脉冲压缩式浅地层剖面仪（PCSBP）

脉冲压缩式浅地层剖面仪（PCSBP） 脉冲压缩式浅地层剖面仪(PCSBP) 第l6卷第3期 1997年9月 海洋技术 ()cEANTECHOL()GY Vo1.16.No.3 Sept.1997 t7一a|' 脉冲压缩式浅地层剖面仪(PCSBP) 睦沮潘锋张向军 (中国科学院声学研究所北京,100080) 摘要 yT,a7 其定量化测量特性持551I适合于定量研究海底介质的各种特性本文舟绍该仪器的工作原理,结构,f. 攀,疗扛结彩故 1引言 现代海洋地形地貌测量,一般要求浅地层剖面仪和侧扫声呐同时工作,以消除两部声呐分 剐工作的定位误差,提高作业效率,节省时间和能量,获得高质量的海底地形地貌声图 一 般情况下,侧扫声呐工作要求距海底高于35m,而常规浅地层剖面仪工作要求接近海 底,它难以和侧扫声呐同时工作获得高质量海底地形地貌声图.而且,常规浅地层剖面仪难以 同时保证作用距离和分辨率.我们知道,剖面仪对地层的分辨率正比于信号带宽, 常规的浅地 层剖面仪只能靠减小发射脉冲宽度来增加信号带宽以提高分辨率,但为了保持穿透深度,其发 射功率必须按脉冲宽度的减小而成比例增加,而这又受到发射机峰值功率和空化效应的限制. 同时,发射余振的干扰也限制了成图质量.因此,常规浅地层剖面仪难以满足现代海底地形地 貌测量的要求. 2宽带Chirp技术的优点 为了满足现代海底地形地貌测量的要求,我们采用宽带Chirp技术,研制了脉冲压缩式浅 地层剖面仪.工作时,它发射经过仔细加权和补偿的宽带线性调频长脉宽信号,然后对海底回 波进行相关匹配滤波.即对地层反射信号进行脉冲压缩处理,获得高幅度低旁瓣的窄脉冲,压 收稿日期1996—12—05 缩后的窄脉冲宽度与调频带宽成反比.这从两方面提高了仪器的性能:长脉宽的发射信号在较 海洋技术第16卷 低的峰值功率下保证了作用距离和对地层的穿透深度;宽带Chirp处理技术同时提高了对地 层的分辨率. 与常规浅地层剖面仪相比,基于宽带Chirp技术的脉冲压缩式浅地层剖面仪具有如下优 点: (1)长脉宽发射信号可在较低的峰值功率下获得较大的作用距离和地层穿透深度; (2)脉冲压缩处理提高了地层分辨率; (3)相关匹配滤渡处理提高了接收信号的信噪比; (4)特殊的信号补偿和加权处理可以消除余振和降低旁瓣,提高成图质量; (j)特殊的加窗波形带宽对吸收不敏感,使表层和深处的分辨率保持大致一致; (6)发射信号可编程,重复性好,适合于定量研究海底介质的各种特性. 因此,我们研制的脉冲压缩式浅地层剖面仪分辨率高,能和侧扫声呐同时工作,高效快捷 地获得高质量海底地形地貌声图,特别适合应用于能源宝贵的无缆洋底探测系统中. 3PCSBP的指标 (1)调频带宽:2.7kHz,6.7kHz (2)脉冲宽度:5ms~40ms (3)分辨率:0.3m (4)最大地层穿透深度(软泥):50m (5)换能器波束宽度:3O.,6o. (6)最大工作深度:8000m (7)整机功耗:25W 4PCSBP的结构及关键技术 我们研制的PCSBP工作在"8000m无缆自治洋底探测系统上,是在洋底探测目前, 系统 的主控计算机的控制下工作的.它们之间采用Bitbus总线进行通信.Bitbus是一种高速串行通 信总线,其最大传输速率为375Kbps,最远传输距离为1200m.系统工作时,主控计算机向 PCSBP下达工作指令,然后接收PCSBP的数据并进行存储.洋底探测系统被回收到水面后, 用户无需拆开密封罐,即可通过脐带电缆将浅剖数据回放到水上计算机进行显示. PCSBP由发射机,换能器,接收机,Chirp算法实时运算单元和通信单元组成,如图l所 示. PCSBP的核心部件是Chirp算法实时运算单元,它是TMS320C30扩展而成的数字 信号 处理(DSP)单元.工作时,它首先产生经过仔细补偿和加权的线性调频信号,然后对海底反射 信号进行采样,同时控制TGC放大器,对传播衰减和底介质吸收进行补偿,最后进行数字相关 匹配滤波处理,获得压缩的底反射脉冲信号.在上述工作过程中,发射信号的宽度和幅度, TGC控制曲线等参数都可以根据用户设置进行现场修改. 通信单元是由8044单片机扩展的最小系统,主要实现Bitbus通信功能,完成DSP和主控 计算机之间的数据和参数交换. 第3期脉冲压缩式浅地层剖面仪(PCSBP)19 主控计算机 图lPCSBP结构框图. 发射机是大功率线性发射机,它对DSP产生的仔细补偿和加权后的线性调频信号进行线 性功率驱动,然后通过收/发转换装置加到换能器上,产生线性调频的声辐射信号. 在这里换能器是收,发共用的,在发射过程中作为发射换能器,而在接收过程中作为水听 器. 接收机通过收/发转换装置接收底回波信号,经过前置放大,TGC放大,带通滤波及增益 调整将回波信号调整到合适的动态范围和幅度,并滤除带外噪声后送往DSP处理单元. PCSBP的关键技术和难点是宽带换能器的校准发射和回波信号的相位和幅度畸变将使 压缩脉冲的主瓣降低,旁瓣升高,余振加大.我们必须对声呐系统频率响应的相位和幅度同时 进行精确补偿,使得从换能器发射的是一不失真的线性调频信号.这主要指对换能器的收,发- 特性进行幅度和相位补偿.常规的换能器的校准方法只能对其幅度进行测量,因此.我们提出 了,种新型的宽带换能器校准方法,能对换能器的幅度和相位进行快速精确的测量,并用数字 方法进行补偿. 5PCSBP的特点 PCSBP采用了先进的宽带Chirp技术,能在较低的峰值功率下获得较大穿透深度和较高 分辩率的浅剖声图,同时,它能与侧扫声呐同时工作在距海底较高的高度上,节省了无缆洋底 探测系统的能源,提高了作业效率. 在 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 上,我们采用了超大规模集成电路和DSP处理技术,仪器体积小,功耗低,DSP处 理软件功能丰富,自成体系,不仅能以脱机方式用在洋底探测系统上,而且只要配上一台PC 机即可构成一个功能丰富独立通用的高分辨率的浅地层剖面仪. 用户接口界面友好,功能丰富PCSBP的显示软件用Borlandc++编写,能在VGA计算 机监视器上显示浅剖声图.声图显示可以随时切换为彩色和黑白,屏幕上同时显示相对于 PCSBP换能器的地层深度值.声图显示可以压缩或放大,并能选择不同的对比度.该软件不仅 能完成数据文件的回放,而且提供了对PCSBP的直接控制和现场显示功能.直接控制功能包 括参数设置(发射脉冲宽度及幅度,TGC曲线,接收增益等)和工作模式选择(系统初始化,海 底脉冲宽度及幅度,TGC曲线测量,时域脉i中压缩,频域脉冲压缩,单纯A7D,单纯D/A,DAC 回放).这为PCSBP独立工作提供了界面软件的支持. 20海洋技术第16卷 6使用结果 PCSBP先后在浅水域和5300m的深海水域使用中获得了较好的结果. 图2是本仪器在舟山群岛海域的浅海试验结果. 图2黄岛簿域走航数据 图3太平洋5300m深海试验数据 第3期.'脉冲压缩式浅地层剖面仪(PCSBP)2l 该海域地形复杂,底质较硬.PCSBP与一台486微机配套成为一台独立通用的浅地层剖 面仪.PCSBP的换能器通过船上的深井.用钢架固定在距船底3m的水中.PCSBP的电子部分 放在船舱的计算机旁边,通过一根长30m的屏蔽电缆与换能器相联.船身吃水约3m,行船噪 声较大.在上述条件下,我们仍然获得了满意的结果 图2是本仪器在舟山群岛外的黄兴岛海域的走航数据,航速为6kn.通过采到的泥样观察 发现,底质较硬.试验时该海域涌较大,船体晃动最大达土8..在这种条件下,本仪器仍能正常 工作,并且成图层次明显.最大穿透深度约20m. 通过渡形分析可以看出,在所碍到的实验数据中,无"鬼影"和余振的干扰.成图质量较高. PCSBP安装在6OOOm无缆洋底探测系统中后,在太平洋夏威夷附近海域成功地进行了深 海试验,在5300m的深度上获得了高质量的浅剖声图(见图3).受到了参加海试工作的中俄专 家的一致好评,认为其技术指标达到了当今国际先进水平. 目前,国际上只有少数厂家能生产类似产品,如Datasonics公司和EG8公司.与Data — sonics公司的产品在相近海域的实验结果相比,PCSBP的浅剖声图质量与其相当. 7结论 实验结果表明,"脉冲压缩式浅地层剖面仪"性能优良,工作可靠,应用灵活,达到了 当今国 际先进水平,N*bT国内该技术的空白,将在海洋资源勘探等方面得到广泛应用. 参考文献 I 1AugustM,Rigacxek.PrinciplesofHigh--ResolutionRadar' _ 2MarcD?Parent.Linear--SweptFM(Chirp)SonarSodlcorImagingSystem.SOaTechnology.June1993 P49—55: ThePulseCompressionSub—BottomProfiter ChelaZhou,PanFeng,Zhangxiangjun (InstitutedAcoustic,Academiasin证a) Abstract ThePCSBP(Pul~compressionSub—BosomPr6filer)orChinpSub—Bott0mprofilerhas beendevelopedbytheInstituteofAcoustic,AcademiaSinica,Beiiing,whmhhascaughtwith the internat~dnaladvencedleve1.Bothbottomtrdnsmitdepthandbottomresolutionareincreas ed.The quantitativemeasurementmakestheprofilerverysfiitableforthequdntitafiVeresearchofthe var— iouscharacteristicsofoceanboteoms.Thepaperintroducestheprinciple,construction,spaci fica: tion,featureandapplications. KeywordsAcousticSub--BottomProfiler