專利名稱：一種多波束剖面聲納信號處理裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種采用高速DSP (數(shù)字信號處理器)的多波束剖面聲納信號 處理裝置。
技術背景近年來隨著聲納技術的發(fā)展，對于聲納信號處理系統(tǒng)的大容量實時信號處理 能力也提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)的主動聲納信號處理系統(tǒng)大多采用專用的硬件 結構來完成特定的數(shù)據(jù)處理任務，換能器后端直接接入數(shù)據(jù)轉換采集，數(shù)據(jù)經(jīng)模數(shù) 轉換后進入數(shù)字信號處理器處理。此類系統(tǒng)只能針對固定的換能器，并有固定的處 理速度， 一旦換能器變化或者處理速度要求更高，系統(tǒng)就無能為力了。傳統(tǒng)的剖面 聲納多為單波束、低頻、大功率淺地層剖面聲納，該類聲納主要特點是頻率比較低， 能夠剖析到較深的地層，但是對近距離高分辨率的目標分辨能力比較差。剖面聲納 系統(tǒng)的分辨率直接與聲納信號的帶寬有關，結合具體的石油管線探測需求設計并實 現(xiàn)一種多波束，發(fā)射信號頻率在35KHz-65KHz，帶寬為30KHz的高精度剖面聲納是 一重要的研究課題。 發(fā)明內容針對上述問題，本實用新型的目的是提供一種可以方便地由水下遙控機器人等 水下載體攜帶，能以較高的分辨率探察出海底石油管線的方位的多波束剖面聲納信號處理裝置。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取以下技術方案 一種多波束剖面聲納信號處 理裝置，其特征在于它包括水上主機，設置在水下機器人上的發(fā)射及控制DSP部分，發(fā)射信號調理部分、功率放大器、發(fā)射換能器、接收換能器、模擬信號采集 傳輸部分、數(shù)據(jù)接收端口和DSP并行信號處理部分；所述發(fā)射及控制DSP部分通過 纜線與所述水上主機串口連接，實時接收所述水上主機的命令，完成發(fā)射脈沖波形的產(chǎn)生，及實時功率控制和發(fā)射控制；所述發(fā)射信號調理部分將發(fā)射及控制DSP部分產(chǎn)生的模擬信號進行放大、濾波，經(jīng)過隔離放大器電路隔離的輸出端，發(fā)送給所述功率放大器放大，所述發(fā)射換能器將信號進行電、機轉換后，向水下發(fā)射；所述接收換能器接收回波，并進行機、電轉換后，通過所述模擬信號采集傳輸部分轉換成數(shù)字信號，經(jīng)由水密封電纜傳輸?shù)剿鰯?shù)據(jù)接收端口，再經(jīng)所述DSP并行信號 處理部分進行數(shù)字信號處理后，通過纜線傳輸給水上主機顯示存儲。 所述發(fā)射及控制DSP部分、發(fā)射信號調理部分、數(shù)據(jù)接收端口和DSP并行信號 處理部分設置在所述水下機器人的儀器艙內；所述功率放大器和模擬信號采集傳輸部分分別連接并設置在所述發(fā)射換能器和接收換能器的背部空腔內，所述功率放大 器和模擬信號采集傳輸部分分別與通過水密封纜線連接所述發(fā)射信號調理部分和數(shù)據(jù)接收端口。所述發(fā)射換能器和接收換能器均采用復合縱向振動換能器陣子，且所述發(fā)射換能器和接收換能器呈T字形固定在所述水下機器人的底部，與海底平行。所述發(fā)射及控制DSP部分包括依次連接的光電轉換器、電平轉換器、DSP和D/A。 所述發(fā)射信號調理部分包括依次連接的模擬信號放大電路、模擬信號濾波電路 和隔離放大器電路；所述信號調理部分的帶通濾波在35kHz-65kHz的頻率范圍內起 伏，通帶內外的抑制比大于40dB。所述模擬信號采集傳輸部分包括依次連接的前置放大器、信號調理器、采樣保 持器、模數(shù)轉換器、可編程邏輯器件和網(wǎng)絡接口；模擬信號依次通過前置放大器、 信號調理器、采樣保持器、模數(shù)轉換器后轉換成數(shù)字信號，再通過所述可編程邏輯 器件配合網(wǎng)絡接口輸出。本實用新型由于采取以上技術方案，其具有以下優(yōu)點1、本實用新型由于采 用了多波束的接收換能器代替以往的單波束換能器，因此可以通過接收多波束的回 波信號，進行波束形成、脈沖壓縮等算法實現(xiàn)對海底石油管線的方位探測。2、由 于采用探測信號的頻段為35kHz 65kHz，帶寬30KHz，大大提高了系統(tǒng)的探測頻段， 提高了系統(tǒng)的相對帶寬從而減小了發(fā)射及接收換能器的尺寸和重量、并且提高了系 統(tǒng)的分辨率。3、本實用新型采用TCP/IP網(wǎng)絡進行水下單元與水上主機的通信，替 代了以往的串口傳輸，數(shù)據(jù)傳輸率得到了很大的提高，并且接口方便。本實用新型 可以廣泛用于海洋、湖泊底部管線的探測，也可用于地質和考古的探測和海深及海 底沉積層的測量和分類等。

圖1是本實用新型結構框圖圖2是本實用新型發(fā)射及控制DSP部分原理結構框圖 圖3是本實用新型模擬信號采集傳輸部分原理結構框圖 圖4是本實用新型DSP并行信號處理部分原理結構框圖 圖5是本實用新型在海底機器人的安裝結構圖 圖6是本實用新型接收換能器與發(fā)射換能器組裝結構圖具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型進行詳細的描述。如圖1 3所示，本實用新型的構成包括放置在岸上或船上的用于完成海底石油管線探測圖像合成、顯示和實時控制的水上主機l，發(fā)射及控制DSP (數(shù)字信號 處理器)部分2，發(fā)射信號調理部分3，功率放大器4，發(fā)射換能器5和接收換能 器6，模擬信號采集傳輸部分7，數(shù)據(jù)接收端口 8、 DSP并行信號處理部分9和水下 機器人IO。水下機器人10上設置有磁探儀11，磁探儀電子艙12、儀器艙13等。 磁探儀ll是探測海底鐵磁性物體的探測設備，可以進行大范圍的管線搜索，磁探 儀電子艙12負責磁探儀11供電及數(shù)據(jù)處理。發(fā)射及控制DSP部分2、發(fā)射信號調 理部分3、數(shù)據(jù)接收端口 8和DSP并行信號處理部分9設置在水下機器人10的儀 器艙13內。功率放大器4和模擬信號采集傳輸部分7分別連接在發(fā)射換能器5和 接收換能器6的背部空腔內，并分別通過水密封纜線連接水下機器人10儀器艙13 內的發(fā)射信號調理部分3和數(shù)據(jù)接收端口 8，發(fā)射換能器5和接收換能器6呈T字 形固定安裝在水下機器人10的底部平行于海底。如圖4所示，本實用新型發(fā)射及控制DSP部分2的構成包括光電轉換器21、 電平轉換器22、 DSP (數(shù)字信號處理器)23、 D/A (數(shù)模轉換器)24，各個部分統(tǒng) 一安置在印制電路板上，數(shù)模轉換器24連接發(fā)射信號調理部分3。發(fā)射及控制DSP 部分2的任務是實時接收水上主機1的命令，完成發(fā)射脈沖波形的產(chǎn)生，及實時功 率控制和發(fā)射控制。本實用新型發(fā)射信號調理部分3的構成包括模擬信號放大電路、模擬信號濾 波電路、隔離放大器電路，這三個部分都在一塊電路板上，采用導線連接。發(fā)射信號調理部分3將發(fā)射及控制DSP部分2產(chǎn)生的模擬信號進行放大、濾波，經(jīng)過隔離 放大器電路隔離的輸出端直接送給功率放大器4進行功率放大。隔離放大器電路的 主要作用是將發(fā)射信號調理部分3的地與功率放大器4的地分離，防止功率放大器 4的大幅度噪聲竄入發(fā)射信號調理部分3干擾發(fā)射信號。由于發(fā)射信號為 35kHz-65kHz的線性調頻脈沖，因此要求信號調理部分3的帶通濾波在35kHz-65kHz 的頻率范圍內起伏較小，通帶內外的抑制比大于40dB。本實用新型的功率放大器4采用現(xiàn)有技術兩路功放反相驅動形式的三級射隨 電流放大器，可以使輸出電壓提高l倍，輸出功率提高到單路輸出的4倍。對輸出 信號可以實現(xiàn)功率的線性放大，脈沖功率在l千瓦以上，同時采用變壓器耦合方式 實現(xiàn)與發(fā)射換能器5的寬帶匹配。本實用新型的接收換能器5采用現(xiàn)有技術中的復合縱向振動換能器陣子，該換 能器與其它類型的換能器相比有振動模式單純、機電轉換率高、結構堅固、性能穩(wěn)
定可靠、能承受較大電功率等優(yōu)點。該部分的電功率加到l千瓦，其聲源級可以達到215dB以上。本實用新型的接收換能器6也是采用現(xiàn)有技術中的復合縱向振動換能器陣子， 該換能器的接收信號幅度的變化非常大，首先從海底表面返回的聲波幅度很強，與 海底內部回波信號相比至少大20dB，模擬信號采集傳輸部分7要對該信號有一定 的抑制作用。海底內部對聲波的吸收比較大，以20米的工作深度計算，總的聲吸 收會在80dB以上。回波信號波形應該是一個很強的峰(表面回波)后面跟著一個 迅速衰減的曲線可能還有一系列的小峰(斷層等目標回波)。多波束剖面聲納的顯 示是以回波相關處理后的幅度為基礎的，如果不在模擬信號采集傳輸部分7中進行 自動增益控制，接收時會丟失回波信號的詳盡信息，海底深處的圖像無法正確顯示。如圖5所示，本實用新型的模擬信號采集傳輸部分7的構成包括前置放大器 71、信號調理器72、采樣保持器73、模數(shù)轉換器74、 FPGA (可編程邏輯器件)75 和網(wǎng)絡接口 76。位于接收換能器6的背部空腔內的模擬信號采集傳輸部分7，接收 換能器6內部陣子通過軟導線連接到模擬信號采集傳輸部分7。模擬信號依次通過 前置放大器71、信號調理器72、采樣保持器73、模數(shù)轉換器74后，轉換成數(shù)字 信號，再通過可編程邏輯器件75配合網(wǎng)絡接口 76，將數(shù)字信號經(jīng)由水密封電纜傳 輸?shù)綌?shù)據(jù)接收端口8。由于海底石油管線的回波非常微弱，只進行一級的放大是不 夠的。前置放大器71對接收換能器6輸出的微弱信號進行30dB的放大，然后再經(jīng) 過信號調理器72中的增益控制電路進行時變增益控制。時變增益控制需要一定的 增益曲線(海底衰減曲線的倒數(shù))，增益控制由發(fā)射及控制DSP部分2給出，通過 信號線接入模擬信號采集傳輸部分7的信號調理器72，通過增益控制電路可以衰 減海底強的回波，增大內部比較弱的回波，從而實現(xiàn)海底回波的動態(tài)范圍壓縮。采 用差分前置放大可以有效地抑制電纜上共模噪聲。本實用新型的數(shù)據(jù)接收端口 8是與DSP并行信號處理部分9緊密連接的以太網(wǎng) 接口 ，負責接收模擬信號采集傳輸部分7的網(wǎng)絡接口 76傳輸來的數(shù)字信號以供DSP 并行信號處理部分9進行數(shù)字信號處理。如圖6所示，本實用新型DSP并行信號處理部分9的構成包括從DSP網(wǎng)口 91、 從DSP92、 FPGA (可編程邏輯器件)93、主DSP94、主DSP網(wǎng)口 95。從DSP網(wǎng)口 91 接收模擬信號采集傳輸部分7的數(shù)字信號，并將數(shù)據(jù)存儲在擴展的內存中，然后從 DSP92和主DSP94在可編程邏輯器件93的配合下進行流水線并行處理，其過程包 括傅立葉變換、相關和濾波等運算，經(jīng)從DSP92與主DSP94處理后的數(shù)據(jù)，經(jīng)主 DSP網(wǎng)口 95通過光纖送到水上主機1進行顯示和存儲。 本實用新型的工作原理是機器人10攜帶本實用新型水下部分進入工作狀態(tài)后，系統(tǒng)加電，發(fā)射及控制DSP部分2和DSP并行信號處理部分9分別引導程序后，進入待機狀態(tài)，啟動水上 主機l進入顯控方式。系統(tǒng)的發(fā)射信號的脈沖寬度有0.5ms、 lms、 2ms三檔可選， 發(fā)射信號的聲功率有功率級0 7八檔可調，脈沖重復頻率最高可達5次/秒，信號 的采集時刻和增益控制為可選項,完成參數(shù)設置后，按啟動命令進入探測工作模式。發(fā)射及控制DSP部分2上電后等待水上主機1的命令， 一旦接收到啟動命令， 則按照設定的參數(shù)，以一定的脈寬和頻率發(fā)射聲脈沖。不同長度的脈沖波形以數(shù)據(jù) 的形式存儲在發(fā)射及控制DSP部分2的DSP程序中，該DSP根據(jù)水上主機1的命令， 將波形數(shù)據(jù)送到發(fā)射及控制DSP部分2的數(shù)據(jù)總線上，并通過12bit數(shù)模轉換器 24將并行數(shù)據(jù)轉化為波形，通過發(fā)射信號調理部分3、功率放大器4放大和匹配發(fā) 射后，頻率在35 65kHz范圍內，聲源級達到206dB，帶內起伏3dB。發(fā)射換能器 5將功率放大器4的大功率電信號轉換成聲波信號輸出，聲波經(jīng)被測物體的反射回 到接收換能器6，接收換能器6再將回波信號轉換成電信號以便后續(xù)處理。DSP并 行信號處理部分9的DSP上電引導程序后，等待發(fā)射及控制DSP部分2給出的釆集 信號。發(fā)射及控制DSP部分2的脈沖發(fā)射完畢后，等待一段時間通過1/0給出一個 低電平，通知DSP并行信號處理部分9開始接收模擬信號采集傳輸部分7采集的的 數(shù)字數(shù)據(jù)。上述的等待時間由水上主機1控制，等待時間要大于聲脈沖往返的時間。 采集信號與發(fā)射信號的拷貝進行相關運算后，再做低通濾波取出包絡。DSP并行信 號處理部分9將原始數(shù)據(jù)、相關計算后的數(shù)據(jù)和包絡的數(shù)據(jù)等處理結果，以TCP/IP 網(wǎng)絡協(xié)議形式通過光纖高速傳導到水上主機1，水上分機1對處理結果進行二維和 三維顯示，以及圖像處理與識別。本實用新型上述描述中的一些各部分的設置和連接方式，都是可以有所變化 的，這些局部分變化或更換，不應排除在本實用新型的保護范圍之外。
權利要求1、一種多波束剖面聲納信號處理裝置，其特征在于它包括水上主機，設置在水下機器人上的發(fā)射及控制DSP部分，發(fā)射信號調理部分、功率放大器、發(fā)射換能器、接收換能器、模擬信號采集傳輸部分、數(shù)據(jù)接收端口和DSP并行信號處理部分；所述發(fā)射及控制DSP部分通過纜線與所述水上主機串口連接，實時接收所述水上主機的命令，完成發(fā)射脈沖波形的產(chǎn)生，及實時功率控制和發(fā)射控制；所述發(fā)射信號調理部分將發(fā)射及控制DSP部分產(chǎn)生的模擬信號進行放大、濾波，經(jīng)過隔離放大器電路隔離的輸出端，發(fā)送給所述功率放大器放大，所述發(fā)射換能器將信號進行電、機轉換后，向水下發(fā)射；所述接收換能器接收回波，并進行機、電轉換后，通過所述模擬信號采集傳輸部分轉換成數(shù)字信號，經(jīng)由水密封電纜傳輸?shù)剿鰯?shù)據(jù)接收端口，再經(jīng)所述DSP并行信號處理部分進行數(shù)字信號處理后，通過纜線傳輸給水上主機顯示存儲。
2、 如權利要求1所述的一種多波束剖面聲納信號處理裝置，其特征在于所述發(fā)射及控制DSP部分、發(fā)射信號調理部分、數(shù)據(jù)接收端口和DSP并行信號處理部 分設置在所述水下機器人的儀器艙內；所述功率放大器和模擬信號采集傳輸部分分 別連接并設置在所述發(fā)射換能器和接收換能器的背部空腔內，所述功率放大器和模 擬信號采集傳輸部分分別與通過水密封纜線連接所述發(fā)射信號調理部分和數(shù)據(jù)接收端口。
3、 如權利要求1所述的一種多波束剖面聲納信號處理裝置，其特征在于所 述發(fā)射換能器和接收換能器均采用復合縱向振動換能器陣子，且所述發(fā)射換能器和 接收換能器呈T字形固定在所述水下機器人的底部，與海底平行。
4、 如權利要求2所述的一種多波束剖面聲納信號處理裝置，其特征在于所 述發(fā)射換能器和接收換能器均采用復合縱向振動換能器陣子，且所述發(fā)射換能器和 接收換能器呈T字形固定在所述水下機器人的底部，與海底平行。
5、 如權利要求1或2或3或4所述的一種多波束剖面聲納信號處理裝置，其 特征在于所述發(fā)射及控制DSP部分包括依次連接的光電轉換器、電平轉換器、DSP 和D/A。
6、 如權利要求1或2或3或4所述的一種多波束剖面聲納信號處理裝置，其 特征在于所述發(fā)射信號調理部分包括依次連接的模擬信號放大電路、模擬信號濾 波電路和隔離放大器電路；所述信號調理部分的帶通濾波在35kHz-65kHz的頻率范 圍內起伏，通帶內外的抑制比大于40dB。
7、 如權利要求5所述的一種多波束剖面聲納信號處理裝置，其特征在于所 述發(fā)射信號調理部分包括依次連接的模擬信號放大電路、模擬信號濾波電路和隔離放大器電路；所述信號調理部分的帶通濾波在35kHz-65kHz的頻率范圍內起伏，通 帶內外的抑制比大于40dB。
8、 如權利要求1或2或3或4或7所述的一種多波束剖面聲納信號處理裝置， 其特征在于所述模擬信號采集傳輸部分包括依次連接的前置放大器、信號調理器、 采樣保持器、模數(shù)轉換器、可編程邏輯器件和網(wǎng)絡接口；模擬信號依次通過前置放 大器、信號調理器、采樣保持器、模數(shù)轉換器后轉換成數(shù)字信號，再通過所述可編 程邏輯器件配合網(wǎng)絡接口輸出。
9、 如權利要求5所述的一種多波束剖面聲納信號處理裝置，其特征在于所述模擬信號采集傳輸部分包括依次連接的前置放大器、信號調理器、采樣保持器、模數(shù)轉換器、可編程邏輯器件和網(wǎng)絡接口；模擬信號依次通過前置放大器、信號調 理器、采樣保持器、模數(shù)轉換器后轉換成數(shù)字信號，再通過所述可編程邏輯器件配 合網(wǎng)絡接口輸出。
10、 如權利要求6所述的一種多波束剖面聲納信號處理裝置，其特征在于所 述模擬信號采集傳輸部分包括依次連接的前置放大器、信號調理器、采樣保持器、 模數(shù)轉換器、可編程邏輯器件和網(wǎng)絡接口；模擬信號依次通過前置放大器、信號調 理器、采樣保持器、模數(shù)轉換器后轉換成數(shù)字信號，再通過所述可編程邏輯器件配合網(wǎng)絡接口輸出。
專利摘要本實用新型涉及一種多波束剖面聲納信號處理裝置，其特征在于它包括水上主機，設置在水下機器人上的發(fā)射及控制DSP部分，發(fā)射信號調理部分、功率放大器、發(fā)射換能器、接收換能器、模擬信號采集傳輸部分、數(shù)據(jù)接收端口和DSP并行信號處理部分；發(fā)射及控制DSP部分通過纜線與水上主機連接，實時接收水上主機的命令，發(fā)射信號調理部分將發(fā)射及控制DSP部分產(chǎn)生的模擬信號進行放大、濾波，隔離，給功率放大器放大，發(fā)射換能器將信號進行電、機轉換后，向水下發(fā)射；接收換能器接收回波，進行機、電轉換后，模擬信號采集傳輸部分轉換成數(shù)字信號，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)接收端口，經(jīng)DSP并行信號處理部分處理后，通過纜線傳輸給水上主機。本實用新型可以廣泛用于探察海底石油管線方位的過程中。
文檔編號G01S7/52GK201043997SQ200720103708
公開日2008年4月2日 申請日期2007年3月1日 優(yōu)先權日2007年3月1日
發(fā)明者鋼 喬, 卞紅雨, 巖 安, 徐小卡, 房曉明, 李微微, 桑恩方, 沈政燕, 王海峰, 王繼勝, 趙景義, 鄧敬賢, 郭元曦 申請人:中國海洋石油總公司;海洋石油工程股份有限公司;哈爾濱工程大學