[发明专利]一种水下多波束测探系统及其探测方法

说明书

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系统和方法。

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，如果要求系统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，末端微机系统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，提高了测距系统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系统(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，增加了系统的成本。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。