一种多波束海底浅地层剖面探测设备

摘要

本发明涉及的是一种多波束海底浅地层剖面探测设备。本发明包括干端和湿端，干端由发射模块和信号处理及显示模块构成，湿端由参量阵和矢量水听器构成。本发明基于FrFT技术设计频带重叠的LFM探测信号，利用小孔径的参量阵作为相控发射换能器，采用矢量水听器作为接收换能器，在提高系统带宽利用率的同时大大减小基阵的孔径。本发明由于能够发射频带重叠的多分量信号，使发射多波束的数量增加，系统带宽利用率和探测效率都得到了很大的提高，更适用于大面积的扫海探测；基阵孔径的减小使设备更加便携，具有更大的推广和应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种多波束海底浅地层剖面探测设备。

背景技术

与传统单波束海底浅地层探测相比，利用多波束设备进行海底浅地层探测，在提高测量 效率的同时可以获得更丰富的底质信息。多波束海底浅地层剖面探测设备采用空间扫描、走 航探测的工作方式。传统多波束海底浅地层探测设备通常采用向不同方向发射频带不重叠的 LFM信号分量，然后对同时接收的多分量回波信号进行频域滤波，从而消除不同方向上回波 信号间的混叠，以区分各分量信号的到达方向，达到同时探测多条测线的目的。但是，这种 频分编码设计使得各信号分量间不能存在频谱重叠，从而使有限的系统频带内仅能设计出很 少的几个LFM信号分量，限制了系统探测测线的数量，制约了多波束海底浅地层探测技术探 测效率的提高。

另外，在多波束浅地层探测设备使用的换能器基阵方面，传统多波束浅地层剖面探测设 备通常采用低频大孔径基阵，体积大、重量重，不利于设备的推广应用，这是由于海底浅地 层探测信号频率低，若采用空域滤波的方法接收各方向的信号分量，发射、接收波束宽度必 须足够地窄，从而必将导致接收基阵孔径增大，使设备体积和成本增加，尤其不利于在小的 探测平台上使用。如Calimero项目中应用的新一代多波束浅地层探测系统SBP120采用了 32×3元发射基阵和1×64元接收基阵，长度都大于7m，仅限于安装在大测量船上使用。而参 量阵声纳的独特优点是可以利用小尺寸换能器获得低频、宽带、低旁瓣或无旁瓣的尖锐波束， 从而不仅可以达到多波束海底浅地层测量对发射低频信号的要求，而且保证了探测的分辨率。 同时，由于矢量水听器工作在低频状态，且具有cosθ形式的与频率无关的指向性，这意味着 传感器的尺寸不再受声波波长的制约，与传统低频接收基阵相比，基阵孔径大大缩小，并且 与传统基阵相比，矢量水听器可以提供更多的信息、具有适合进行浅剖测量的频率范围(通 常为几百赫兹至十几千赫兹左右)。因此，采用矢量水听器作为多波束参量浅剖系统的接收基 阵是一个理想的选择。本发明采用参量阵和矢量水听器作为发、收换能器，解决了传统低频 基阵孔径大带来的诸多问题。

分数阶傅立叶变换是一种重要的分数阶变换，是一种广义的傅立叶变换，直到近年其重 要性才受到各国学者的关注。从本质上讲，信号在分数阶傅立叶域(通常称为u域)上的表示 融合了信号在时域和频域的信息，因此FrFT被认为是一种时频分析方法，与小波变换、WVD 等时频分析工具具有密切的关系。傅立叶变换是以三角函数为完备正交基，当单频正弦信号 经过傅立叶变换就会在某个单频基上成为一个冲激函数。而分数阶傅立叶变换以LFM信号为 完备的正交基，改变旋转角度α，就可以得到不同调频率的基，当LFM信号的频率变化率与 某一分数阶傅立叶变换基的频率变化率相吻合时，信号的分数阶傅立叶变换就会在该变换基 上形成一个冲激函数，参见图2。这一点说明LFM信号在u域上具有很好的时频聚集性。

另外，FrFT又是一个线性变换：

F^p[a·x(t)+b·y(t)]＝a·X_p(u)+b·Y_p(u)>

其中，x(t)和y(t)表示两个幅度归一化时域信号分量，a和b分别表示量信号分量的幅度， F^p[]表示p阶分数阶傅里叶变换，p为变换阶数，X_p(u)和Y_p(u)分别表示对应两时域信号分 量的u域信号。因此，多个信号分量叠加形成的多分量信号的分数阶傅立叶变换等价于各分 量信号分别进行分数阶傅立叶变换后的叠加。利用上述两点即可以对多分量LFM信号在u 域上进行滤波：当各LFM信号分量在合适的u域上出现能量聚集时，就可以用窄带滤波器将 各LFM信号分量从多分量信号中滤出，即实现对多分量LFM信号的提取与分离。这就是LFM 信号u域滤波和信号提取与分离的机理，本发明是基于这一机理设计实现的。

发明内容

本发明的目的是为了针对传统多波束海底浅地层剖面探测设备系统带宽利用率低，基阵 体积庞大，不利于推广应用等问题，提出了一种多波束海底浅地层剖面探测设备。

本发明的目的是这样实现的：

本发明包括干端和湿端，干端由发射模块12和信号处理及显示模块13构成，湿端由参 量阵3和矢量水听器4构成，其特征在于：

发射模块12，用于生成编码的多分量线性调频信号并驱动参量阵3，由多分量信号源1 和多通道发射机2构成；

多分量信号源1，用于接收同步信号和控制指令，并根据控制指令，向多通道发射机2 提供生成的N个频带重合的LFM信号分量，信号分量个数N由控制指令设置，同时向信号 处理及显示模块13发送最优变换阶数p_opt、信号分量在分数阶傅立叶域u域的分布位置u₀、 检测门限η；

多通道发射机2，利用多分量信号源1提供的N个线性调频编码信号驱动参量阵3相控 发射；

参量阵3，将多通道发射机2产生的N个信号分量相控发射到N个不同的预探测方向上；

矢量水听器4，同时接收N条测线上的多分量回波信号，并将接收到的多分量信号发送 到信号处理及显示模块13；

信号处理及显示模块13，实现多分量回波信号的提取与分离，处理得到各条测线的扫迹， 并显示探测得到的N个浅地层剖面图；

最优FrFT变换器5，根据多分量信号源1提供的最优变换阶数p_opt对接收的多分量回波 信号作最优FrFT变换，将变换结果取模值发送至门限检测器6；

门限检测器6，对最优FrFT变换器5发送的信号进行门限检测，选取过门限η的浅地层 回波信号，并将过门限的信号发送至u域带通滤波器组7；

u域带通滤波器组7，根据多分量信号源1提供的第i个信号分量在u域的分布位置u_i0， 利用第i个带通滤波器对多分量回波信号进行u域带通滤波，在u域滤出第i个信号分量，实 现所有N个信号分量在u域的提取与分离，并将提取的各信号分量发送至FrFT逆变换器8；

FrFT逆变换器8，用于对u域带通滤波器组7滤出的各信号分量作-p_opt阶的FrFT逆变换， 得到各条测线的回波信号，并发送至拷贝相关器组9；

拷贝相关器组9，用于对各条测线的回波信号序列作拷贝相关处理，得到各条测线上浅 地层剖面的扫迹，并将N条扫迹发送至显示器10显示N个浅地层剖面图；

显示器10，显示多波束海底浅地层剖面探测设备探测得到的N条测线上的浅地层剖面图 以及控制信息及现场参数信息。

本发明的有益效果在于：本发明基于FrFT技术设计频带重叠的LFM探测信号，利用小 孔径的参量阵作为相控发射换能器，采用矢量水听器作为接收换能器，在提高系统带宽利用 率的同时大大减小基阵的孔径。本发明由于能够发射频带重叠的多分量信号，使发射多波束 的数量增加，系统带宽利用率和探测效率都得到了很大的提高，更适用于大面积的扫海探测； 基阵孔径的减小使设备更加便携，具有更大的推广和应用价值。

附图说明

图1是多波束海底浅地层剖面探测设备的结构构成图。

图2是LFM信号一个变换周期(变换阶数从0～4)的FrFT变换3D图；

图3是频率变化率不同的二分量LFM信号的时频分布和对应其中一个信号频率变化率的 FrFT；

图4是图3情况下提取分离出的两个信号分量的时域波形及频谱；

图5是频率变化率相同的二分量LFM信号的时频分布和最优阶FrFT；

图6是图5情况下提取分离出的两信号分量的时域波形及频谱；

图7是发射多分量信号中各信号分量的时域波形及频谱；

图8是矢量水听器宽波束同时接收的多分量信号的时域波形及其频谱，信噪比SNR＝ -3dB；

图9是多分量回波信号FrFT的模值；

图10是各信号分量对应的u域带通滤波器响应；

图11是u域滤出的第一个LFM信号分量；

图12是u域滤出的第二个LFM信号分量；

图13是u域滤出的第三个LFM信号分量；

图14是经FrFT逆变换后，从多分量信号中提取出的各信号分量的时域波形及频谱。

具体实施方式

本发明具体地说是涉及一种基于分数阶傅立叶变换(Fractional Fourier Transform，FrFT) 技术的，用参量阵发射编码的多分量线性调频信号(Linear Frequency Modulation，LFM)，采 用矢量水听器宽波束同时接收多分量回波信号的一种多波束海底浅地层剖面高效探测设备。

所述的多波束海底浅地层探测设备的应用背景为大面积海底浅地层剖面勘测，设备利用 参量阵相控发射频带重叠的LFM信号分量进行探测，信号参数选取满足LFM信号在分数阶 傅立叶域具有很好能量聚集的特性，用矢量水听器宽波束同时接收多条测线的多个回波信号 分量，在分数阶傅立叶域通过u域滤波实现各信号分量的提取与分离，最终实现海底浅地层 剖面的高效探测。

本发明的多波束海底浅地层剖面探测设备的工作原理为：在每个探测同步周期，当多分 量信号源1接到开始工作的控制指令后，向多通道发射机2发送N个频带重叠的LFM信号 分量发射信号分量的个数N可根据探测需求进行现场设定；多通道发射机2根据多分量信号 源1提供的信号驱动参量阵3向N个不同的预探测方向依次发射N个频带重叠的LFM信号 分量；各发射声波信号经海底浅地层反射产生回波信号，矢量水听器4同时接收各个探测方 向的回波信号，并将此多分量回波信号传送至信号处理及显示模块13进行处理与显示。最优 FrFT变换器5根据多分量信号源1传送的最优变换阶数p_opt对多分量信号作最优分数阶傅立 叶变换，将信号变换到u域，通过门限检测器6在u域进行信号检测；根据多分量信号源1 提供的参数，分别利用u域带通滤波器组7、FrFT逆变换器8和拷贝相关器组9对检测到的 N个信号分量分别作u域带通滤波和-p_opt阶FrFT逆变换，将各信号分量从多分量信号中提取 分离出来，反变换到时域并经拷贝相关处理得到各探测方向海底浅地层的探测扫迹；最后将 扫迹送至显示器(10)形成多波束海底浅地层探测剖面图。至此，实现了一个同步周期的多波 束海底浅地层剖面探测。随着测量船的航行，实现了多条测线上海底浅地层的剖面探测。

本实施方式的多波束海底浅地层剖面探测设备发射的N个信号分量应当满足如下准则：

发射信号分量在u域具有很好的能量聚集特性，即采用LFM信号；

各信号分量的频率变化率一致；

发射各信号分量的参数可根据已制定的协议自主实现信号发射与信号处理间的协调工 作。

满足上述三点的多个分量的发射信号能够保证在u域实现多分量信号的提取分离。其中， 第一点主要从提高系统带宽利用率的角度出发，只有在u域具有很好的能量聚集特性，才能 保证在有限的频带上设计更多的信号分量，并实现宽波束同时接收的多个信号分量经u域带 通滤波后的有效提取与分离；第二点是为了防止u域滤波时出现信号失真，因为如果各个信 号分量的频率变化率不同，u域带通滤波器在对某一信号分量滤波时，会滤出其它信号分量 的成分，造成提取信号的失真，可参见图3和图4，不同频率变化率时提取和分离信号分量 将出现失真。另外，频率变化率设计成一致可简化处理过程，仅对某一最优变换阶数作一次 FrFT变换即可，而不必对各个分量分别作FrFT变换，并且能够很好地提取、分离出各信号 分量，如图5和图6所示，不仅信号不会出现失真，而且仅一次FrFT即可使所有信号分量在 u域出现能量聚集，进而进行u域带通滤波等后续处理；第三点是为了使设备协调工作，可 根据测量需要下达探测测线个数N(或信号分量个数，或相控方向个数)、相控方向和次序以 及调整同步周期。

所述多分量信号源1生成N个信号分量需要控制指令发送的信息包括：

①各LFM信号分量的高低截止频率f_iH和f_iL，i＝1、2……N，确定各发射信号分量的频 率范围；

②各LFM信号分量的脉冲宽度T_i。确定各发射信号分量的脉冲宽度；

③多通道发射机2相控发射信号的角度及顺序。控制多通道发射机2开始驱动参量阵3 不同基元的时间，并以事先定义的顺序向不同角度相控发射不同的信号分量。

所述矢量水听器4宽波束同时接收的多分量回波信号r(t)可表示为：

$r\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{M_1}{\Sigma }}{a}_i{s}_1(t-{\tau }_i)+\underset{j=1}{\overset{M_2}{\Sigma }}{a}_j{s}_2(t-{\tau }_j)+......+\underset{k=1}{\overset{M_N}{\Sigma }}{a}_k{s}_N(t-{\tau }_k)+N\left(t\right)---\left(2\right)$

式中s_n(n＝1,2……N)为向各探测方向上(各条测线上)发射的LFM信号分量， M_n(n＝1,2……N)表示第n个方向上(同一测线上)的回波个数，a表示各回波信号的幅度，τ 表示回波信号的时延，N(t)表示噪声。

所述多分量信号源1向信号处理及显示模块13传送的已知信号的信息包括：

①最优FrFT变换和逆变换的阶数p_opt和-p_opt。阶数p_opt用于设置最优FrFT变换器5，使 其实现对多分量回波信号的最优分数阶傅立叶变换，使同时接收的各信号分量在u域都出现 很好的能量聚集；-p_opt用于设置FrFT逆变换器8，将提取的各信号分量反变换到时域，得到 提取信号的时域形式；

②各个LFM信号分量在分数阶傅立叶域的分布位置u_i0(i＝1、2……N)。用于设置u域带 通滤波器组7对LFM信号分量进行u域滤波的各带通滤波器的滤波频率，不同信号分量的 u₀不同。第i个信号分量的u域频率u_i0可表示为：

$u_{i0}=\mathrm{round}\{f_{i0}·\sqrt{\frac{T}{f_s}}\cos [\arctan (k_i·\frac{T}{f_s})]·\mathrm{\Delta x}+\mathrm{const}\}-\mathrm{\Delta N}---\left(3\right)$

其中f_i0是第i个信号分量的中心频率，T是处理信号的时间长度，k_i是第i个信号分量 的频率变化率，f_s是信号采样频率，Δx＝sqrt(N)为u域信号量纲归一化长度，N＝T·f_s为 信号样本点数；常数const＝(N-1)/2+1(N为奇数)、const＝N/2+1(N为偶数)，ΔN表示待 提取信号分量中心频率偏离待处理信号时域中心引起的u域频率u₀的偏移量(点数)。

当无偏移时，ΔN＝0，否则：

$\mathrm{\Delta N}=\mathrm{round}\{(\mathrm{\Delta \tau }·k)·\sqrt{T/f_s}\cos [\arctan (k·T/f_s)]·\mathrm{\Delta x}\}---\left(4\right)$

式中Δτ表示偏离的时延量(偏向右侧时Δτ为正，否则为负)。

③检测门限η。用于设置门限检测器6的检测门限，可由控制指令实时更改；

④拷贝信号分量s_i(t)。用于拷贝相关器组9中各个拷贝相关器对FrFT逆变换器8输出 的时域信号作拷贝相关处理。

所述最优FrFT变换器5对矢量水听器4宽波束同时接收的各条测线的多分量回波信号 r(t)作p_opt阶最优FrFT变换得

所述门限检测器6对最优FrFT变换后信号进行检测判决的方法为：

首先对最优FrFT变换器5发送的数据取模值，得到其次，将模值与多分量信 号源(1)发送的参数η作比较，若则过门限部分的信号即为有效的回波信号，并 将其送至u域带通滤波器组7作滤波处理。

所述u域带通滤波器组7的滤出的各信号分量S_i(u)为：

$S_i\left(u\right)=F^{p_{\mathrm{opt}}}r\left(u\right)·H_{u_{i0}}\left(u\right)---\left(5\right)$

式中为多分量信号r(t)的最优阶FrFT，是以u_i0为中心频率的u域带通滤 波器传递函数，用于对第i个信号分量进行滤波处理。

所述FrFT逆变换器8对各提取出的信号分量进行-p_opt阶FrFT反变换，将u域信号变换 到时域，时域信号S_i(t)为：

$S_i\left(t\right)=F^{{-p}_{\mathrm{opt}}}\left[S_i\left(u\right)\right]---\left(6\right)$

所述拷贝相关器组9输出的各条测线的扫迹信号会按照作拷贝相关处理的顺序依次显示 到显示器10上。

采用本实施方式的多波束海底浅地层剖面探测设备的信号提取与分离过程参见图7至图 14，以频率范围分别为2～4kHz、3～5kHz和4～6kHz，脉宽均为10ms的三个信号分量作为发 射信号分量对多分量信号提取域分离处理过程进行说明。图7是参量阵3分别向三个不同方 向发射的三个LFM信号的时域波形和频谱；图8是矢量水听器4宽波束同时接收多分量信号 的时域波形和频谱(信噪比为-3dB)，由于三个信号分量相互间存在1/2的频带重叠，已无法从 频域上区分开三个信号分量；图9为多分量信号经最优分数阶傅立叶变换器5后输出的3个 过门限η的信号分量，三个信号分量在u域出现了很好的能量聚集，从而可在u域进行有效 的信号分离；图10是u域带通滤波器组7中对应某一信号分量的u域带通滤波器传递函数 根据公式(5)可实现信号分量的提取与分离；图11至图13是利用u域带通滤波器 组7对各信号分量进行u域滤波后提取出的三个u域信号分量，实现了对三个信号分量的分 离；图14为u域带通滤波提取出的各信号分量经FrFT逆变换器8后输出信号的时域波形及 频谱。经u域滤波处理后，不仅提取分离出了各信号分量，而且信号能量基本不变。提取分 离的各信号分量送拷贝相关器组9后则可输出各测线的扫迹信号，送显示器10显示浅地层剖 面。以此例计算，若采用频分方法，2～6kHz的频带内最多能够设计出2个2kHz带宽的信号 分量，而采用本方法，则可设计出3个甚至更多个2kHz带宽的信号分量，很大程度上提高 了系统带宽的利用率。