（通信与信息系统专业论文）便携式浅水多波束测深系统及其模拟电路设计.pdf

窒玺篓兰堡奎耋璧圭兰堡丝耋； 摘要 多波束条带测涤仪是一种具有高测量效率、嵩测量精度、筒分辨率的海 底地形测量设备，特别适合于大面积的扫海测量作业。随着科学技术的进步 和市场霰求的变化，测深 炙弱小型化戆发器已经戏为当藏该领域翦趋势。本 文是在我国第一代多波束条带测深仪技术的基础上，对铡深仪小型化进行研 究。 本文懿主要研究任务是设计浅承多波寒条带渊滚仪系统方嶷，包括了系 统设计的前期工 乍( 相关信息的调研和熬理) ，浅水多波束条带测深仪系统的 工作原理研究，熬体方案的设计过程，系统声性能指标的计算，并对系统核 心技术避行了分孝蘑研究。实瑷了测深系绞发射分枫秘接收分掘稳其毡模拟帮 分的舆律电路。最后讨论了系统硬件设计的若干闯避，并对系统的改进提出 了一些个人的想法。 本文设计了部分硬律王 乍平台，论文中详细奔绥了应用电阻楣移网络设 计的接收分机，并对模拟波策形成作了掇高灵活性的改进。同时，使用功率 运算放大器设计了1 6 路发射分机，并对系统整体结构的设计及其各项性能进 亍了研究，针对系统一些重点部分设计了多秘方案，本文的工 乍为浅承多波 束条带溯深仪进一步的研制工作打下了基础。 关键谰：多波束测深；能量中心；波泵形成；声纳方程；接收枫；发射机 声基阵 坠玺鎏三堡奎茎璧圭耋堡鎏兰 a b s t r a c t m u l t i - b e a ms w a t hb a t h y m e t e ri sas e a f l o o rm a p p i n ge q u i p m e n tw h i c hh a s h i g he f f i c i e n c yo fm e a s u r i n g ，h i g hp r e c i s i o no fm e a s u r i n g ，h i g hr e s o l u t i o no f m e a s u r i n g i tm sf o rw i d es w e e pm a p p i n ge s p e c i a l l y w i t ht h ed e v e l o p i n go f s c i e n c e & t e c h n o l o g ya n dt h ec h a n g i n go fm a r k e td e m a n d ，t h eb a t h y r n e t e rh a s a l r e a d yb e c o m et h et r e n do ft h i s f i e l da t p r e s e n t t ot h e d e v e l o p m e n to f m i n i a t u r i z a t i o n t h ep a p e ri so nt h eb a s i so ff i r s tm u l t i - b e a ms w a t hb a t h y m e t e ro f o u rc o u n 咄e a l l yo nr e s e a r c hm i n i a t u r i z a t i o no f b a t h y m e t e r i nt h ep 印e r , t h em a i nt a s ki st h ed e s i g no fs h a l l o ww a t e rm u l t i - b e a ms w a t h b a t h y m e t e rs y s t e m i ti n c l u d e st h ep r i m a r yw o r ko fs y s t e md e s i g n ( i n q u i r ya n d n e a t e nr e l a t i v e i n f o r m a t i o n ) ，t h er e s e a r c ho fp r i n c i p i u mo fs h a l l o ww a t e r m u l t i b e a ms w a t hb a t h y m e t e rs y s t e m ，t h ed e s i g no fw h o l es y s t e m ，t h ec a l c u l a t i n g o fp e r f o r m a n c e s i n d e x e sa n dt h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho f s y s t e m sk e y t e c h n o l o g y t h ed e t a i l e da n o l o gc i r c u i t so ft r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e ro fs h a l l o w w a t e rm u l t i - b e a ms w a t hb a t h y m e t e rs y s t e mw e r er e a l i z e d a tl a s t ，p r o b l e m sa b o u t h a r d w a r ed e s i g nw e r ed i s c u s s e da n ds o m ep e r s o n a li d e a sa b o u th o wt oi m p r o v e t h i ss y s t e mw e r ep r o m o t e d i nt h i sp a p e r , p l a t f o r mo fp a r t i a lh a r d w a r ew a sd e s i g n e d ，s u br e c e i v e r c o m p o s e db yr e s i s t u n c e - p h a s e - s h i f tn e t w o r kw a si n t r o d u c e di nd e t a i l sm i dt h e f l e x i b i l i t yo f a n a l o gb e a m - f o r m i n gw a si m p r o v e d a tt h es a n l et i m e ，r e c e i v e rw i t h 1 6c h a n n e l sw a sd e s i g n e db yu s i n gp o w e ro p e r a t i o na m p l i f i e r , t h ew h o l es t m c t i i r e o fs y s t e mw a sd e s i g n e da n de v e r yp e r f o r m a n c ew a ss t u d i e d s e v e r a ls c h e m e s w e r ep r o m o t e da c c o r d i n gt os y s t e m 8k e y p a r t s t h ep a p e rh a sl a i dt h ef o u n d a t i o n f o rt h ef l l r t h e rd e v e l o p m e n to f s h e l l o wm u l t i - b e a ms w a t h b a t h y m e t e ri n j o b k e y w o r d s ：m u l t i b e a mb a t h y m e t e r ； e n e r g yc e n t r e ；b e a m - f o r m i n g ； s o n a r e q u a t i o n ；r e c e i v e r ；t r a n s m i t t e r ；a c o u s t i ca r r a y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：年月日 窒垒鎏兰堡奎兰堡塞耋堡篁耋 1 1 课题背景 第1 章绪论 在我铜这个蕊簸篷爨星球一妻，海洋装潇蕃广漏的空阀露巨大瓣资漂，对 于人类的生存和发糯至关重要。特别是在当今世界经济、科技高速发展，陆 地资源减少，人口增加、环境恶化的情况下，世人对海洋的关注达到了前所 赤有瓣舞度。占逮球嚣获7 1 戆海洋，生铙资源总量褰遮4 0 0 6 0 0 亿睫，生 物物种选1 8 万种之多，是陆地物种的3 倍。海洋的意义当然不只与此： 海洋经济是我阁国民经济的重要组成部分。在科学研究方面，科学技术 是国家参与虽强竞夸辘力的重要标志，迫楚海洋秀发豹基礁弱动力。海洋是 科技运用的重要领域。利用海洋高新技术对天然气水含物、深海矿物、生物 资源、深海生物基因等新型海洋资源的开发研究，是目前海洋科学研究的热 点。海洋赫搽获取粒瓷辩无疑瞧可用于军事镶域，事关垂家海洋潮安全。 在某种意义上说，海洋竞争，包括维护海洋权益的竞争，就是海洋高新科学 技术的竞争。 111 人类对海洋的勘测舄开发 人类用科学方法进行海洋科学考察邑有1 0 0 余年的历史，而大规模、系 统迪辩懿界海洋遵行考察期筏宥3 0 年左右。现代海洋探溅着重予海洋资源静 应用和开发，探测石油资源的储量、分布和利用前景，监测海洋环境的变化 过程及獒规律。海洋地质调查期技术手段主要有：利用人造卫星静航和全球 定位系缝( g p s ) ，璐及无线电静虢系统来确定谪查貉或麓涮点在海二酶位置； 利用回声测深仪，多波束回声测深仪测量水深和探测海底地形地貌等。 多种海洋勘测手段当中，海洋科学调焱船担负着调蠢海洋、研究海洋魄 责任，怒稳翊帮开发海洋资源静先锋。据统计，7 0 年代初全毽葬憨共有科学 考察船8 0 0 多艘，1 0 年后就猛增到1 6 0 0 艘，大型海洋调查船可对全球海洋 进行综合调查，它的稳性和适航性能好，能够经受住大风大浪的袭击。船上 垦玺鎏三堡奎兰鎏：i 茎堡篁圣 先进的瓤电设蔷、导靛设备、通讯系统等，能够长对闻坚持在海上避行调查 研究，以适应各种海洋调查作业的需要。 1 + 2 枣鍪往浅承多波寨系统漂毯错窕懿意义 1 1 2 1 在海洋作业方面的意义 海底地形测鬣是海上交通运输、航道硫浚、海底电缆铺设和海底施工等 海洋工程所必须的作业步骤。根据大陆槊界线委员会制定的技术指南，按自 然延馋器女l 提出大隧絮要求，必颓拄至大陵透缘，镪攥大睦坡坡麓转摄点、 大陆坡坡底区域、2 5 0 0 米等深线、1 沉积岩厚度等，至少需要5 种证据：单 波束回声测深数据、多波束回声测深数据、测深侧扫声纳测量数据、相干侧 扫声续测量数据差辩地震反冀重缛囊鲮溅深数摆。年代，中国麸謦辫g ；进了8 套多波柬测深系统，运用于最新的海洋勘测，对争议隰进行了地质地球物理 调查，获取了划界谈判必不可少的资料。然而，中国目前的勘查工作还不能 完全满足其管辖海域海洋资澈开发积孛谚癸大睦架弱簧隶。 1 1 2 2 在在民用方面的意义 畿毽不翟有广滔豹海洋鞭主，内陆麓大小濒泊、海流圈撵蹩我国静宝爨 水利资源。水位的提供是水深测量的必要组成部分，目前中国海枣局管辖的 固定水文站有1 0 余座。利用自行研制的水位自动测报系统，实现水位站水文 资辩懿螽动证采集，为港霜靛遴溅量提供及露、准确麓隶位资辩。我国静三 峡工程明渠截流任务中也投入使用了s e a b a t9 0 0 1 s 多波束测深及前视声纳系 统，取得了良好的效果。 弱藩我蓬开发宠藏了并叠已经装备镬霜薛多渡豢渊深系统，聚套完善了 多波束测深系统的厢处理系统，可完成1 ：1 0 万1 ：l o o 万任意比例尺的简 精度海底地形地貌图和三维立体图的技术熊力。主要应用有：冲绳海槽地形 建虢鞠建矮秘造熬新认识，获褥了东海大陆絮涛蠹黥忿缝基瘾爱瓣嚣豫等。 由此可见我国多波束系统应用多为海洋地质地貌方面，一般是通过开发专用 设备来解决单一领域内的需求。但是这种专用多波束测深仪的高性能并不适 哈尔滨工程大学硕士学位论文 合广大中小用户。 综上所述，目前的水下勘查技术主要有高精度水底探测技术和水底浅地 层剖面探测技术。但设备使用显然不如西方发达国家普及，我国内陆大小湖 泊、河流使用高精度探测设备的非常少。国内应用领域狭窄，究其根源，设 备成本昂贵、设备体积过大、安装使用操作复杂、精度不高，是其中的主要 因素。因此开发一套拥有自主知识产权的小型化的商业实用型多波束测深系 统，对于提高我国水域的勘测和开发能力有着重要的现实意义。 1 2 多波束测深技术的发展 6 0 年代水深测量的主要方式是水陀。7 0 年代后期主要是以测深仪为主， 第一台单波束回波测深仪，使得人们可以用现代测量技术去探测海洋。单波 束回波测深仪( 见图1 1 ) 利用换能器向水下发射一个声波束并接收海底的 回波信号，若海水中的声速已知，则通过测量声信号在海水中的传播时间可 以计算出水深。单波束回波测深仪采用前沿检测技术，只能测量出垂直深度 ( 通常对应信号前沿) ，不能对其他位置的深度进行检测，而且它的波束宽， 一般为8 0 3 0 0 左右，因此地形分辨率差，在复杂地形海区工作会产生较大的 测量误差。 图1 1 单波束回波测深原理 8 0 年代中期引进了四波束测深仪。四波束测深仪在港口泊位测量中发挥 了极大的功效，在障碍物探测和浅点扫测方面为海事系统立下了汗马功劳。 日产p s 一6 0 0 四波束测深仪是此类测深仪的典型产品，如图i 2 。 ；些垒鎏蠹堡垒兰堡圭耋釜鎏耋； 圈l 。2 霆渡燕溯漾议 进入9 0 年代以来，计算机技术的普及要求测深仪的使用不再局限于模 拟水深，同时要求实现数字化水深测量，完成与计算机的联机功能，从而实 褒求涤溅藿叁动纯，健整个测熬过程大工予预戆情强越米越少，提蓬工作效 率和水深测量精度。多波束测深仪的出现极大地减轻了测量人员的工作量， 并极大地提高了测量的精度和完整性。一般永久安装在专业调查船上，可分 为浅东、中添承帮涤东型。多波慕海底遣形、撼貌爨鬃技术弱诞生是当代海 洋测深技术史上的一次革命性飞跃，它突破了海洋传统测深理论的框架，将 世界海洋技术的发展推上了新的高度t “。 1 2 1 多波束条带测深原瑗介绍 多波寐测深系统工作原理羽单波束测深一样，是利用超声波原理进行工 乍的。不阉躲是多波束钡l 深系统信号接收部分毒n 个或定受度分布匏耱互 独立的换能器完成，每次能采熊到n 个水深点信息，遄过发射和接收声波信 号，由声波在水体中的传播时间与声速的乘积即可计算出水深。多波束探头 由发射探头稀接较换能器缀成，它之所敬被褥为多滚采，是困尧育多达蔻十 个相互独立的接收换能器，一次声波发射，可出多个接收探头采集同样多的 永深点信号，接收僚号由计算机记录。这几十个接收换能器呈一定夹角的扇 面分布。这样，它对东下选形壤4 譬是驭一释全覆盖懿方式进行，因馥，它与 常规单波束比较，嶷有测深点多、测量迅逋快捷、全覆盖等优点。正是由于 这些优点，它能完成常规方法赡以琏任的测量任务，特别是对大比例尺的测 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 绘和特殊要求的水道地形测量，如堤防安全监测、险工险段监测、抛石护岸 监测、港口及疏滩工程测量、工程监理监测等。 早期多波束条带测深仪的声基阵由两个米尔斯交叉阵( m i l l sc r o s s ) 组 成“v ”形阵，发射基阵将声信号辐射到海底一个条带形状的区域，接收基阵 接收到条带区域的反向散射信号后，经过空间滤波形成多个波束，可以将不 同位置的深度分离出来，所以一次扫测能够获得多个深度数据1 2 1 。 图1 3 多波束条带测深原理 如果只能简单地获取水深的数值是不能称为水下眼睛的，现代的多波束 测深仪不仅仅是一个简单的声发射和接收装置，它是现代高科技的集合体。 测深仪一方面配备了g p s 端口，能即时获取全球卫星定位数据，使测量数据 的精度大大提高，它还能将获取水深的数据进行处理，应用计算机图像还原 技术，得到实时的水底地形三维图像，从而让测量人员能清楚地观察到大范 围的水下地貌，如同用眼睛看到的样。g p s 全球定位系统在多波束测深系 统中的应用，使得多波束测深系统不仅在海洋、河湖测绘中的作用曰益广泛。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 目前多波束测深系统不仅实现了测深数据自动化和实时自动绘制出测区水下 彩色等深图，而且还可利用多波束声信号进行侧扫成像，提供直观的水下地 貌特征。 1 2 2 多波束测深技术的发展 1 221 多波束测深技术的历史 多波束测深系统是一种多传感器的复杂组合测量系统，1 9 5 6 年夏季，在 美国的w o o d sh o l e 海洋学院召开的一次学术研讨会上首次大胆地提出了多波 束测深的构想，立即在科学家中产生了反响，并引起了军方的注意。1 9 6 0 年 美国海军研究局( o n r ) 开始制定这一构想的实施计划，至1 9 6 4 年美国通用仪 器公司( 6 i c ) 率先推出世界上第一代多波束条带测深产品s a s s 系统( s o n a r a r r a ys o u n ds y s t e m ) ，但产品最初主要是用于军事领域。 8 0 年代多波束条带测深技术进入了成熟期，这一时期分离波束相位差的 高精度估计方法和位偏离( b d i ) 处理的边缘波束处理等技术的问世，使得测 深技术取得了突破，利用多波束技术进行大面积扫海成为了可能。 同时，另一趋势是实现多波束测深与侧扫声纳的功能合一。侧扫声纳能 够将海底回波的强度信息转换为侧扫图像数据，从而获得海底的地貌图。在 较长的一段时间内多波束条带测深仪和侧扫声纳是作为两类不同的声纳设备 并行发展的。现代多波束条带测深仪的采样数据量已经达到了侧扫声纳的水 平，通过检测接收信号的强度信息同样可以获得侧扫图像数据，从而出现了 两者合一的系统。 2 0 多年来，随着高性能计算机技术、高精度定位技术和数字化传感器以 及其他相关高新技术的迅速发展，多波束测深系统也得到了迅速发展。从9 0 年代商业实用型多波束测深系统的问世，该系统向着小型化、多功能、高精 度、高集成、综合化和标准化发展。 我国多波束测深设备的研制开始于1 9 9 1 年，1 9 9 3 年由哈尔滨工程大学和 天津海洋测绘研究所等单位联合开展研究，于1 9 9 3 年研制完成h h c s0 1 7 型 条带测深仪工程试验样机，于1 9 9 8 年生产出正式产品并通过技术鉴定。工作 哈尔滨工程大学硕：b 学位论文 深度为1 0 1 0 0 0 米，有4 8 个溯深波束，最大测量覆箍宽度为4 倍水深，工 作航速不大于1 2 节，是我国自主开发的第一套实用型产品。产品已_ 经装备巢 耨型海洋测量船，劳在实际健殿中取褥良好效果。e t l c s 一0 1 7 黧条带溅深仪 的研制成功填补了瀚家空自，往我国跻身髓羿其有独立开发与研制能力的先 进国家之列。 1 ，2 2 。2 多波束系统发展震望 开发以多波束系统全覆盏高精度探测技术为重点，形成海底地形地貌控 测投术、恻扫撬豫技术、毫精度导靛定绶技零、裹分瓣率建震撵溅援术、双 船折射广角反射地震技术、三维地震层栅成像技术、海洋动态大地测量基准 技术以及图形技术、模式识别技术、自动成图技术、人工智能解释等技术集 成的系列产鑫，黪楚未来多波窳系统戆鼙糠。 此外，虽然多波束条带测深仪的技术性能远高于蚺波束回声测深仪，但 几十年来，销售量始终非常有限。单波束网声测深仪尽管是功能单一的老产 鑫，每年戆镑售量_ 帮校大，这怒禹舞多渡寨条带测深技懿毫牲糍劳不适合广 大中小用户，而且体积庞大、系统复杂、价格昂贵等，这些都限制了它们的 推广使用。中小用户需要的是性能适中、价格低廉、使用方便的设备，这当 然也是多波袁条磐竣深援术今嚣的发展方彝w 。 12 3 国内外相荚成果与产品调查 萄筒世界上已祷美国、漠大剥亚、茭瀚、俄罗辫、法国、德翮、日本鞠 韩国等8 0 多艘船装备了先进的雾波束测深声纳系统，其中应用最广最好的美 国，自1 9 8 4 年以来，已有水渫超过1 5 0 m 的3 6 万多平方公里的专瘸经济区测绘 过，冀夕 在该国静海军和防卫系统里也褥到了广泛的艨霜。 多波束条带测深仪是一项军民两用产品，目前，世界上生产和销售多波 束条带测深仪产品的厂商有几十家，先嚣撼出的产品商上百个型号。7 0 年代 中期，荧蘑通角仪器公司率先维出了s e a b e a m 多波束铡深声纳系统，之后各国 又相继推出了多种产品，多波荣测深技术发展到今天，世界上可以自主开发其 产品的隔家仍然为数不多，而自够有实力生产商业实用型多波束测深系统鲍 哈尔滨工程大学硕士学位论文 大型企业更是寥寥无几，这里对世界著名的一些相关公司做了调查，并对其 主打产品作了技术指标上的分析和对比。 1 2 31 相关成果与产品调查内容介绍 1 美国s i g n a lr e c o v e r y 公司前身是美国e g & g 公司。是世界著名的微弱信 号检测、处理相关产品制造商，现隶属于美国a t d e t e k 集团公司。上海海洋地 质调查局曾从该公司引进浅地层剖面仪。 2 美国o r e 公司，主要开发声学收发装置，长基线定位系统，以及声学勘 测系统。3 7 多年来的客户有：美国国家海洋与大气管理局，美国海军海洋办 公室，美国海军研究实验室，美国w h o i 海洋研究所，美国加州大学的s c r i p p s 海洋研究所等。我国曾从该公司引进一套浅地层剖面仪和1 5 0 0 s 旁侧声纳扫描 仪，改善了海洋工程地质调查的仪器设备，调查精度和质量达到了国际水平。 3 美国s i m r a d 公司，公司成立至今已有5 0 年历史，是世界公认最大的鱼 类探测产品制造商，主要从事声纳，回声测深仪和回波检测设备的开发。8 0 年代，美国s i m r a d 公司就成功地应用分离波束相位差的高精度估计这一 技术，开发出e m 2 0 0 0 多波束条带测深系统其测量覆盖宽度达到水深的7 5 倍。 4 美国s e ab e a m 公司( 现被德国l 一3c o m 公司收购) 8 0 年代，美国s e a b e a m 公司开发出方位偏离( b d i ) 处理的边缘波束处理技术，使s e a b e a m1 1 8 5 等产 品的测量覆盖宽度达到水深的8 倍，取得良好的效果。我国曾引进2 套s e ab e a m 2 1 1 2 深水多波束系统，并分别安装在“大洋一号”和“海洋4 号”科学调查船 上用于国际海底区域资源调查m 】。 表1 1s e a b e a m 系列各型号对比 s y s t e mf r e q u e n c y b e a m sf a n w i d t h m a x d e p t h 1 1 8 51 8 0k h z 1 2 61 5 3 o 3 0 0m 1 1 8 01 8 0k h z 1 2 61 5 3 。6 0 0m 1 0 5 55 0k h z1 2 6 1 5 3 。1 5 0 0m 1 0 5 05 0k h z1 2 8 1 5 3 。3 0 0 0m 1 0 5 0 d 1 8 0 5 0k h z 1 2 61 5 3 。 1 5 0 0m 1 0 5 0 d1 8 0 5 0k l l z 1 2 61 5 3 。3 0 0 0 口 2 1 2 02 0k h z 1 5 l1 5 0 。8 0 0 0m 3 0 1 2 1 2l d z2 0 51 5 0 。1 10 0 0m 哈尔滨1 程大学硕士学位论文 5 丹麦r e s o n 公司，r e s 0 na s 是r e s o n 团体的控股公司。公司总部设在 丹麦，r e s o n 子公司设置在美国，英国，德国，荷兰，意大利，南非和新加坡。 该公司是世界领先的声纳探测仪器制造企业，在全球水声产品市场中占有相 当大的比重。其开发的海底探测仪器以高质量和高精度闻名。世界最大的豪 华游轮“伊丽莎白女王2 号”等豪华游轮均安装由该公司的水下探测设备。其 开发的s e a b a t 8 1 2 5 多波束测深系统，也是当前世界顶级水准的测深设备之一， 是一套具有高精度、高可靠性、全覆盖特点的水下地形测量系统。目前国内 仅有水利部长江水利委员会和江西省水利厅拥有这种设备。该系统的引进为 我国江河湖库治理工作增添了水下“电子眼”。大连“5 7 ”空难黑匣子的成 功搜获就有这种“电子眼”的功劳。 表1 2s e a b a t 系列各型号对比 f r e q u e n c yd e p t h t r a n s d u c e r s w a t h m o d a l ( k n z )r a n g e 如)d e p t h 抽)c o v e r a g e s e a b a t7 1 2 52 0 0o r4 0 02 0 0 t 0 6 0 04 0 0 t o6 0 0 01 3 0 。 s e a b a t7 1 5 01 2o r2 42 0 0 t 0 1 5 0 0 0s u r f a c e 1 5 0 4 s e a b a t8 1 0 12 4 03 0 0 1 2 0 ：1 5 0 0 ：3 0 0 0 74 x s e a b a t8 1 1 11 0 06 0 01 0 01 5 0 4 s e a l i a t8 1 2 42 0 04 0 01 0 03 5 x s e a b a t8 1 2 5 4 5 51 2 0 0 0 0 a n d1 5 0 0 35 x s e a b a t8 1 5 01 2 o r2 4 1 2 0 0 01 0 05 x s e a l a t8 1 6 05 03 0 0 01 0 04 x s e a b a t9 0 0 14 5 51 4 03 5 0 & 5 0 0 2 xt o4 x 6 英国s e a 公司是世界项级的声学设备制造商之一，其s w a t h p l u s 多波束 测深仪是一款精度良好、成本低廉、安装方便的高性能设备。 表1 3 $ w h t h p l u s 系列产品主要技术指标 s ? a t h p l u s ls w a t i l p l u s - ms w a t h l l u s - t i 最大条带宽度 6 0 0 m3 0 0 m1 5 0 m 声纳频率 1 1 7 k h z2 3 4k h z4 6 8 k h z 最大作业水深 2 0 0 米】0 0 米5 0 米 带束深度比 1 5 ：0 11 5 ：0 11 5 ：0 1 横向分辨率 1 5 厘米7 5 厘米3 0 厘米 波束宽度 17 01 1 0o 8 0 测深精度 1 或0 3 m1 或0 1 m1 或0 1 m 应用沙洲和暗礁测量海岸、港口小船或r o v a u v 换能器大小 2 3 5 5 5 0 x l o o m m 。1 6 0 3 5 0 6 0 m m 48 0 2 5 0 5 0 m m 。 换能器重量1 3 k g 1 o k g6 k g o 9 k g2 5 k g o3 k g 7 英国s u b m e t r t x 公司，其发展历史可追溯n 1 9 8 3 年。当时英国的b a t h 大 哈尔滨工程大学硕士学位论文 学正在研究用于海底测量的相干声呐。这项研究显示出了该项技术的先进性 和实用性。他| f j 9 8 7 年成功地开发出世界上第一套商用产品，并将仪器售给了 荷兰皇家海军。然而，由于商业应用需求的迅速发展，研究小组在1 9 9 1 年成立 了一个新的公司s u b m e t r i x ，并组织强大的技术力量开始了相干声呐的专业 化、商业化研究开发和生产。随着计算机技术的不断发展，相干声呐的软、 硬件功能得到了不断完善，它已成为新代高效率水底地貌探测设备的主要 代表和发展方向，例如该公司的i s i s 与2 0 0 0 系列。 8 英国g e o a c o u s t i c s 公司，主要产品有声纳系统，条带测深系统，导航 系统，以及部分组合系统等，近日英国g e o a c o u s t i c s 公司和青岛海洋研究 设备服务公司的专业技术人员与长江委三峡水文局的技术人员共同在三峡库 区对g e o s w a t h 多波束条带测深系统和k n u d s e n 3 2 0 m 双频测深仪系统进行了现 场测试和技术交流。这是国外多波束测深仪器设备经销商首次在三峡地区实 地测试，推销产品。例如g e o s w a t hp l u s 是g e o a c o u s t i c s 公司集多年在水 下声纳技术的研发成就和当今最新的换能器技术、数字信号处理( d s p ) 技术 为浅水高分辨水下地形测量开发的基于p c 的、轻便型多波束条带测量系统： 系统提供三种不同频率选择 $ 为中国用户提供全中文操作菜单，操作简易 满足i h o s p 4 4 ( 4 t he d i t i o n 文测量规范；横向分辨率1 2 厘米。 测深数据和旁扫声纳数据同步采集、显示、处理 满足小船快速安装、测量的要求( 2 - 3 米长) 及r o v a u v 等 $ 更大的有效测量覆盖：覆盖宽度为水深1 0 一1 2 倍 数采和数据处理一体化设计，可单机完成 w i n d o w s x p 操作平台 $ 具有并行数据处理功能，数据处理时间比常规系统快6 8 倍 系统设计完备，包括各种集成传感器，综合性价比，维护成本低 9 日产p s 系列，p s 6 0 0 四波束测深仪是我国早期引进的日产产品，其相 关系列还有：p s i o 、p s n 、p s 一2 0 等，其中p s i o e 测深仪精度为0 5 。 1 0 德国a t l a s 公司，a t l a s 公司在8 0 年代的多波束条带测深系统 h y d r o s w e e pd s 一2 产品中首先应用交叉发射扇面技术，系统的发射扇面在测 量船行进过程中每隔一段时间会自动旋转9 0 。，能够提高反射系数的解算精 哙零滨_ = | = = 程大学鞣士学整论文 度，扶嚣挺裹疯溪分类款准确麓。该公司戆产品f a n s w e e p 2 0 ，是嵇揠于糍 位测鲢系统，具有很高的测最精度，测量覆盖宽度达到水深的1 2 倍，一次扫 溅麓够获褥1 4 4 0 个深麓数据和4 0 9 6 个榭扫惹象鼗播，是一种高效率、高精度 兹海底遮形追貔掇测强统，还煮菸h y d r o s w e e p 系歹产熬，熬代袭了当蓠多波 束侧捆测深声纳的先进水平。我豳曾引进的a t l a s 生产的d e s o - - 2 0 测深仪的测 量范豳可达隶深1 5 0 0 米，藉发为0 1 2 l 。5 蓬米。 h 。芬兰h o ll i n i n g 公司翦g c h o s 系列簿多释产品。俄鬃互俘滚发努力浅海、 中海和深海3 大系列，测深波束多达1 0 0 个乃至上千个，测量覆盏宽度达到水 深豹8 i 5 倍，嚣菇瞧靛稳定，技术盛熟。 1 2 秘拿大s i m r a d 公司，该公霹是一豢从事拳下技术彝设餐麓鼹鳇公司， 公司总部设在海洋技术中心，公词开发生产s m 2 0 0 0 多波束测深系统波束宽度 i 5 。2 。5 8 ；二手睾= 凝率2 0 0 k h z ；测潦范潮a5 0 寒；最大驻；孛发射攀 2 0 h zl 竣大扫攒宽瘦8 0 0 拳：最蔫分辨率2 露米；深藏精度s 糖覆箍时替会 ( 0 1 m 土0 ，2 水深) 。 3 。挪畿k o n g s b e r gs i m r a d 公司，k o n g s b e r gg r u p p e n ( k o n g s b e r g ) 主癸 开发辍生产与海洋鞘关鳃毫予系绞积军耀海上薅卫系统，其主要枣甥是美国、 欧洲、中东和远东，碍前世界上有近3 0 个阚家的政府和私人机构在使用该公 蔼静设豁。其产晶圭囊是尖端辩技，获靛室领蠛到海藏探涮都霄涉足，其中 海底溅澡霹达1 1 0 0 0 ) 器隶深。公甏的多波交渊深爨装廷分为三令摹列，分羽为 单一，双震和三倍频率”】。 表1 4 蕊系捌产箍主舞技术攒稼 m o d e l f r e q u e n c ym i n m a xd e p t h sm a x s w a t hw i d t hr u m b e r o fb e a m s ( k h z ) e m3 0 0 2 d3 0 005 1 5 0m1 0 x d 2 5 01 i l5 0 8 删3 0 0 2 3 0 00 5 1 5 0m4 x n 2 0 0r a2 5 4 e m3 0 s 3 0 00 5 l 鞠m4 x d 2 0 0mi 2 7 列3 0 0 0 d 3 0 00 5 1 1 ml o x 到2 5 0m2 5 4 e m2 0 0 0 - 1 2 02 0 01 2 5 0m3 。6 x 0 3 0 0i 1 1 l e m2 0 0 0 - 1 5 02 0 0 1 2 5 0i i i 7 5 x 0 3 0 0m1 l l 礴7 l o r d7 争i 0 03 6 0 0m5 5 癌l 0m 2 0 0 e 矾7 l o s7 ( 卜1 0 03 1 0 0 01 15 5 x 0 1 2 0 0m 2 0 0 峭0 0 磷7 1 07 0 - 1 0 03 2 0 0 0m 5 ，5 x d l 2 0 0m2 0 0 0 肌3 0 0 3 0 3 0 d b 9 工作周期0 5 ，1 0 ，不定时( s ) 2 23 1 系统工作频率的选择 工作频率的选择是根据介质的传播条件、环境、目标特性及指向性要求 等因素来综合确定的。当工作频率提高时，由介质吸收造成的信号衰减增大， 使得作用距离降低。然而工作于高频的声呐，其基阵易于实现窄指向性，抑 制噪声的能力增强。此外，高频环境噪声降低，有利于增加声呐的作用距离。 因此，声呐的工作频率选择与许多因素密切有关，不同的目的会有不同的工 作频率选择标准。通常，声呐的作用距离是设计者主要关心的指标，如何最 大限度地增加声呐的作用距离就成为工作频率选择的主要标准。围绕这一标 准，人们一般从以下两个途径进行选择 6 】。 1 经验公式法 人们根据长期的实验及理论研究得到一个主动声呐最佳工作频率选择的 经验公式为 厶= f 竽1 1 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 其中，最佳工作频率的单位为k h z ，最大作用距离的单位为k m 。当各 种声呐参数均未知时，可采用此式进行最佳工作频率的粗略估算。 2 声呐方程计算法 与声呐的工作频率有关而又影响作用距离的因素主要有三个：介质吸收、 环境噪声及声呐基阵的指向性。均衡各种因素，在确保作用距离的前提下， 工作频率存在个最佳值。在确定声呐方程中其它参数后，便可以从f - r 曲 线中确定最佳工作频率。 22 32 信号脉宽的选择 信号脉冲宽度对工作深度有重要的影响。脉冲宽度愈长，反向散射信号 的能量愈强，提高信噪比，有利于信号检测。信号的带宽也不可能任意的大。 这是因为b 的增大有可能破坏窄带条件( b i f o 5 0 信号脉宽( m s ) 0 1 50 310 2 23 3 指向性设计 1 关于指向性因素且。、方向特性函数d ( a ，口) 和指向性指数d i t 7 l 指向性因素r 。( 轴向聚集系数儿) 是指在远离发射阵的声场中，在某一 固定距离和最大响应方向上的声强度，。与同距离处取各方向声强的平均值 声强j ( 或声压有效值平方的平均值) 的比值，它表示为： 詹。= 二罢兰( 2 一z ) 指向性因素r 。是描述发射阵的声能量集中程度的一个物理量。它与方向 特莲蓬数四睡，乎) 之闯篷关系为： 2 f 盂赢丽 心门 指向性指数戮豹秘瑾意义为在有据向性发射器的远场中，冀主渡轴上菜 点的声级l o l o g i 。与同声功率下的无指向性发射器在同一点所产生的声级 l o l o g 五之差，即 d i = l o l o g ，。一l o l o g l o 2 ) 指向性指数与指向性因素的关系为：d i = 1 0 1 9 r 。 2 声基痒攒囱性 声蕊阵指向性设计包括波束宽度设计每栅瓣位置设计。阵元等间隔的赢 线阵波策图可以由公式( 2 5 ) 描述。 叫= 隧鬻搿| 回 式中 拶：信号羁透方囱 ：波束控制角 d ；阵元间隔 f ：工作频率 m ：阵元数 e：声速 它怒一个瘸袭蕊数，主瓣的位置出现在y ：甄赴。警曼( s 氇一s i “甄) 翡 值为整数倍f 时，亦即 l s i n s i n g t 。l = m 号， m = 0 , 1 ，乏。t ( 2 6 ) 主瓣重复出现，它就是栅瓣。式中五：三为信号的波长，可推导出栅瓣 1 卜由n 。( s m g r o + m - - a 1 s i n q , - s i n * o 0 ( 27 ) i 妒= s ；n ( s i nq o - m 言) ，s ；n 一s m y 。c 。 璞论分孝厅毒妥羹，魏巢d 2 1 0 d b ( r e f1u p a ) 。 4 。搂渡灵敏度( 霓塑2 1 1 接援灵敏度频率响应) 堕垒鎏兰矍查耋至圭耋耋窒兰 聋2 1 1 阵元接收灵镦度频率响应 5 线列阵的阵增益计算 # 媛 嘭：，i 磐吲十逝离、种船自 oo0 o99o 。 3 呻；d 卜 图2 1 2 窄带无时延线列阵 ( 21 4 ) 从( 2 1 4 1 式可以看出，对于窄带无时延线列阵的阵增益簸基元个数n 及 d 2 的比值变化。可以发现d 腿大于0 5 时，a g 靛趋予恒定值。 川一 _ 、 、 ? ；。；氅玺鋈：! 誓奎兰至圭耋些兰耋 2 2 4 系统声性能分析 224 1 声纳方程 本系统使用收发共用声基阵，系统发射与接收信号都在同一位置。若发 射信号的声强为t ，则由图2 1 3 可知，接收到的海底回波声强为 h 图2 1 3 海底反向散射与接收点几何关系示意图 扣半幽删n 等- 丽1 p s 一丁t 0 - 4 t p r 式中 n ：波束水平力向开危 d ：掠射角 f ：脉冲宽度 c ：声速 筘；吸收系数 口：散射系数 经整理 扣_ 伍2 时僻y 陋争击s m 2 一) ( 2 一1 5 ) ( 2 16 ) 斌( 2 一】6 ) 等号右边第3 项为满足能量相加条件的海底散射面积，记为 得 = ( r f 2 - 2 忑1 ) ( 2 - 1 7 ) 塑垒鋈三垄垒耋釜耋耋堡! i 耋 ，= + 伍2 1 0 。1 “) 2 - 爿谢n 2 ) ( 2 - 1 8 ) 式( 2 1 8 ) 两边酴以i r 。，后取l o l o g ，求得接收点的回声级 e l = 融一2 儿+ 1 0 1 0 9 a + 文 式中 艇：发射信号声源级 觋：传播损失 冀：单位面积海底反岛散射强度( 米2 ) 假若系统的检测阈为d t ，环境蝶声级为a z ，应满足 e ln l d t 将式( 2 - 1 9 ) 代入式( 2 - 2 0 ) ，可得声纳方程如下； 凰一2 t l + 1 0 l o g a + s b n l = d t 或 s l = 2 t l 一1 0 l o g a s b n l + d t 式( 2 2 2 ) 是设计多波柬条带测深仪的理论依搬。 224 2 声性熊预测 ( 2 - 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) ( 2 - 2 】) ( 2 - 2 2 ) 1 传播损失观 根据尤立克水声原理中t h o r p 给出的口搜收系数的表达式h 嘞= 等+ 虿嚣酝+ 2 7 5 x 1 0 - 4 厂+ o 0 0 3 ( 2 _ 2 3 ) 由于吸收系数随深度变化深度每增加i 0 0 0 英尺，声吸收减小约2 。 上述公式是在3 0 0 0 英尺渊得的，丽本方案设计的测深范围为1 4 15 0 米，因此， 吸收系数口约为；岱= 1 0 6 a a 。浅海海水中的声吸收口，根据f i s h e rs i m f i o n s 的公式，当频率为1 8 0 k h z 时，口的值为5 哇8 d b 千米。 存浅海中声传播损失依赖予海面、海水介质和海底的许多物理参数。由 嘧客滨王挥太学鞭圭学位论文 予声场显攀遮藏簸这撩参数，戮露在遮蹙参数不莓了瓣麴谤凝下( 戈冀是海 底的声速和密度结构) ，只能近似地估计浅海传播损失。参考尤立克水声原 理，给毽了如下经验公式： t l = 2 0 l o g r + 6 0 ( 2 - 2 4 ) 因此，浅海的双程传播损失为： 2 t l ：4 0 l o g r + 2 嘏+ 1 2 0 2 2 5 ) 2 。噪声缀n l 计算公式： n l = 甄+ 1 0 1 0 9 b w 霹+ 甄 ( 2 _ 2 式中 n l ：频谱级噪声 b w ：接毅杌带宽 n l o ：醚热噪声缀 删。：接收指向性指数，计黧公式如下； d i , = 1 0 l o 等) 。， 式中 4 ：阵元总面积 置：渡长 删，实际上就是阵增益。接收机采用h a m i n g 巍加权时，辨增靛将相应 减小。率系统仅在波柬的垂巍方向加权，可以只考虑加权活空间增蕊的变化， 萁增箍损耗可醴由倍礤浇定义式( 2 2 回出发捺导。 s n r ：2 0 1 0 i 曼l (