示。水下电子分机1的各部份组成如图2所示，其组成由主控计算机通过控制器向两个发射机给出门控信号，  使发射机产生大功率线性调频(Chirp)电脉冲信号驱动两侧的发射线阵，发射线阵把Chirp电脉冲信号转换成声脉冲信号并向海底发射；发射完毕后，主控计算机命令高速数字信号处理器启动多通道A/D转换器，同时主控计算机通过控制器向接收机给出时变增益控制(TGC)信号，接收机开始接收由两侧的平行接线阵接收到的信号，经过接收机放大、滤波、正交解调，通过多通道A/D转换器将其变为数字信号，数字信号被输入到高速数字信号处理器，高速数字信号处理器将对数字信号进行处理，处理结果被输入到主控计算机，并保存在硬盘上；同时，当该***还安装有姿态传感器数据和/或温度传感器的情况下，在这段时间内的姿态传感器数据和温度传感器数据也通过控制器被输入到主控计算机，并保存在硬盘上。并且各部份组成分别叙述如下：图4为发射机电路框图，发射机由信号转换、驱动级、功率级、变压器，按信号走向顺序连接组成，除变压器外，其它均可由国内外市场上购得。变压器是一常规的脉冲变压器。图3是接收机一个通道的电路方框图，它包括前放、时间增益控制(TGC)电路、带通滤波器(BPF)、本振、低通滤波器和缓冲放大器，按图3电路的信号走向顺序连接构成。图3中每一方框中的部件就是一个专用芯片，国内外市场均可购得。图5是多通道A/D转换器方框图，它包括模拟输入，多路模拟开关、A/D转换器、FIFO存储器、逻辑控制电路、时钟发生器、主控计算机总线和DSP扩展总线，按图5中的信号走向顺序连接构成。图6是高速数字信号处理器方框图，它包括数字信号处理芯片、双口RAM、静态RAM(SRAM)、逻辑控制器和扩展总线，按图6中的信号走向顺序连接组成。图7是输入输出控制器电路方框图，它包括数字输出接口、数字输入接口、定时器、D/A转换器、逻辑控制器和主控计算机接口，按图7中的信号走向顺序连接构成。图5、6和7中的各种数字芯片均为通用芯片，可在国内外市场购得。用本发明的海底自动检测-采用旋转不变技术的信号参数估计(SBAD-ESPRIT)方法与***的测量结果与已有方法对水池池底的测量结果在图12中给出，图12a中给出虚线为本发明的海底自动检测-采用旋转不变技术的信号参数估计方法(SBAD-ESPRIT)(方法1)的结果，差分相位法(方法2)的结果为点划线，实线为理论值，方法1的结果接近理论值，明显优于方法2。图12b标出了声纳阵的位置，方法1为方框，方法2为星号，方法1明显接近以实线标志的水池底，并给出正下方池底的深度。图13检测的是目标是水池底、水池壁和池水面，包括墙角，其中的数据是方法1获得的，与水池的轮廓基本符合。由于多途严重，方法2无法获得有用的数据。由图可看出，用本方法不仅可测出水池底的深度，声纳正下方水池底的深度，而且还可以测出水池壁和水池面的位置，而已有的方法测不出。
由图9可知高分辨率测深侧扫声纳***工作的几何状态，由于海面和海底的多次反射，以及复杂地形产生的回波，不同方向的回波可以同时到达声纳阵。为了分离这些回波，找出我们所要的海底回波，本发明研制了两个声纳阵，装在载体左右两侧，它们每个由一个发射阵和4个平行线阵组成，工作频率为30到1200kHz，发射线性调频(Chirp)信号。声纳阵图见图10。4个线阵可以获得16个时空相关函数，它们组成4×4的时空相关函数矩阵。此矩阵包含了声回波的幅度、相位、频率和入射角等许多信息。由此矩阵解出这些信息，并把不同方向同时到达的回波分离出来，这就是本发明的主要目的。
实施例2
按照图1-7、10、11制作一测量对象为湖底的微地貌的高分辨测深侧扫声纳***，该***被安置在CR-02水下机器人(AUV)上。在水下机器人2上安装有水下电子分机1，和在水下机器人2下方两侧对称安装左、右各一个声纳阵3、4。水下机器人(AUV)在离湖底40～60m的高度在各种湖底上航行，运用本发明的海底自动检测-采用旋转不变技术的信号参数估计方法对湖底进行微地貌测量。仍然采用两个声纳阵，每个声纳阵由一个发射线阵和4个接收线阵构成，均用压电陶瓷材料制成。线阵间距d＝λ，λ＝2cm，线性长度为70cm。电子分机的构成同实施例1。采用本发明的方法。其水下机器人(AUV)正下方附近的测深结果与高精度测深仪的测深结果在图15中给出，图中实线为本实施例高分辨测深侧扫声纳的测量结果，虚线为高精度数字测深仪的测量结果，后者的技术指标为：工作频率600kHz，波束宽度4°，脉冲宽度0.1ms和每秒发射10次。由图看出，二者符合很好，说明本发明的方法与本发明的***的测深精度很高，而现行方法给不出此结果。本发明的测深结果表示在图16和图17中，图16是装在水下机器人(AUV)上的高分辨测深侧扫声纳的测量结果，本发明方法的实线表示，已有的方法(方法2)以虚线表示，图16a是波束数与回波掠射角的关系，由图可见，本发明方法获得的数据直到200个波束仍然是合理的，而已有的方法得到数据只到80个波束。图16b表示的是水平距离与深度的关系。本发明方法获得的深度直到200m仍然是合理的，已有的方法只到80m是合理的。图17是另一侧的测量结果，符号标记和结论与图16全同。由图看出用本发明的方法与***消除了多途信号，而已有方法没有这种功能。本发明方法明显提高了测深侧扫声纳***的测深精度、作用距离和适用性。除此之外，将用本发明的方法与***测量的数据和载体姿态数据及定位数据融合起来获得三维深度剖面图和等深线图，包括正下方的深度和存在多途信号时的深度，如图18；已有的装置和方法是无法做到这一点。
本实施例的声纳装在水下机器人(AUV)上，水下机器人(AUV)上同时安装载体姿态测量装置和导航定位装置，在深水湖(最大水深150m)里进行了长时间的***试验。实验数据表明：
a.声纳阵时空相关函数相位的标准偏差的理论值与实验值符合良好，证明了我们理论的正确性，这是高分辨测深侧扫声纳的理论基础，见图14。
b.水下机器人(AUV)正下方附近的深度数据与水下机器人(AUV)正下方安装的高精度测深仪测深精度符合良好，测深精度小于1％，证明理论是正确的。这才有可能使高分辨测深侧扫声纳实用化。此高精度测深仪的指标为工作频率600kHz，波束宽度4°，脉冲宽度0.1ms和每秒发射10次。见图15。
c.ESPRIT方法在将水声信道的多途效应完全分离；本发明的自动海底检测方法(SBAD)能良好地检测和跟踪海底，删除多途效应，获得的图件中没有残留的多途效应。见图16和图17。
d.获得了大面积范围内的经校正后的深度剖面图，即三维深度图，见图18。
e.获得了大面积范围内的经过校正后的等深线图，见图19。
为了便于理解，结合附图与实施例已对本发明做了叙述，可以理解本发明有很多其它实施例，但本发明不限于这些图与实施例。本发明包括本发明精神与范围内的所有权利要求范围内的修正案。

Claims (13)

1.一种用于测量海底微地貌的高分辨测深侧扫声纳***，包括：在水下载体上安装有水下电子分机，和在水下载体下方两侧对称安装两个声纳阵，水下电子分机包括发收和信号处理电路和传感器，声纳阵包括发射线阵和接收线阵；其特征在于：每个声纳阵由1个发射线性调频(Chirp)信号的发射线阵和3个或3个以上以等间距排列的平行接收线阵构成，相邻两个平行接收线阵之间的间距d为：λ＞d≥λ/2，λ为声波长；其中心工作频率在30kHz到1200kHz之间。
2.根据权利要求1所述的用于测量海底微地貌的高分辨测深侧扫声纳***，其特征在于：所述的相邻两个平行接收线阵之间的间距d优选为λ/2。
3.根据权利要求1所述的用于测量海底微地貌的高分辨测深侧扫声纳***，其特征在于：所述的水下电子分机的发收和信号处理电路包括：接收机、发射机、多通道A/D转换器、高速数字信号处理器、输入输出控制器和主控计算机；其中发射线阵与其对应的发射机相联，平行接收线阵与其对应的接收机相联，接收机与多通道A/D转换器电连接，多通道A/D转换器与高速数字信号处理器电连接，多通道高速数字信号处理器与主控计算机电连接，输入输出控制器与主控计算机、发射机、接收机电连接。
4.根据权利要求1所述的用于测量海底微地貌的高分辨测深侧扫声纳***，其特征在于：所述的水下电子分机传感器包括：姿态传感器和/或温度传感器；其中姿态传感器和温度传感器分别通过输入输出控制器与主控计算机电连接。
5.根据权利要求3所述的用于测量海底微地貌的高分辨测深侧扫声纳***，其特征在于：所述的接收机包括两部分接收机，每部分接收机由前置放大器、时变增益控制器、带通滤波器、正交解调器、缓冲放大器组成，每部分接收机的通道数和工作频率与相联接的平行接收线阵数目和工作频率一致；声纳阵接收到海底反向散射声回波，由它产生的微弱电信号馈送给接收机，经前置放大器和时变增益控制器进行增益补偿，输入带通滤波器，滤去通带外的噪声，信号经正交解调器后形成正交信号，经过缓冲放大器，馈给多通道A/D转换器，其幅度适合多通道A/D转换器的要求。
6.根据权利要求3所述的用于测量海底微地貌的高分辨测深侧扫声纳***，其特征在于：所述的发射机包括两块发射机板，每块板由信号转换电路、驱动级、功率级、变压器组成，发射机的工作频率与相联接的发射线阵工作频率一致；发射机由主控计算机控制，主控计算机通过输入输出控制器向发射机发出门控信号，启动发射机，由信号转换电路根据载频信号产生发射控制信号，经过驱动级控制功率级的功率开关，推动变压器生成驱动换能器的大功率脉冲信号。
7.根据权利要求3所述的用于测量海底微地貌的高分辨测深侧扫声纳***，其特征在于：所述的用于对经过接收机处理后的多路正交回波信号进行数据采集的多通道A/D转换器由多路模拟输入、多路模拟开关、A/D转换器、FIFO存储器、缓冲/隔离电路、时钟发生器、主控计算机总线、DSP扩展总线和逻辑控制电路组成；其中多路模拟输入信号按与接收机的通道数相一致分为多组，每组由两个相互正交的信号组成，多路模拟输入信号经过多路模拟开关后，每组的两个信号同时进行A/D转换，数据送入FIFO存储器；存储器在半满时经DSP扩展总线向高速数字信号处理器发出中断请求，高速数字信号处理器响应中断，读走数据，如此直到下一次中断到来；FIFO存储器的数据还可经缓冲/隔离电路和主控计算机总线送入主控计算机；逻辑控制电路产生逻辑控制信号控制多通道A/D转换器的工作。
8.根据权利要求3所述的用于测量海底微地貌的高分辨测深侧扫声纳***，其特征在于：所述的高速数字信号处理器由数字信号处理芯片(DSP)、双口RAM、静态RAM(SRAM)、逻辑控制器、主控计算机接口和扩展总线接口组成；其中高速数字信号处理器与主控计算机之间通过双口RAM进行数据交换，主控计算机负责将DSP程序加载到静态RAM，还负责控制数字信号处理器的启动和停止；数字信号处理芯片工作时，AD数据经过扩展接口送到SRAM中并保存，再经过双口RAM将AD数据传到主控计算机，逻辑控制器产生逻辑控制信号控制高速数字信号处理器工作。
9.根据权利要求3所述的用于测量海底微地貌的高分辨测深侧扫声纳***，其特征在于：所述的用于控制两个发射机的门控、提供两部分接收机的时变增益控制信号和接收同步信号输入的输入输出控制器由OC门数字输出、数字输出接口、8位数字输入、数字输入接口、定时器、D/A转换器、逻辑控制器和主控计算机接口组成；其中控制发射机的门控信号使用了OC门数字输出和数字输出口的两路，同步信号从数字输入接口和8位数字输入的一路输入，两部分接收机的TGC控制信号由两个D/A转换器给出，由定时器控制D/A转换器的工作频率，主控计算机通过主控计算机接口使逻辑控制器产生逻辑控制信号，控制输入输出控制器工作。
10.根据权利要求1所述的用于测量海底微地貌的高分辨声纳***，其特征在于，还包括主控计算机通过以太网相联接的一水上计算机。
11.根据权利要求1所述的用于测量海底微地貌的高分辨测深侧扫声纳***，其特征在于：所述的对整个***进行控制的主控计算机，按一定时间经过控制器发出指令，发射机驱动声纳阵发射声波，海底的声回波经声纳阵变成电信号后馈给接收机，处理后的信号经A/D转换器变成数字信号，在高速数字信号处理器中进行各种运算，获得的结果存在硬盘里，或者经由以太网送到水上计算机。
12.根据权利要求1所述的用于测量海底微地貌的高分辨测深侧扫声纳***，其特征在于：所述的水下载体包括：水下机器人、水下有缆遥控潜水器、载人潜水器、拖曳***或船只。
13.一种应用权利要求1所述的用于测量海底微地貌的高分辨测深侧扫声纳***进行测量的方法包括以下内容：
(1)选用合适的水下载体；
(2)在载体上安装高分辨测深侧扫声纳***，包括声纳阵、电子分机的发收和信号处理电路和传感器；
(3)高分辨测深侧扫声纳***的两个声纳阵分别对称安装在载体的左右两侧的下方；
(4)高分辨测深侧扫声纳***的每个声纳阵包括一个发射线阵和3个或3个以上的平行接收线阵，相邻两个接收线阵之间的间距d为，λ＞d≥λ/2，λ为声纳中心频率声波的波长；其中心频率在30kHz到1200kHz之间；
(5)高分辨测深侧扫声纳***电子分机的发收和信号处理电路包括：接收机、发射机、多通道A/D转换器、高速数字信号处理器、输入输出控制器和主控计算机；
(6)高分辨测深侧扫声纳***传感器包括：姿态传感器和/或温度传感器，还有一般载体已装备的定位传感器；
(7)所述的用于测量海底微地貌的高分辨测深侧扫声纳***测量步骤如下：所述的对整个***进行控制的主控计算机，按一定的时间经过控制器发出指令，发射机驱动声纳阵发射声波，海底的回波经声纳阵变成电信号后馈给接收机，信号被处理后经A/D转换器变成数字信号，在高速数字信号处理器中应用海底自动检测一采用旋转不变技术的信号参数估计方法进行计算，给出海底一个条带上的海底水深和海底回波强度，水下载体不断前进，声纳不断工作，就获得了大面积海底的水深数据和海底回波强度；
(8)所述的用于测量海底微地貌的高分辨测深侧扫声纳***将所得数据经以太网馈送到水上计算机，在此计算机中进行数据融合，它包括：将测量得的海底深度数据和海底回波强度与姿态传感器、温度传感器进行融合，修正误差；再与载体上的定位传感器提供的定位数据进行融合，给出测深点准确的位置，由此获得了某一水域水底的等深线图和灰阶图。
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