一种基于相控参量阵技术的海底复杂地形下浅地层剖面的测量方法及浅地层剖面仪与流程

本发明涉及海洋地球物理探测、船载声学浅地层剖面测量、非线性相控水声探测，特别是涉及一种基于相控参量阵技术的海底复杂地形下浅地层剖面的测量方法及浅地层剖面仪。

背景技术：

1、船载深水浅地层剖面仪是海洋浅表层地质探测的核心地球物理设备，核心原理为利用声波在海水、海底沉积层、基岩不同声学介质分界面的反射特性，通过采集分析反射回波信号，反演海底水深、地层分层结构、沉积物属性、浅埋障碍物及地质构造特征，是现阶段连续、高效开展海洋浅地层探测的主流设备。

2、目前船底固定式深水浅地层剖面仪主要分为两大技术体系，分别为基于线性声学原理的线性低频声呐与基于非线性声学原理的参量阵地质声呐，两类技术各有优劣，广泛应用于常规平缓海底探测作业。具体地：

3、1、线性低频声呐系统：工作频率覆盖0.5~12khz，依靠大张角波束形成较大的海底探测脚印，可通过散射信号覆盖部分起伏地形，但波束旁瓣显著、能量发散，仅能采集少量散射声波，复杂地形探测效果极差。同时，若通过增大阵列尺寸优化波束指向性，需搭建数米级巨型换能器阵列，设备重量大、安装成本高、船舶适装性差，难以规模化应用。

4、2、参量阵地质声呐系统：基于海水非线性声学效应，通过两路高频原频声波耦合生成0.5~6khz低频差频探测信号，天然具备波束指向性尖锐、无明显旁瓣、阵列尺寸紧凑的核心优势。船底固定安装的参量阵设备无需拖曳结构，可保障船舶机动性，在低噪声、良好海况下，可支持10节以上船速完成高精度地层探测，是当前高精度浅剖设备的主流发展方向。

5、3、相控阵水声基础技术：通过对阵元收发信号施加独立相位延时，实现波束二维电子偏转，可补偿船舶航行过程中的横摇、纵摇姿态偏差，已在多波束测深、三维声呐探测设备中成熟应用，但现有技术仅针对载体姿态进行波束补偿，未结合海底地形特征动态调控波束指向，无法适配复杂起伏海底探测场景。

6、国外浅地层剖面探测技术起步早、产业化成熟，主流商用设备均采用固定波束探测模式，无地形自适应波束调控能力，代表性产品及专利如下：

7、1、edgetech sbp系列、syqwest bath-2010线性浅地层剖面仪：采用固定宽张角波束设计，无电子相控偏转功能，仅依靠海底散射信号采集复杂地形数据，发射端无法实现海底垂直入射，接收端无定向波束聚焦能力，收发两端均存在严重能量损耗，大水深、大起伏地形下频繁出现底跟踪丢失、地层分层模糊问题，仅适用于平缓海底基础探测。

8、2、kongsberg topas ps18参量阵系统：固定式单波束参量阵设备，波束垂直向下固定发射，仅可补偿船舶基础姿态偏差，无法识别海底地形坡度变化，倾斜海底探测时波束斜入射严重，回波信噪比大幅衰减，仅能通过后期数据校正优化成像效果，无法从源头提升探测质量。其线性sbp系列虽引入接收波束形成技术，但换能器尺寸庞大、重量极高，实际工程应用极少。

9、3、国外在先专利us9354312b2：公开了一种多频脉冲参量声呐系统，仅针对发射脉冲波形进行优化，未涉及海底地形坡度解算、收发波束同步垂直校正技术，无复杂地形自适应探测闭环逻辑，与本发明技术方案差异显著。

10、另一方面，国内参量阵浅剖技术近年快速发展，但现有专利及产品多聚焦硬件优化、事后数据校正、单一波束算法优化，暂无完整的地形自适应波束闭环调控技术，核心在先技术缺陷如下：

11、1、例如中国专利cn115932973a，海底参量阵浅地层剖面测量校正方法，上述专利仅针对采集完成的原始剖面数据进行姿态、定位事后校正，属于后端数据处理手段，无法解决复杂地形下回波原始信号弱、信噪比低的核心问题，数据精度提升有限。

12、2、例如中国专利cn113406701a，一种基于参量阵的原位浅剖系统，上述专利采用固定式参量阵硬件结构，无相控波束偏转模块，无地形坡度实时解算与自适应调控流程，仅适用于静态原位探测，无法适配船载动态走航复杂地形探测场景。

13、3、例如中国专利cn202410800742、cn117111140a等相控阵相关专利，上述专利仅研究单一波束加权算法、三维扇面扫描成像，未融合水深、姿态、定位多源数据解算地形坡度，波束偏转仅用于拓宽探测覆盖范围，无垂直海底入射的精准调控逻辑，无法解决复杂地形探测核心痛点。

14、4、现有多波束参量阵探测专利，多聚焦发射系统优化、合成孔径成像，存在收发系统分离、无地形自适应匹配机制的缺陷，无法实现收发波束同步适配海底地形的一体化调控。

15、结合国内外现有技术及专利现状，现有浅地层剖面探测设备在复杂海底地形探测场景下，存在系统性技术缺陷，且暂无有效解决方案，具体如下：

16、1、发射端能量损耗严重，探测信号有效性低：传统固定波束浅剖设备波束垂直向下固定发射，面对海山、海沟、陡坡等倾斜海底时，波束无法正入射海底界面，声波发生大量镜面散射并偏离接收阵列覆盖范围，导致海底基底回波、浅层地层反射信号能量大幅衰减。且水深越大，波束脚印几何偏移越显著，信号损耗问题越突出，地层有效反射信号几乎无法识别。

17、2、接收端无定向聚焦能力，信噪比持续劣化：现有设备未配置地形适配的接收波束形成机制，倾斜海底回波从非法线方向入射阵列，无法聚焦有效回波能量，大部分地层探测信号丢失；仅依靠全向接收采集微弱散射信号，叠加海洋环境噪声、波束旁瓣杂波后，信号信噪比急剧下降，最终导致地层分层模糊、剖面成像失真。

18、3、无地形-姿态融合调控机制，无法自适应作业：现有设备波束补偿仅针对船舶自身横摇、纵摇姿态，无法区分“船舶姿态倾斜”与“海底地形倾斜”两类干扰因素，不能动态修正波束指向角度，无法实现复杂地形下波束垂直收发。同时无外部水深数据联动量程自适应配置功能，依赖人工参数调试，无法实现无人值守自主探测。

19、4、高性能方案工程实用性差：现有可优化探测精度的线性窄波束方案，依赖数米级巨型换能器阵列，设备体积大、重量沉、功耗高、安装改造难度大，船舶适装性与经济性极差，无法规模化推广应用。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供一种构建多源数据融合算法、融合水深、姿态、定位数据实时解算海底局部坡度、精准区分载体姿态偏差与海底地形倾斜干扰、实现波束偏转角度精准计算的基于相控参量阵技术的海底复杂地形下浅地层剖面的测量方法及浅地层剖面仪。为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

2、一种基于相控参量阵技术的海底复杂地形下浅地层剖面的测量方法，包括以下步骤：

3、s1、量程自适应配置，通过预设接口实时接入外部测深仪的水深数据，根据实时水深数据自动配置浅地层剖面的探测量程及信号增益参数；或

4、无外部测深仪的水深数据时，调取海图先验水深、或历史测量的水深数据来预配置探测量程；

5、s2、地形坡度融合解算，控制相控参量阵发射原频脉冲，以完成实时底跟踪，采集当前探测周期的海底水深数据，并同步获取船舶mru姿态数据与gnss定位数据，融合相邻周期的水深变化、船舶航迹距离、姿态偏移量，来解算海底局部二维坡度，并区分船舶姿态倾斜与海底地形倾斜，最终输出地形坡度修正角；

6、s3、发射波束垂直调控，将步骤s2所得的地形坡度修正角与船舶姿态偏移角相互叠加，得到总发射偏转角度，通过数字发射波束形成技术对相控阵列的各阵元施加独立的相位延时，控制原频发射波束垂直入射倾斜海底，两路原频声波经海水非线性耦合生成0.5~6khz差频探测波束并同步跟随偏转；

7、s4、接收波束定向聚焦，基于同一探测周期的海底坡度与姿态数据计算接收偏转角度，通过数字波束形成技术生成与发射波束同指向的定向接收波束，定向采集垂直海底反射的原频回波与差频地层回波；

8、s5、信号处理与成像，对差频地层回波进行滤波降噪、脉冲压缩处理，结合原频高精度水深数据校正地层剖面的纵向坐标，输出二维浅地层剖面的成像数据；以及

9、船舶走航时循环执行步骤s1~s5，以实现复杂海底的连续探测。

10、在采用上述技术方案的基础上，本发明还可采用以下进一步的技术方案：

11、所述步骤s2中的相控参量阵采用16×8或32×4二维蘑菇型纵向振动压电阵列，原频中心频率为18khz，阵元按半波长间距布阵，横摇偏转范围为±20°，纵摇偏转范围为±10°，配置128路独立大功率发射机与128路接收预调理电路。

12、所述步骤s2中的海底局部坡度解算方式至少包括：外部多波束实时水深解算、设备自身原频底跟踪水深逐点解算、海图/历史测量数据插值估算。

13、所述步骤s3中的原频波束张角为±2°，耦合生成的差频探测波束张角≤±3°，波束无栅瓣、无声学旁瓣。

14、步骤s3中的0.5~6khz差频探测波束可采用船载大尺寸线性低频二维相控阵列直接发射0.5~6khz低频探测波束，并根据s1~s5的步骤来进行完整地形自适应波束调控流程，以实现复杂海底浅地层剖面探测。

15、另一方面，本发明同时还提供以下技术方案：

16、一种浅地层剖面仪，用于实现如上述的基于相控参量阵技术的海底复杂地形下浅地层剖面的测量方法，包括相互电性相连的：二维tonpilz压电相控阵列、128路大功率原频发射机、数字发射波束形成单元、128路接收预调理电路、dbf接收波束形成模块、多源数据融合工控单元、mru姿态传感器、外部测深仪数据接口、信号成像处理单元；

17、所述多源数据融合工控单元内置坡度解算与波束偏转角融合算法，分别向发射波束形成单元、dbf接收波束形成模块输出相位延时控制指令，以实现波束地形自适应闭环调控。

18、所述二维tonpilz压电阵列可为环形共形相控阵元，以保持半波长布阵结构与同等波束偏转范围，从而适配船体曲面安装场景。

19、具体地，二维tonpilz压电相控阵列：采用16×8或32×4阵列布局，原频中心频率18khz，所有阵元、基元均采用半波长间距布阵，彻底消除波束栅瓣；可实现roll方向±20°、pitch方向±10°二维波束偏转，覆盖绝大多数海底地形坡度与船舶姿态变化范围，阵列尺寸紧凑，适配各类中小型船舶、无人艇船底安装。

20、具体地，128路大功率发射机系统：独立多路驱动架构，可实现原频声源级≥240db的高声源级发射，可在海水介质中稳定激发非线性声学效应，生成0.5~6khz宽带cw/chirp差频探测信号，兼顾测深与地层探测双重功能。

21、具体地，数字发射波束形成单元：支持128路阵元独立相位延时调控，可根据地形、姿态数据实时计算偏转相位，实现发射波束精准二维偏转。

22、具体地，128路接收预调理电路：同步采集原频测深回波与差频地层回波，完成信号放大、滤波、降噪预处理，保障原始信号完整性。

23、具体地，dbf数字接收波束形成模块：可根据实时地形坡度动态生成定向接收波束，实现斜向地层回波空间聚焦，抑制环境杂波与旁瓣噪声。

24、具体地，多源数据融合工控单元：核心控制单元，内置坡度解算、波束偏转角融合算法，实时接入外部数据并输出精准相位控制指令，实现全流程闭环调控。

25、具体地，mru姿态传感器、外部测深仪接口：分别采集船舶pitch、roll、heave姿态数据与多波束/单波束实时水深数据，为波束调控、量程自适应提供数据支撑。

26、具体地，信号滤波成像处理单元：完成回波信号二次降噪、脉冲压缩、坐标校正，输出高精度浅地层剖面成像数据。

27、与现有技术相比，本发明能达到的有益效果是：

28、1、探测精度大幅提升，彻底解决行业痛点：通过波束垂直入射+定向聚焦接收的双向优化，彻底消除复杂地形下声波散射损耗，同等海况与水深条件下，地层回波信噪比提升15~30db，可清晰识别海山、海沟区域5~8m浅层沉积层结构，彻底解决传统设备底跟踪丢失、地层分层模糊、成像失真的问题。

29、2、设备小型化，工程适配性极强：依托非线性参量阵技术，以紧凑的128路阵列替代数米级巨型线性阵列，设备体积、重量仅为同性能传统窄波束系统的1/5，无需改造船舶结构，可适配各类调查船、无人艇船底固定安装，不影响船舶机动性，支持10节以上高速走航作业。

30、3、全自动无人值守作业，作业效率大幅提升：实现水深自适应量程配置、地形坡度实时解算、波束动态调控全自动化运行，无需人工实时调试参数，适配长航时、大范围无人海洋探测作业，大幅降低人力成本与作业风险。

31、4、技术差异化显著，规避专利壁垒：区别于现有事后数据校正、固定波束扫描、单一算法优化的在先专利，本发明独创“多源数据融合坡度解算-发射波束垂直入射-接收波束定向聚焦”全闭环物理调控技术，从信号收发源头优化探测质量，技术手段、实现原理、应用场景均与现有专利形成本质差异，无新颖性、创造性冲突。

32、5、场景全覆盖，通用性极强：可同时适配平缓海底、陡坡、海山、海沟、断崖等全类型海底地形，兼顾浅水近岸、千米级大水深探测需求，一套设备可覆盖海洋工程勘察、大洋科考、水下考古、资源勘探等多类应用场景。