基于參量陣的多波束測深技術(shù)研究

李興勇，陳宇茹，何龍富，宋業(yè)強，陳 敏

（1.電子科技大學(xué) 四川 成都611731；2.西華大學(xué) 四川 成都610039）

基于參量陣的多波束測深技術(shù)研究

李興勇1，陳宇茹2，何龍富1，宋業(yè)強1，陳 敏1

（1.電子科技大學(xué) 四川 成都611731；2.西華大學(xué) 四川 成都610039）

介紹了參量陣理論以及多波束測深系統(tǒng)，提出了一種基于參量陣的多波束測深方法。傳統(tǒng)的單波束測深系統(tǒng)每次測量只能獲得測量船垂直下方一個海底測量深度值，而多波束探測能獲得一個條帶覆蓋區(qū)域內(nèi)多個測量點的海底深度值。與現(xiàn)有的多波束測深系統(tǒng)相比，采用參量陣的多波束測深技術(shù)，很好地增大了探測深度，減小了換能器體積、減輕了換能器重量，而且發(fā)射的波束角很小，具有很高的分辨率，可以同時探測淺海區(qū)深度和深海區(qū)深度，具有較大的應(yīng)用價值。

參量陣；多波束；測深技術(shù)；海底探測

多波束測深系統(tǒng)，又稱為多波束測深儀，條帶測深儀或多波束測深聲吶等，最初的設(shè)計構(gòu)想是為了提高海底地形測量效率［1］。與傳統(tǒng)的單波束測深系統(tǒng)每次測量只能獲得測量船垂直下方一個海底測量深度值相比，多波束探測能獲得一個條帶覆蓋區(qū)域內(nèi)多個測量點的海底深度值，實現(xiàn)了從“點—線”測量到“線—面”測量的跨越，其技術(shù)進步的意義十分突出［2］。與單波束回聲測深儀相比，多波束測深系統(tǒng)具有測量范圍大、測量速度快、精度和效率高的優(yōu)點，它把測深技術(shù)從點、線擴展到面，并進一步發(fā)展到立體測深和自動成圖，特別適合進行大面積的海底地形探測。這種多波束測深系統(tǒng)使海底探測經(jīng)歷了一個革命性的變化，深刻地改變了海洋學(xué)領(lǐng)域的調(diào)查研究方式及最終成果的質(zhì)量。

近年來，隨著水下探測研究的不斷發(fā)展，聲學(xué)參量陣的研究也逐漸成為聲學(xué)領(lǐng)域熱點問題之一。聲學(xué)參量陣（parametric array）是利用媒質(zhì)的非線性效應(yīng)，使用換能器（陣）沿同一方向傳播的兩個高頻初始波，獲得差頻及和頻波等二次聲波聲發(fā)射裝置。由于聲衰減系數(shù)α與頻率的平方成正比，頻率較高的超聲波信號及各次諧波將很快被空氣吸收掉，剩下處于聲頻范圍內(nèi)的差頻信號在空氣中繼續(xù)傳播。該波具有良好的指向性和穿透性，它廣泛應(yīng)用于建造民用和軍用聲吶，在魚群探測、隱蔽水雷探測、海底環(huán)境監(jiān)測、水下通信等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用［3－4］。

參量陣多波束測深技術(shù)研究意義在于它是一種新技術(shù)，且具有較大的應(yīng)用價值。本文擬在前人研究基礎(chǔ)上，將參量陣技術(shù)和多波束測深技術(shù)相結(jié)合，有利于提高海底探測效率，獲得更多的探測信息。

1 參量陣理論模型

根據(jù)線性聲學(xué)原理，聲場中同時存在著兩個不同頻率的聲波，總的聲場P（t）只是兩個聲波的線性疊加。如圖1所示，存在兩個頻率分別為ω1和ω2，振幅分別是P1和P2的正弦波，假如二者傳播方向相同，處相相同，則聲場的聲壓為：

但是，由于線性聲學(xué)是建立在均勻介質(zhì)的環(huán)境條件下，并忽略了信號對傳播介質(zhì)的影響。在實際環(huán)境中，聲波信號對介質(zhì)產(chǎn)生擾動，導(dǎo)致聲波信道介質(zhì)的不均勻性并產(chǎn)生“聲散射聲”現(xiàn)象。在非線性聲學(xué)的作用下，散射聲中將存在兩個聲波的差頻、和頻及諧波成分。此時，聲場的聲壓表達式為：

公式（2）中：

其中S表示非線性效應(yīng)的聲壓強度，參量陣在實際應(yīng)用中，差頻信號S cos（（ω1-ω2）t）/2是我們重點研究并應(yīng)用的對象。參量陣聲場因為是一個累加場，差頻波的總能量是隨著傳播距離的增加而增加的，排除差頻波的吸收效應(yīng)，近場的聲源級要比遠場聲源級低，從而保證了參量陣具有較遠的傳播距離的特點［5］。

圖1 水聲參量陣非線性作用示意圖

非均勻介質(zhì)中的非線性作用實現(xiàn)了信號的自解調(diào)，Westervelt在準(zhǔn)直平面波的假設(shè)下根據(jù)流體力學(xué)于1963年提出了差頻聲壓計算公式［6］:

式中β是介質(zhì)的非線性參數(shù)，ωs是差頻，P1和P2分別是兩個源波幅度，ρ0是介質(zhì)密度，c0介質(zhì)中的聲速，S0波束橫截面積，ks差頻波波數(shù)，θ方向角，R點到聲源的距離，R＞＞1/α，α=（α1+α2）/2，其中α1、α2分別是兩個源波的吸收系數(shù)，1/α通常稱為參量陣的有效陣長。根據(jù)參量陣的指向性特性可知差頻波波束很窄，在理論和實驗條件下均滿足一下公式［7-8］：

上述結(jié)論只適用于準(zhǔn)直平面波，并沒有考慮擴散因子，不能適用于遠場擴散區(qū)。Berktay和Leahy在考慮擴散因子之后得出遠場差頻聲場公式［9-10］：

式 （6）中A=（α1+α2）/2-αs，αs是差頻波的吸收系數(shù)，u= cosγcosθcos（φ-η）+sinγsinθ，θ、η分別是場源的方向角，γ、φ分別是源點的方向角，D1、D2分別是兩個原波的方向函數(shù)，其余物理參數(shù)同式（4）。根據(jù)上述公式可以明顯看出，式（6）考慮了差頻本身的吸收效應(yīng)，表示出了雙頻輸入時，最后通過非線性作用產(chǎn)生的差和頻輸出。由于和頻波受到的吸收大，超過一定距離后只有差頻波存在，因此一般只考慮差頻波。由于超聲波具有很強的指向性，傳播主軸方向以外這種疊加加強效應(yīng)將會很微弱，這最終使得聲頻波在主傳播軸方向具有了很強的指向性?？梢?，通過利用參量聲學(xué)陣原理，可實現(xiàn)低頻信號的高指向性傳播［11-13］。

2 多波束測深技術(shù)

2.1 多波束測深工作流程

圖2示出了基于參量陣的多波束測深系統(tǒng)的工作示意圖。測量時從一側(cè)開始發(fā)射各個波束，然后接收波束，直到完成一個測量周期，然后再重新開始發(fā)射波束，不斷循環(huán)，隨著測量船的前進不間斷測量，從而完成指定海域的海底測量。因為多波束技術(shù)的應(yīng)用，測量效率高；而參量陣技術(shù)將可以增加探測深度［14-15］。

圖2 多波束測聲工作示意圖

2.2 多波束測深原理

圖3示出了海底深度探測原理。假設(shè)某點的i的探測信號來回時間為ti，已知探測信號在海底的傳播速度為ci，則i點到船舶發(fā)射陣列的距離ri

已知i點與垂直方向的夾角為θi，則i點的海底深度值hi

圖3 多波束測深原理

3 基于參量陣的多波束測深技術(shù)

圖4示出了一種基于參量陣的多波束測深系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。基于參量陣的多波速測深系統(tǒng)由主計算機、發(fā)射機、參量發(fā)射陣列、參量發(fā)射陣列、數(shù)據(jù)接受處理系統(tǒng)、姿態(tài)傳感器、羅經(jīng)、DGPS和打印機組成。主計算機提供兩路高頻發(fā)射信號f1、f2，分別通過信號線輸入到發(fā)射機中。發(fā)射機對電信號進行功率放大，驅(qū)動參量發(fā)射陣列，將信號發(fā)射出去。探測信號經(jīng)過海底發(fā)射由參量接收陣列接收，并轉(zhuǎn)換為電信號，傳輸給數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)，對接收的電信號進行放大濾波處理，然后對數(shù)據(jù)進行波束形成處理，結(jié)合輔助姿態(tài)傳感器提供的船體姿態(tài)信息、羅經(jīng)提供的方向信息、DGPS提供的坐標(biāo)信息和聲速信息，計算出所測點的深度值。然后由主計算機控制打印機繪制等深線或者地形地貌圖［16］。

圖4 基于參量陣的多波束測深系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于參量陣的多波束測深技術(shù)與以往的多波束測深技術(shù)的不同在于發(fā)射陣，前者的發(fā)射陣采用了同時發(fā)射兩個不同頻率的超聲波，利用媒質(zhì)的非線性作用，產(chǎn)生了和頻波和差頻波。因為頻率越高，衰減越厲害，所以我們可以利用差頻波和原始超聲波f1，f2進行探測，從而提高了探測效率。而且，產(chǎn)生的差頻波是低頻，可以方向性好，在相同的功率下可以探測到更深的深度。因此，基于參量陣的多波束測深技術(shù)具有極大的應(yīng)用價值。

4 結(jié) 論

文中在現(xiàn)有的多波束測深技術(shù)上，介紹了一種基于參量陣的多波束測深技術(shù)。利用媒質(zhì)的非線性效應(yīng)，使用換能器陣沿同一方向傳播兩個高頻初始波，獲得差頻、和頻信號。不僅擁有多波束測深系統(tǒng)的全覆蓋、高精度、高密度和高效率特點，而且，利用參量陣產(chǎn)生的差頻信號具有良好的高指向性，穿透性和抗干擾性，很好的增大了探測深度，減小了換能器體積、減輕了換能器重量，而且發(fā)射的波束角很小，具有很高的分辨率，可以探測海底淺部地層的詳細情況。但是，因為受到條件限制，無法進行實驗驗證，只是從理論上進行了介紹。下一步，就是在理論的基礎(chǔ)上，搭建實驗平臺，進行實驗證明。

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Research on multibeam depth measurement technology based on parametric array

LIXing-yong1，CHEN Yu-ru2，HE Long-fu1，SONG Ye-qiang1，CHEN Min1
（1.University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China；2.Xihua University，Chengdu 610039，China）

The design ofmultibeam sounding system based on parametric array is studied.Itbelongs to the technical field of submarine reconnaissance.The system uses the parametric array technology，and the transmitter array is two sub arrays. Compared with the traditional single beam echo sounding system，it can only obtain a measurement of the depth of a submarine.Themultibeam probe can obtain the depth of the seabed withmultiplemeasurement points within the coverage area and improve themeasurement efficiency.Compared with the existingmulti beam echo sounding system，the invention uses the parametric array technology，which can increase the detection depth，reduce the volume of the transducer，and reduce theweightof the transducer.

p arametric array；multibeam；sounding system；submarine detection

TN929.3

A

1674－6236（2016）20-0118-03

2015-11-08 稿件編號：201511078

李興勇（1991—），男，重慶人，碩士。研究方向：水聲通信，海底探測，信號與息處理。