多波束前视声呐系统和探测方法与流程

本发明涉及主动式声呐系统，特别是多波束前视声呐系统。

背景技术：

声呐系统按工作原理划分可分为主动式声呐与被动式声呐。被动声呐自身不发射声波信号，通过接收所探测目标发出的声波进行探测，而主动声呐通过发射声信号并接收目标回波进行探测。

前视声呐是一种主动声呐，主要由换能器基阵、发射机、接收机、控制器、显示器等几个部分组成，其中，换能器基阵的作用是将声波信号“聚焦”在预定的方向上，即形成所需扫描方向的波束。发出的声信号经水下传播，遇到礁石、舰艇、鱼群等障碍物反射时，则产生回声信号。换能器基阵阵元接收回波信号与周围噪声，并将它们转变为电信号，接收机再将各个阵元的接收到的电信号转化为适合设备处理的形式，通过一系列的数据处理，最终将各方向上的回波信息在显示器中显示出来。

目前，国际上通用的前视声呐主要分为三类：

1)单波束机械扫描声呐，它通过机械结构旋转一个单波束声呐来对全方位或固定角度范围进行扫描。这种前视声呐系统结构简单、价格低廉，但由于完成一个周期的成像需完成一个周期的机械旋转，所以工作效率很低。

2)多波束预成扫描声呐，它具有成像速度快的特点，适用于高速状态下对目标探测。但因为有旁瓣的干扰，成像效果稍差于单波束机械扫描声呐。

3)三维成像声呐，它能同时获得包括目标距离、俯仰角以及水平角的目标三维位置信息。但是由于其开发难度大，市场需求小，目前全球只有少数国家开展了三维成像声呐的研究。

而我国在前视声呐领域所进行的研究还十分有限，仍处于研究的初步阶段，缺少具有实用性的多波束前视声呐系统。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明旨在提供一种多波束前视声呐系统。本发明中的多波束前视声呐系统，由水声换能阵、前置放大器、信号调理与A/D转换模块、发射机、主控芯片组成；其中，

水声换能阵由发射换能器阵列与接收换能器阵列组成，发射换能器阵列用于产生一定波束角度的扇形声波波束，以照射测量船正前方的一条狭窄水域；接收换能器阵列则对回波信号进行待测方向的多波束形成、能量累积、幅度检测处理，当检测到响应角度的回波信号时记录其计数值，直至所有待测角度的回波都到达时完成一次测量；

前置放大器，负责将水声换能器中的接收阵接收到的回波信号进行前置放大并输出到信号调理与A/D转换模块；

信号调理与A/D转换模块，用于对回波信号进行滤波及数字化；

发射机，用于驱动发射换能器阵列形成系统需要的扇形声波波束；

辅助装备，用于上传当前系统环境声速、纵摇横摇幅度信息；

主控芯片，产生经过波束形成算法处理的超声波信号，通过发射机进行功率放大，推动发射换能器阵产生指向某一方位的窄波束，同时完成对前置放大器、信号调理与A/D转换模块以及发射机的同步控制，通过接收换能器阵列接收回波数据。

此外，还包括上位机、显示器、打印机；上位机，用于对整个系统进行实时控制及数据存储，并控制显示器及打印机完成实时探测信号波形的显示及打印。

主控芯片，发射出的声波遇到探测目标后反射回来，由接收换能器阵列将声信号转化为电信号，所述电信号通过前置放大后，再送到接收信号调理与A/D转换模块中进行滤波、与模数转换，最终将数据送入主控芯片中进行计算处理；对采样到的数据结合辅助设备所上传的当前声速、纵摇横摇幅度等信息进行检测，来判断目标方向上障碍物的有无。

波束形成算法处理是，根据归一化的指向性特性函数：

对多元阵阵元接收信号进行时延或相移处理，使预定方向上的入射信号形成同相相加的处理过程称为波束形成；和/或在发射声波时，通过对各阵元信号进行一定的时延与相移处理，从而使得发射波束能量聚集在预定的方向上；其中，N元等间距发射换能器阵列，其阵元间距为d，各阵元接收灵敏度一致，处于远场位置声源频率为f，波长为λ，入射波方向角为θ，邻阵元接收信号间的相位差为

多波束前视声呐系统和探测方法，首先，利用主控芯片产生经过波束形成算法处理的超声波信号，通过发射机进行功率放大，推动发射换能器阵产生指向某一方位的窄波束；发射出的声波遇到探测目标后反射回来，由接收换能器阵列将声信号转化为电信号，所述电信号通过前置放大后，再送到A/D转换模块中进行滤波、增益控制、归一化、波束形成与模数转换，最终将数据送入主控芯片中进行计算处理。

波束形成算法处理是，根据归一化的指向性特性函数：

对多元阵阵元接收信号进行时延或相移处理，使预定方向上的入射信号形成同相相加的处理过程称为波束形成；和/或在发射声波时，通过对各阵元信号进行一定的时延与相移处理，从而使得发射波束能量聚集在预定的方向上；其中，N元等间距发射换能器阵列，其阵元间距为d，各阵元接收灵敏度一致，处于远场位置声源频率为f，波长为λ，入射波方向角为θ，邻阵元接收信号间的相位差为

本发明的特点及有益效果是：

本发明中的多波束前视声呐系统能够填补国内空白，该系统能够产生一定波束角度的扇形声波波束，以照射测量船正前方的一条狭窄水域，同时能够接收回波信号，完成信号的能量累积、幅度检测处理等功能，是一种较为实用的前视声呐系统。

附图说明：

图1是本发明中的多波束前视声呐系统结构框图；

图2是本发明中的主控芯片波束形成算法原理图；

图中：

1：水声换能阵；2：前置放大器；3：信号调理与A/D转换模块；4：显示器、打印机等；5：发射机；6：主控芯片；7：上位机；8：辅助装备。

具体实施方式

本发明所采用的技术方案是：

本发明中的多波束前视声呐系统，它的主要组成部分有：声呐基阵、发射机、A/D转换、主控芯片、上位机与显示设备。首先，主控芯片产生系统所需的、经过波束形成算法处理的超声波信号，通过发射机进行功率放大，推动发射换能器阵产生指向某一方位的窄波束。发射出的声波遇到探测目标后反射回来，由接收换能器阵列将声信号转化为电信号。微弱的电信号通过前置放大后，再送到A/D转换模块中进行滤波、增益控制、归一化、波束形成与模数转换，最终将数据送入主控芯片中进行计算处理。

由于来自接收机的A/D信号已经进行了模拟波束形成，主控芯片对采样到的数据结合辅助设备所上传的当前声速、纵摇横摇幅度等信息进行检测，来判断目标方向上障碍物的有无。这整个工作过程中，都由主控芯片产生同步时钟、控制信号来协调控制各分机的工作。

下面结合附图和具体实施例对本发明的多波束前视声呐系统做出详细说明。

如图1所示，本发明中的多波束前视声呐系统由水声换能阵1、前置放大器2、信号调理与A/D转换模块3、显示器及打印机4、发射机5、主控芯片6、上位机7以及辅助装备8组成。

水声换能阵1，由发射阵与接收阵组成，其中发射阵用于产生一定波束角度的扇形声波波束，以照射测量船正前方的一条狭窄水域；接收阵则对回波信号进行待测方向的多波束形成、能量累积、幅度检测等处理，当检测到响应角度的回波信号时记录其计数值，直至所有待测角度的回波都到达时完成一次测量。

前置放大器2，负责将水声换能器1中的接收阵接收到的回波信号进行前置放大。

信号调理与A/D转换模块3，用于对回波信号进行滤波、增益控制、归一化、波束形成及数字化。

显示器及打印机4，用于显示实时探测的回波信号波形，并根据需要将其打印。

发射机5，用于驱动发射阵形成系统需要的扇形声波波束。

主控芯片6，用于实现波束形成算法，完成对前置放大器2、信号调理与A/D转换模块3以及发射机5的同步控制，接收回波数据等，它的核心部分为FPGA。

具体地，主控芯片6的功能就是将以一定形式排列的多元换能器基阵中各阵元的输出信号通过加权、延时等处理，从而使其能量聚集在空间内某一点的方法。可以说，一个波束形成器就是一个空间滤波器。它可以去掉不需要的空间方向上的信号，只让预定方向的信号通过。

如图2为一个N元等间距线列阵，其阵元间距为d，各阵元接收灵敏度一致。此时，有一个频率为f的声源处于远场位置，其波长为λ，入射波方向角为θ，则相邻阵元接收信号间的相位差为：

设各阵元接收到的信号分别为：

F₀(t)＝A cos(ωt) (2)

……

式中，A为信号幅度，ω为信号角频率，n为阵元编号，Re()为取实部的符号。将各阵元接收到的信号求和，得到：

这里，再利用等比求和公式：

$S_n=1+a+a^2+...+a^{N-1}=\frac{1-a^N}{1-a}---\left(5\right)$

则有：

所以：

将上式的幅度除以NA，即将其归一化，我们就得到了归一化的指向性特性函数：

可以看出，对多元阵阵元接收信号进行时延或相移处理，使预定方向上的入射信号形成同相相加的处理过程称为波束形成。同理，在发射声波时，也可以通过对各阵元信号进行一定的时延与相移处理，从而使得发射波束能量聚集在预定的方向上。

上位机7，用于对整个系统进行实时控制及数据存储，并控制显示器及打印机4完成实时探测信号波形的显示及打印。

辅助装备8，用于上传当前系统环境声速、纵摇横摇幅度等信息。

具体实施过程为：

首先，主控芯片6通过其内部FPGA产生系统所需的、经过波束形成算法处理的超声波信号，通过发射机进行功率放大，推动发射换能器阵产生指向某一方位的窄波束。发射出的声波遇到探测目标后反射回来，由接收换能器阵列将声信号转化为电信号。微弱的电信号通过前置放大后，再送到信号调理与A/D转换模块中进行滤波、与模数转换，最终将数据送入主控芯片中进行计算处理。

由于来自接收机的A/D信号已经进行了模拟波束形成，主控芯片6对采样到的数据结合辅助设备所上传的当前声速、纵摇横摇幅度等信息进行检测，来判断目标方向上障碍物的有无。这整个工作过程中，都由主控芯片产生同步时钟、控制信号来协调控制各分机的工作。

上位机在系统工作过程中对主控芯片6进行实时控制，主要通过控制其FPGA完成参数设置、启动与停止等功能。