CN117890894B - 多波束探测***及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种多波束探测***及方法。所述多波束探测***设置于搭载平台上，包括换能器阵、发射电路、接收电路以及控制器；发射电路用于在测深功能开启后，驱动换能器阵向搭载平台所处水域发射第一方向的第一声波波束，以及在测速功能开启后，还驱动换能器阵向水域发射第二方向的第二声波波束，第二方向垂直于第一方向；接收电路用于在测深功能开启后，驱动换能器阵接收第二方向的第一回波波束，以及在测速功能开启后，还驱动换能器阵接收第一方向的第二回波波束；控制器用于基于第一声波波束和所述第一回波波束，确定水域的水深信息，以及基于第一声波波束、第一回波波束、第二声波波束以及第二回波波束，确定搭载平台的航行速度。

Description

多波束探测***及方法
技术领域
本申请涉及水域探测领域，尤其涉及一种多波束探测***及方法。
背景技术
目前在水下地形勘探领域通常使用水下载体，如遥控水下机器人（RemotelyOperated Vehicle，ROV）、自主无人航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）等作为搭载平台，用于搭载多波束测深声呐和多普勒测速声呐等声学设备。
多波束测深声呐用于水下地形的测绘，多普勒测速声呐与惯性导航单元结合，用于水下载体的定位与导航。由于二者的功能侧重、接口不同，无法互相替代，同时安装这两种设备，不仅大大提高了用户的使用成本，还增加了搭载平台的设计和使用难度，占用搭载平台的过多内部空间而导致无法安装更多的其他有效载荷，而且同一探底高度条件下适用工作频段重叠，极易互相干扰，限制了两种设备的工作性能。
发明内容
本申请实施例的目的提供一种多波束探测***及方法，用于在无需安装多普勒测速声呐的情况下实现测深功能和测速功能。
为了实现上述目的，本申请实施例采用下述技术方案：
第一方面，本申请实施例提供一种多波束探测***，设置于搭载平台上，所述***包括换能器阵、发射电路、接收电路以及控制器；
所述发射电路，用于在测深功能开启后，驱动所述换能器阵向所述搭载平台所处水域发射第一方向的第一声波波束，以及在测速功能开启后，还驱动所述换能器阵向所述水域发射第二方向的第二声波波束，所述第二方向垂直于所述第一方向；
所述接收电路，用于在所述测深功能开启后，驱动所述换能器阵接收所述第二方向的第一回波波束，以及在所述测速功能开启后，还驱动所述换能器阵接收所述第一方向的第二回波波束，所述第一回波波束为所述第一声波波束经反射后形成，所述第二回波波束为所述第二声波波束经反射后形成；
所述控制器，用于基于所述第一声波波束和所述第一回波波束，确定所述水域的水深信息，以及基于所述第一声波波束、所述第一回波波束、所述第二声波波束以及所述第二回波波束，确定所述搭载平台的航行速度。
第二方面，本申请实施例提供一种多波束探测方法，包括：
在搭载平台航行于目标水域的过程中，通过换能器阵向所述目标水域发射第一方向的第一声波波束，并通过所述换能器阵接收第二方向的第一回波波束，所述第一回波波束为所述第一声波波束经反射后形成，所述第一方向垂直于所述第二方向；
通过所述换能器阵向所述目标水域发射所述第二方向的第二声波波束，并通过所述换能器阵接收所述第一方向的第二回波波束，所述第二回波波束为所述第二声波波束经反射后形成；
基于所述第一声波波束和所述第一回波波束，确定所述目标水域的水深信息；
基于所述第一声波波束、所述第一回波波束、所述第二声波波束以及所述第二回波波束，确定所述搭载平台的航行速度。
本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
使用一套具有波束收发功能的换能器阵，并设计了一套对应的发射电路、接收电路和控制器；在需要进行测深时，利用发射电路驱动换能器阵向被测量水域发射第一方向的第一声波波束，并利用接收电路驱动换能器阵接收第一声波波束经反射后形成的、垂直于第一方向（即第二方向）的第一回波波束，进而由控制器基于第一声波波束和第一回波波束进行水深解算，实现测深功能；在需要进行测速时，还利用发射电路驱动换能器阵向被测水域发射第二方向的第二声波波束，并利用接收电路驱动换能器阵接收第二声波波束经反射后形成的、第一方向的第二回波波束，进而由控制器基于两个方向上的声波波束和两个方向上的回波波束进行速度解算，实现测速功能。可见，本申请实施例提供的多波束探测***，只利用一套换能器阵和硬件设备即可实现测深功能和测速功能，无需同时安装多普勒测速声呐，从而降低了用户的使用成本，提供了测深精度和测速精度，节省了搭载平台的内部空间，减小了搭载平台的重量，有利于在搭载平台上增加更多的有效载荷，降低了搭载平台的设计和使用难度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请的一个实施例提供的一种多波束探测***的结构框图；
图2为本申请的一个实施例提供的一种声波波束和回波波束的示意图；
图3为本申请的一个实施例提供的一种波束脚印的示意图；
图4为本申请的另一个实施例提供的一种多波束探测***的结构框图；
图5为本申请的一个实施例提供的一种换能器阵的阵型示意图；
图6为本申请的另一个实施例提供的一种换能器阵的阵型示意图；
图7为本申请的一个实施例提供的一种驱动第一换能器阵进行相控发射的示意图；
图8为本申请的另一个实施例提供的一种驱动第一换能器阵进行相控发射的示意图；
图9为本申请的一个实施例提供的一种驱动第一换能器阵进行相控接收的示意图；
图10为本申请的另一个实施例提供的一种驱动第一换能器阵进行相控接收的示意图；
图11为本申请的一个实施例提供的一种基于多波束测深***的探测流程的示意图；
图12为本申请的一个实施例提供的一种多波束探测方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应理解，这样使用的数据在适当的情况下可以互换，以便本申请实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，本说明书和权利要求书中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
目前在进行水下探测时，为了实现测深功能和测速功能，需要在搭载平台上同时部署多波束测深声呐和多普勒测速声呐。但是，这种方式存在如下技术问题：
第一，多波束测深声呐和多普勒测速声呐使用两套独立的硬件***，提高了使用成本。具体而言，多波束测深声呐由于发射波束在航行方向上的波束较窄（一般小于2°）且基本垂直于地面方向，导致航行方向上的多普勒频偏量难以测量，因此不适用于水下航行速度的测量。而多普勒测速声呐由于水平方向波束较少，无法完成大范围内的地形探测，因此这两种声呐的功能侧重不同，无法互相替代。二者具有不同的换能器和信号处理***，且不能互相替代，使用搭载平台进行水下地形测绘时需要同时安装这两种设备，大大提高了用户的使用成本。
第二，多波束测深声呐和多普勒测速声呐在同一探底高度条件下使用工作频段重叠，极易互相干扰，限制了二者的工作性能。具体而言，由于多波束测深声呐和多普勒测速声呐都是使用水底反射的回波波束进行测量，水体对不同频率的声波波束具有不同的吸收和衰减系数，因此不同的探测距离适用不同频率的声波波束。而多波束测深声呐和多普勒测速声呐安装在同一搭载平台上，两者的作用距离基本一致，因此满足两者适用要求的水声频段也基本一致，从而两者同时工作时必须使用不同的频段，否则会互相干扰，而使用不同的频段则意味着降低了工作带宽，多波束测深精度和多普勒测速精度都会受到影响，限制了两种声呐的工作性能。
第三，同时安装多波束测深声呐和多普勒测速声呐限制了搭载平台的设计和使用难度。具体而言，这两种声呐一般具有不同的机械接口、电气接口和数据接口，两种声呐使用的换能器和信号处理***一般具有不同的外形和机械安装接口。搭载平台在设计时必须同时考虑两种声呐的机械安装接口。在使用时，两种声呐的供电、信号传输等也必须分别设计对应的接口和电缆，而两种声呐来源于不同的厂家，在输出的信号协议上一般也不相同，对两种声呐输出的信息也必须采用不同的软件接口分别进行处理。这些都大大增加了搭载平台的设计和使用难度。
第四，同时安装多波束测深声呐和多普勒测速声呐降低了搭载平台的有效载荷，增加了搭载平台的体积。具体而言，同时安装两种声呐会增加搭载平台的重量，同时占用搭载平台更多的内部空间，从而导致无法安装更多的其他有效载荷。
针对上述技术问题，本申请实施例提供一种设置于搭载平台上的多波束探测***，使用一套具有波束收发功能的换能器阵，并设计了一套对应的发射电路、接收电路和控制器；在需要进行测深时，利用发射电路驱动换能器阵向被测量水域发射第一方向的第一声波波束，并利用接收电路驱动换能器阵接收第一声波波束经反射后形成的、垂直于第一方向（即第二方向）的第一回波波束，进而由控制器基于第一声波波束和第一回波波束进行水深解算，实现测深功能；在需要进行测速时，还利用发射电路驱动换能器阵向被测水域发射第二方向的第二声波波束，并利用接收电路驱动换能器阵接收第二声波波束经反射后形成的、第一方向的第二回波波束，进而由控制器基于两个方向上的声波波束和两个方向上的回波波束进行速度解算，实现测速功能。可见，本申请实施例提供的多波束探测***，只利用一套换能器阵和硬件设备即可实现测深功能和测速功能，无需同时安装多普勒测速声呐，从而降低了用户的使用成本，提供了测深精度和测速精度，节省了搭载平台的内部空间，减小了搭载平台的重量，有利于在搭载平台上增加更多的有效载荷，降低了搭载平台的设计和使用难度。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
请参见图1，为本申请的一个实施例提供的一种多波束探测***的结构框图，该***包括换能器阵、发射电路、接收电路以及控制器。
换能器阵具有呈二维阵列排布的多个换能器。每个换能器均具有波束收发功能，即既可以发射声波波束，又可以接收声波波束经反射后形成的回波波束。
发射电路用于驱动换能器阵发射具有特定指向性的声波波束。具体而言，发射电路用于在测深功能开启后，可驱动换能器阵向搭载平台所处水域发射第一方向的第一声波波束，以及在测速功能开启后，还驱动换能器阵向水域发射第二方向的第二声波波束，第二方向垂直于第一方向。
接收电路用于驱动换能器阵接收具有特定指向性的回波波束。具体而言，接收电路用于在测深功能开启后，驱动换能器阵接收第二方向的第一回波波束，以及在测速功能开启后，还驱动换能器阵接收第一方向的第二回波波束。第一回波波束为第一声波波束经反射后形成，第二回波波束为第二声波波束经反射后形成。
控制器具有数据处理和控制功能。具体而言，控制器用于开启测深功能和/或测速功能。控制器还用于基于所述第一声波波束和所述第一回波波束，确定所述水域的水深信息，以及基于所述第一声波波束、所述第一回波波束、所述第二声波波束以及所述第二回波波束，确定所述搭载平台的航行速度。
本申请实施例中，第一方向和第二方向可以根据实际需要进行设置，本申请实施例对此不作限定。作为一种示例，第一方向为搭载平台的艏艉方向，第二方向为搭载平台的宽度方向。由于搭载平台在航行过程中其艏艉方向与航行方向相平行，因而在此情况下，第一方向也为航行方向，第二方向垂直于航行方向，也称为水平方向。
如图2中（a）所示，在测深功能开启后，换能器阵在发射电路的驱动下，发射第一方向的扇面声波波束（即第一声波波束），并在接收电路的驱动下，使用波束形成技术在第二方向上形成较窄的回波波束（即第一回波波束）并接收。第一声波波束和第一回波波束叠加后在第一方向上形成第一波束脚印，通过接收多个第一回波波束，即可在水平方向上形成多个第一波束脚印；进一步，基于这些第一波束脚印可以精确测得各个波束“重叠点”对应的水深值。实际应用中，第一声波波束在第一方向上的覆盖角度较大（一般大于120°），但在第二方向上的覆盖角度较小（一般小于2°）；第一回波波束在第一方向上的覆盖角度较小（一般小于1°），在第二方向上的覆盖角度较大，进而得到的第一波束脚印为窄波束（一般小于1°×2°）。
如图2中（b）所示，在测速功能开启后，换能器阵除了发射第一声波波束及接收第一回波波束以外，还在发射电路的驱动下，发射第二方向的扇面声波波束（即第二声波波束），并在接收电路的驱动下，使用波束形成技术在第一方向上形成较窄的回波波束（即第二回波波束）并接收。第二声波波束和第二回波波束叠加后在第二方向上形成第二波束脚印；进一步，基于第一波束脚印和第二波束脚印，可以进行速度解算，得到搭载平台的航行速度。
实际应用中，为了准确进行水深解算和速度解算，第一回波波束包括向第一方向偏离+30°和-30°的两个回波波束（以竖直方向为0°），第二回波波束包括向第二方向偏离+30°和-30°的两个回波波束（以竖直方向为0°），与第一声波波束和第二声波波束叠加后，形成的第一波束脚印和第二波束脚印如图3所示。在此情形下，通过计算第二方向上的两个第一波束脚印的多普勒频偏，可以解算得到搭载平台在第二方向上的航行速度；同理，通过计算第一方向上的两个第二波束脚印的多普勒频偏，可以解算得到搭载平台在第一方向上的航行速度；同理，通过计算这四个波束脚印的多普勒频偏，可以解算得到搭载平台在竖直方向上的航行速度。
本申请实施例中，换能器阵可以具有各种任意适当的阵型，具体可根据使用场景和使用需求进行设置，本申请实施例对此不作限定。
在一实施方式中，如图4和图5所示，换能器阵包括第一换能器阵11和第二换能器阵12。图中的浅色填充圆形图案表示第一换能器阵11中的换能器，深色填充圆形图案表示第二换能器阵12中的换能器。第一换能器阵11和第二换能器12均具有波束收发功能。值得说明的是，图中换能器的个数仅作为一种示例，并不应理解为对本申请实施例中换能器数量的限制。
第一换能器阵11用于在发射电路的驱动下发射第一声波波束，以及在接收电路的驱动下接收第二回波波束。第一换能器阵11中的换能器呈矩形阵列排布，且第一方向x上的换能器数量小于第二方向y上的换能器数量。
第二换能器阵12用于在发射电路的驱动下发射第二声波波束，以及在接收电路的驱动下接收第一回波波束。第二换能器阵中的换能器呈矩形阵列排布，且沿第一方向x上的换能器数量大于第二方向y上的换能器数量。
在上述实施方式下，第一换能器阵11和第二换能器阵12组成T字型。作为一种示例，第一换能器阵11中的换能器在第一方向x上呈弧形阵列（如图5中的虚线所示）、且在第二方向y上呈直线阵列。在此阵型下，第一方向x上的多个换能器并联组成为一个弧形阵元，进而在第二方向y上形成多个阵元以组成线性阵，由此可以保证发射的第一声波波束具有足够的开角，从而可以满足多波束测深功能的扫宽要求。在测速功能开启后，第一换能器阵11还利用在第二方向y上的多个换能器接收第二回波波束。
同理，作为一种示例，第二换能器阵12中的换能器在第一方向上x上呈直线阵列、且在第二方向上呈弧形或直线阵列（如图5中的虚线所示，图5仅以弧形阵列示意）。在此阵型下，第二方向y上的多个换能器并联组成一个弧形阵元，进而在第一方向x上形成多个阵元以组成线性阵，由此可以保证发射的第二声波波束具有足够的开角，从而可以满足多波束测深功能的扫宽要求。此外，第二换能器阵还利用在第一方向x上的多个换能器接收第一回波波束。
实际应用中，上述阵型能够适用于对扫宽要求较高的使用场景，比如以测深功能为主、兼顾测速功能的使用场景。
在另一实施方式中，如图6中（a）所示，换能器阵包括呈圆形阵列排布的多个换能器。在此情形下，发射电路用于从多个换能器中开启呈第一矩形阵列排布的部分换能器，以形成第一换能器阵11，并开启呈第二矩形阵列排布的部分换能器，以形成第二换能器阵12。其中，如图6中（b），第一换能器阵11中第一方向x上的换能器数量小于第二方向y上的换能器数量；第二换能器阵12中第一方向x上的换能器数量大于第二方向y上的换能器数量。
发射电路还用于在测深功能开启后，驱动第一换能器阵11向水域发射第一声波波束，并在测速功能开启后，还驱动第二换能器阵12向水域发射第二声波波束。接收电路用于在测深功能开启后，驱动第二换能器阵接收第一回波波束，以及在测速功能开启后，还驱动第一换能器阵接收第二回波波束。
在上述实施方式下，第一换能器阵11和第二换能器阵12组成十字型。在此阵型下，对于第一换能器阵11而言，第一方向x上的多个换能器并联组成一个阵元，进而在第二方向y上形成多个阵元以组成线性阵。该第一换能器阵11进行波束收发的具体实施过程与上述图5所示实施例中第一换能器阵进行波束收发的具体实施过程类似，不再赘述。
对于第二换能器阵12而言，第二方向y上的多个换能器并联组成一个阵元，在第一方向x上形成多个阵元以组成线性阵。该第二换能器阵12进行波束收发的具体实施过程与上述图5所示实施例中第二换能器阵进行波束收发的具体实施过程类似，不再赘述。
实际应用中，上述阵型能够适用于对扫宽要求较低的使用场景，比如以测速功能为主、兼顾测深功能的使用场景。
本申请实施例中，发射电路可以具有任意适当的数量，具体可根据实际需求进行设置，本申请实施例对此不作限定。作为一种示例，若换能器阵为图5所示的换能器阵，则发射电路的数量为两个，如图4所示，包括第一发射电路和第二发射电路，第一发射电路用于驱动第一换能器阵发射第一声波波束，第二发射电路用于驱动第二换能器阵发射第二声波波束；若换能器阵为图6中（a）所示的换能器阵，则发射电路的数量为一个。
发射电路还可具有任意适当的结构，具体可根据实际需求进行设置，本申请实施例对此也不作限定。作为一种示例，发射电路可以包括发射控制单元和多个开关，开关数量与换能器阵中的换能器数量相同，即每个开关具有对应的换能器，且每个开关与其所对应的换能器并联。这样，发射控制单元通过控制相应开关的开启或关闭，即可选择所需的换能器进行波束发射。
发射电路可通过各种方式控制换能器阵发射第一声波波束和/或第二声波波束，具体可根据实际需要进行设置，本申请实施例对此不作限定。
在一实施方式中，在不要求发射的声波波束始终与地面垂直的情况下，不需要使用相控发射技术。在此情况下，换能器阵中的所有换能器并联，发射电路同时驱动所有换能器发射声波波束，依靠换能器阵的自然指向性发射与换能器阵垂直的第一声波波束和/或第二声波波束。
在另一实施方式中，当搭载平台航行时，其姿态调整幅度较大、调整频率较高，为了提高探测精度，要求发射的声波波束始终与地面垂直，需要使用相控发射技术。在此情况下，当换能器数量较多时，如果对每个换能器都进行独立的驱动控制，将导致发射电路规模较大且电路复杂，由于不同换能器的驱动电路差异将极大的影响换能器之间的相位差控制精度，因此将换能器阵中的换能器划分为多级子阵，基阵的总指向性等于其各级子阵指向性的乘积。
具体而言，根据发射指向性的需要，对第一换能器阵中的相应换能器进行串联和/或并联组合，将第一换能器阵分解成多级子阵，使多级子阵的级联指向性满足发射指向性要求，发射时只需要控制最高一级子阵的主极大方向指向第一方向即可满足相控发射的需求，形成第一声波波束。由于最高一级子阵通常包含的换能器数量较少，从而可以达到简化发射电路的目的。
同理，对第二换能器阵中的相应换能器进行串联和/或并联组合，将第二换能器阵分解成多级子阵，使多级子阵的级联指向性满足发射指向性要求，发射时只需要控制最高一级子阵的主极大方向指向第二方向即可满足相控发射的需求，形成第二声波波束。
更为具体地，发射电路具体用于：将第一换能器阵或第二换能器阵作为目标换能器阵，将目标换能器阵中沿第一参考方向阵列的同一行换能器并联为一个阵元，得到沿第二参考方向阵列的多个阵元；对多个阵元进行分组，得到至少两级子阵，其中，同一级子阵中相邻阵元的间距相等；基于各级子阵中相邻阵元的间距和第一参考方向，确定各级子阵之间的第一相位延迟量；基于第一相位延迟量，依次控制各级子阵进行声波波束发射，以形成第一参考方向的声波波束。其中，若目标换能器阵为第一换能器阵，则第一参考方向为第一方向，第二参考方向为第二方向；若目标换能器阵为第二换能器阵，则第一参考方向为第二方向，第二参考方向为第一方向。
为便于理解，下面以第一换能器阵为例，结合图7和图8，对发射电路驱动第一换能器阵进行相控发射的过程进行说明。如图7所示，将第一换能器阵中沿第一方向阵列的同一行换能器并联为一个阵元，得到沿第二方向阵列的多个阵元；然后，对多个阵元进行分组，将同一组阵元进行串联以及不同组阵元之间并联，从而形成至少两级子阵。
作为一种示例，如图8所示，第一换能器中相邻阵元（即图8中的黑色填充圆形）的间距d为半波长，若要驱动第一换能器阵向水域发射图2所示的第一声波波束，则从多个阵元中抽取间隔4d的部分阵元组成第一级子阵，每隔一个第一级子阵继续抽取第一级子阵组成第二级子阵，第二级子阵的阵元间距为2d，相邻的两个第二级子阵的间距为d。进一步，基于第一级子阵中相邻阵元的间距、第二级子阵中相邻阵元的间距和第一方向，确定第二级子阵相对于第一级子阵的第一相位延迟量为π，则控制第一级子阵进行声波波束发射后，再基于第一相位延迟量控制第二级子阵进行声波波束发射，由此形成图2所示的第一声波波束。
本申请实施例中，接收电路可以具有任意适当的数量，具体可根据实际需求进行设置，本申请实施例对此不作限定。作为一种示例，若换能器阵为图5所示的换能器阵，则接收电路的数量为两个，如图4所示，包括第一接收电路和第二接收电路，第一接收电路用于驱动第一换能器阵接收第二回波波束，第二接收电路用于驱动第二换能器阵接收第一回波波束；若换能器阵为图6中（a）所示的换能器阵，则接收电路的数量为一个。
接收电路还可具有任意适当的结构，具体可根据实际需求进行设置，本申请实施例对此也不作限定。作为一种示例，接收电路可以包括接收控制单元和多个开关，开关数量与换能器阵中的换能器数量相同，即每个开关具有对应的换能器，且每个开关与其所对应的换能器并联。这样，接收控制单元通过控制相应开关的开启或关闭，即可选择所需的换能器进行波束接收。
接收电路可通过各种方式控制换能器阵接收第一回波波束和/或第二回波波束，具体可根据实际需要进行设置，本申请实施例对此不作限定。
在一实施方式中，对于第二换能器阵而言，由于接收电路在水平方向上采集通道较多，波束形成后角度分辨率较高，能够满足扫宽范围内不同角度的波束形成，因此可采用现有的相控接收技术，无需改动。
在另一实施方式中，为了得到在第一方向或第二方向上具有特定角度的回波波束，比如只接收+30°或-30°方向上的一个回波波束就能够满足测速需求，也可以通过将换能器阵中的换能器划分为多级子阵，使多级子阵的级联指向性满足接收指向性要求。
具体而言，根据接收指向性的需要，对第二换能器阵中的相应换能器进行串联和/或并联组合，将第二换能器阵分解成多级子阵，使多级子阵的级联指向性满足接收指向性要求，接收时只需要控制最高一级子阵的主极大方向指向第二方向即可满足相控接收的需求，形成第一回波波束。通过分级子阵的接收方式可以达到简化接收电路的目的，因此只需要在原多波束测深电路的基础上做少量的改动即可满足测速的需求。
同理，对第一换能器阵中的相应换能器进行串联和/或并联组合，将第一换能器阵分解成多级子阵，使多级子阵的级联指向性满足接收指向性要求，接收时只需要控制最高一级子阵的主极大方向指向第一方向即可满足相控发射的需求，形成第二回波波束。
更为具体地，接收电路具体用于：基于目标换能器阵的各级子阵中相邻阵元的间距和第二参考方向，确定各级子阵之间的第二相位延迟量；基于第二相位延迟量，依次控制各级子阵进行回波波束接收，以形成第二参考方向的回波波束。
为便于理解，下面以第一换能器阵为例，结合图9和图10，对接收电路驱动第一换能器阵进行相控接收的过程进行说明。如图9所示，将第一换能器阵中沿第一方向阵列的同一行换能器并联为一个阵元，得到沿第二方向阵列的多个阵元；然后，对多个阵元进行分组，将同一组阵元进行串联以及不同组阵元之间并联，从而形成至少两级子阵。
作为一种示例，如图10所示，第一换能器阵中相邻阵元的间距d为半波长，若要驱动第一换能器接收图2所示的第二回波波束，则从多个阵元中抽取间隔4d的部分阵元组成第一级子阵，每隔一个第一级子阵继续抽取第一级子阵组成第二级子阵，第二级子阵的阵元间距为2d，相邻的两个第二级子阵的间距为d。进一步，基于第一级子阵中相邻阵元的间距、第二级子阵中相邻阵元的间距和第二方向，确定第二级子阵相对于第一级子阵的第二相位延迟量为π，则控制第一级子阵进行回波波束接收后，再基于第一相位延迟量控制第二级子阵进行回波波束接收，对第二级子阵的输出进行放大滤波预处理后通过AD采集，对采集后的数字信号进行四阵元的波束形成，得到+30°和-30°上的两个回波波束，即回波波束1和回波波束2。
实际应用中，在测深功能和测速功能交替开启的情况下，接收电路具体用于：在测深功能开启后，基于第二换能器阵的各级子阵中相邻阵元的间距和第二方向，确定第二换能器阵的各级子阵之间的第二相位延迟量，以及基于确定出的第二相位延迟量，依次控制第二换能器阵的各级子阵依次进行回波波束接收，以形成第一回波波束；在测速功能开启后，基于第一换能器阵的各级子阵中相邻阵元的间距和第一方向，确定第一换能器阵的各级子阵之间的第二相位延迟量，以及基于确定出的第二相位延迟量，依次控制第一换能器阵的各级子阵依次进行回波波束接收，以形成第二回波波束。
在测深功能和测速功能同时开启的情况下，接收电路具体用于：基于第一换能器阵的各级子阵中相邻阵元的间距和所述第一方向，确定第一换能器阵的各级子阵之间的第二相位延迟量，以及基于确定出的第二相位延迟量，依次控制第一换能器阵的各级子阵依次进行回波波束接收，以形成第二回波波束；驱动第二换能器阵中的各个子阵接收第一声波波束经反射后形成的所有回波波束，基于第二方向的方向信息，对接收到的回波波束进行多通道数据采集，得到第一回波波束。
可见，在测深功能和测速功能同时开启的情况下，接收电路在两种功能下驱动第一换能器阵进行波束接收的方式相同，但驱动第二换能器阵进行波束接收时，则按照测深模式进行多通道数据采集，在程序内部进行回波波束形成，实现测深功能的同时，选取特定角度的回波波束进行水平方向的测速，而不是利用硬件选择电路形成特定的回波波束。
本申请实施例中，控制器可通过任意适当的方式控制发射电路和接收电路工作，具体可根据实际需要进行选择，本申请实施例对此不作限定。在一实施方式中，控制器可基于预设的刷新率，交替开启测深功能和测速功能，以交替进行测深和测速。例如，在第一帧开启测深功能，在第二帧开启测速功能，在第三帧开启测深功能，以此类推。
在另一实施方式中，控制器可同时开启测深功能和测速功能，以同时进行测深和测速。
本申请实施例中，控制器可采用本领域常用的各种水深解算方法，基于第一声波波束和第一回波波束进行水深解算，例如通过底检检测法估计到达时间（Time ofArrival，TOA）和到达方向（Direction of Arrival，DOA），进而基于TOA和DOA进行深度解算，在此不再赘述。
本申请实施例中，控制器可采用任意适当的方式进行速度解算，具体可根据实际需要进行选择，本申请实施例对此不作限定。
在一实施方式中，控制器具体用于：基于第一声波波束、第一回波波束、第二声波波束以及第二回波波束进行复相关测频处理，得到多普勒频偏；基于多普勒频偏，计算搭载平台的航行速度。
更为具体地，通过底搜索算法、底跟踪算法对第一声波波束、第一回波波束、第二声波波束以及第二回波波束进行处理之后，得到相应的深度数据，进而对深度数据进行复相关测频处理，得到多普勒频偏；基于多普勒频偏，计算搭载平台的航行速度。
值得说明的是，底搜索算法、底跟踪算法、复相关测频处理以及基于多普勒频偏的速度解算算法，均可采用本领域常用的各种算法，本申请实施例对此不作限定。
例如，在基于底搜索算法进行相关处理时，搜索子程序完成对底搜索的功能，搜索脉宽分为0.05ms、0.1ms、1ms、2ms、5ms、10ms和20ms，多波束探测***从0.05ms脉宽开始搜索，如果连续三次搜不到底则依次改变脉宽为0.1ms搜索；如果仍然未搜索到，则依次修改为1ms、5ms、10ms和20ms进行搜索；如果20ms的脉宽也没有搜到，则重新从0.05ms开始新的搜索；当搜索模式下判断本次搜索底回波波束有效时，则判断是否已连续三次搜索底回波波束有效，如果已连续三次搜索底回波波束有效，则此时工作模式转变为底跟踪模式。
在基于底跟踪算法进行相关处理时，根据时延信息和多普勒频偏以及有效性信息解算出深度和速度。在解算深度和速度的时候同时对有效性进行判断，判断接收到回波波束是否有效，根据回波波束的有效个数判断当前工作模式是否仍然有效，如果下个工作周期继续处在底跟踪模式下，程序会根据目前的工作水深对下个周期的工作脉宽以及数据处理起始位置做出调整。若连续几次没有检测到信号，算法则从底跟踪模式转入底搜索模式，重复上述基于底搜索算法的处理过程。
在基于普勒频偏进行速度解算时，多普勒频偏与航速的关系为：
其中：为发射频率 ，/>为搭载平台在第一方向的航行速度，/>为基阵波束指向与铅垂线的夹角，/>为水中声速，/>为多普勒频偏。
当使用相控阵阵元间距为，当形成/>方向的波束时，阵元间需补偿的相位/>为：
因而有。因此，只要保持/>不变，则/>始终为常数，则/>。在得到搭载平台的航行速度后，可以进一步得到当前的声速：/>。可见，声速可用于多波束测深时深度值解算，不需要再额外安装声速传感器。
实际应用中，控制器可通过多种方式进行测深控制和测速控制。在一实施方式中，如图11所示，用户可对多波束测深***进行参数设置，例如设置刷新率、发射频率等，以及对测深功能和测速功能进行选择。控制器响应于用户的功能选择操作，开启相应功能。
在用户只选择测深功能时，控制器开启测深功能，发射电路驱动第一换能器阵向水域发射第一声波波束，接收电路驱动第二换能器阵接收第一回波波束；然后，控制器基于底检测算法对第一声波波束和第一回波波束进行处理，估计TOA和DOA，进而基于TOA和DOA进行水深解算，得到水域的水深信息。
在用户只选择测速功能时，控制器开启测速功能，发射电路驱动第一换能器阵向水域发射第一声波波束以及驱动第二换能器阵向水域发射第二声波波束，接收电路驱动第二换能器阵接收第一回波波束并驱动第一换能器阵接收第二回波波束；然后，控制器对第一声波波束、第一回波波束、第二声波波束以及第二回波波束依次进行底搜索、底跟踪、复相关测频、速度解算等处理，得到搭载平台的航行速度。
在用户同时选择测速功能和测深功能时，控制器可同时开启测深功能和测速功能。或者，控制器也可基于用户设置的刷新率，交替开启测深功能和测速功能，若在当前帧开启测深功能，则基于上述测深处理流程进行水深解算，得到当前帧的水深信息；若当前帧开启测速功能，则基于上述测速处理流程进行速度解算，得到当前帧的航行速度。
本申请实施例提供的多波束探测***，使用一套具有波束收发功能的换能器阵，并设计了一套对应的发射电路、接收电路和控制器；在需要进行测深时，利用发射电路驱动换能器阵向被测量水域发射第一方向的第一声波波束，并利用接收电路驱动换能器阵接收第一声波波束经反射后形成的、垂直于第一方向（即第二方向）的第一回波波束，进而由控制器基于第一声波波束和第一回波波束进行水深解算，实现测深功能；在需要进行测速时，还利用发射电路驱动换能器阵向被测水域发射第二方向的第二声波波束，并利用接收电路驱动换能器阵接收第二声波波束经反射后形成的、第一方向的第二回波波束，进而由控制器基于两个方向上的声波波束和两个方向上的回波波束进行速度解算，实现测速功能。可见，本申请实施例提供的多波束探测***，只利用一套换能器阵和硬件设备即可实现测深功能和测速功能，无需同时安装多普勒测速声呐，从而降低了用户的使用成本，提供了测深精度和测速精度，节省了搭载平台的内部空间，减小了搭载平台的重量，有利于在搭载平台上增加更多的有效载荷，降低了搭载平台的设计和使用难度。
基于同样的发明构思，本申请实施例还提供一种多波束探测方法，该方法可应用于多波束探测***的控制器。请参见图12，为本申请的一个实施例提供的一种多波束探测方法的流程示意图，该方法包括如下步骤：
S1202，在搭载平台航行于目标水域的过程中，通过换能器阵向目标水域发射第一方向的第一声波波束，并通过换能器阵接收第二方向的第一回波波束。
第一回波波束为第一声波波束经反射后形成，第一方向垂直于所述第二方向。
S1204，通过换能器阵向目标水域发射第二方向的第二声波波束，并通过换能器阵接收第一方向的第二回波波束。
第二回波波束为所述第二声波波束经反射后形成。
S1206，基于第一声波波束和第一回波波束，确定目标水域的水深信息。
S1208，基于第一声波波束、第一回波波束、第二声波波束以及第二回波波束，确定搭载平台的航行速度。
上述各步骤的具体实施方式与上述多波束探测***中控制器中相应功能的具体实施方式类似，不再赘述。
上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
总之，以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并非用于限定本申请的保护范围。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述实施例阐明的***、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于***实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

Claims (9)

1.一种多波束探测***，其特征在于，设置于搭载平台上，所述***包括换能器阵、发射电路、接收电路以及控制器；
所述发射电路，用于在测深功能开启后，驱动所述换能器阵向所述搭载平台所处水域发射第一方向的第一声波波束，以及在测速功能开启后，还驱动所述换能器阵向所述水域发射第二方向的第二声波波束，所述第二方向垂直于所述第一方向；
所述接收电路，用于在所述测深功能开启后，驱动所述换能器阵接收所述第二方向的第一回波波束，以及在所述测速功能开启后，还驱动所述换能器阵接收所述第一方向的第二回波波束，所述第一回波波束为所述第一声波波束经反射后形成，所述第二回波波束为所述第二声波波束经反射后形成；
所述控制器，用于基于所述第一声波波束和所述第一回波波束，确定所述水域的水深信息，以及基于所述第一声波波束、所述第一回波波束、所述第二声波波束以及所述第二回波波束进行复相关测频处理，得到多普勒频偏，基于所述多普勒频偏，确定所述搭载平台的航行速度。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述换能器阵包括第一换能器阵和第二换能器阵；
所述第一换能器阵中的换能器呈矩形阵列排布，且所述第一方向上的换能器数量小于所述第二方向上的换能器数量；第一换能器阵用于在所述发射电路的驱动下发射所述第一声波波束，以及在所述接收电路的驱动下接收所述第二回波波束；
所述第二换能器阵中的换能器呈矩形阵列排布，且沿所述第一方向上的换能器数量大于所述第二方向上的换能器数量；所述第二换能器阵用于在所述发射电路的驱动下发射所述第二声波波束，以及在所述接收电路的驱动下接收所述第一回波波束。
3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述第一换能器阵中的换能器在所述第一方向上呈弧线阵列、且在所述第二方向上呈直线阵列；和/或，
所述第二换能器阵中的换能器在所述第一方向上呈直线阵列、且在所述第二方向上呈弧线或直线阵列。
4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述换能器阵包括呈圆形阵列排布的多个换能器；
所述发射电路，用于从所述多个换能器中开启呈第一矩形阵列排布的部分换能器，以形成第一换能器阵，并开启呈第二矩形阵列排布的部分换能器，以形成第二换能器阵，以及在所述测深功能开启后，驱动所述第一换能器阵向所述水域发射所述第一声波波束，并在所述测速功能开启后，还驱动所述第二换能器阵向所述水域发射所述第二声波波束；
所述接收电路，用于在所述测深功能开启后，驱动所述第二换能器阵接收所述第一回波波束，以及在所述测速功能开启后，还驱动所述第一换能器阵接收所述第二回波波束；
其中，所述第一换能器阵中所述第一方向上的换能器数量小于所述第二方向上的换能器数量；所述第二换能器阵中所述第一方向上的换能器数量大于所述第二方向上的换能器数量。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的***，其特征在于，所述发射电路具体用于：
将所述第一换能器阵或所述第二换能器阵作为目标换能器阵，将所述目标换能器阵中沿第一参考方向阵列的同一行换能器并联为一个阵元，得到沿第二参考方向阵列的多个阵元；
对所述多个阵元进行分组，得到至少两级子阵，其中，同一级子阵中相邻阵元的间距相等；
基于各级子阵中相邻阵元的间距和所述第一参考方向，确定各级子阵之间的第一相位延迟量；
基于所述第一相位延迟量，依次控制各级子阵进行声波波束发射，以形成所述第一参考方向的声波波束；
其中，若所述目标换能器阵为所述第一换能器阵，则所述第一参考方向为所述第一方向，所述第二参考方向为所述第二方向；若所述目标换能器阵为所述第二换能器阵，则所述第一参考方向为所述第二方向，所述第二参考方向为所述第一方向。
6.根据权利要求5所述的***，其特征在于，所述接收电路具体用于：
基于所述目标换能器阵的各级子阵中相邻阵元的间距和所述第二参考方向，确定各级子阵之间的第二相位延迟量；
基于所述第二相位延迟量，依次控制各级子阵进行回波波束接收，以形成所述第二参考方向的回波波束。
7.根据权利要求6所述的***，其特征在于，所述控制器，还用于基于预设的刷新率交替开启所述测深功能和所述测速功能；
所述接收电路具体用于：
在所述测深功能开启后，基于所述第二换能器阵的各级子阵中相邻阵元的间距和所述第二方向，确定所述第二换能器阵的各级子阵之间的第二相位延迟量，以及基于确定出的第二相位延迟量，依次控制所述第二换能器阵的各级子阵依次进行回波波束接收，以形成所述第一回波波束；
在所述测速功能开启后，基于所述第一换能器阵的各级子阵中相邻阵元的间距和所述第一方向，确定所述第一换能器阵的各级子阵之间的第二相位延迟量，以及基于确定出的第二相位延迟量，依次控制所述第一换能器阵的各级子阵依次进行回波波束接收，以形成所述第二回波波束。
8.根据权利要求6所述的***，其特征在于，所述控制器，还用于同时开启所述测深功能和所述测速功能；
所述接收电路具体用于：
基于所述第一换能器阵的各级子阵中相邻阵元的间距和所述第一方向，确定所述第一换能器阵的各级子阵之间的第二相位延迟量，以及基于确定出的第二相位延迟量，依次控制所述第一换能器阵的各级子阵依次进行回波波束接收，以形成所述第二回波波束；
驱动所述第二换能器阵中的各个子阵接收所述第一声波波束经反射后形成的所有回波波束，以及基于所述第二方向的方向信息，对接收到的回波波束进行多通道数据采集，得到所述第一回波波束。
9.一种多波速探测方法，其特征在于，包括：
在搭载平台航行于目标水域的过程中，通过换能器阵向所述目标水域发射第一方向的第一声波波束，并通过所述换能器阵接收第二方向的第一回波波束，所述第一回波波束为所述第一声波波束经反射后形成，所述第一方向垂直于所述第二方向；
通过所述换能器阵向所述目标水域发射所述第二方向的第二声波波束，并通过所述换能器阵接收所述第一方向的第二回波波束，所述第二回波波束为所述第二声波波束经反射后形成；
基于所述第一声波波束和所述第一回波波束，确定所述目标水域的水深信息；
基于所述第一声波波束、所述第一回波波束、所述第二声波波束以及所述第二回波波束，进行复相关测频处理，得到多普勒频偏；
基于所述多普勒频偏，确定所述搭载平台的航行速度。
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