[发明专利]一种多波束海底浅地层剖面探测设备

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) (1)

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；