摘要：多波束测深系统被广泛应用于海洋工程测量、海底资源测量、航道测量、疏浚测量以及各类水文水利水下地形测量等领域,现已成为海洋勘测不可或缺的设备之一。多波束测深系统显控软件主要实现了多波束测深设备控制和状态监控、海底数据的多维度显示以及数据的采集、记录和回放等功能,是多波束测深系统的指挥控制与显示中枢。

　　关键词：多波束；测深；显控软件

　　0引言

　　针对多波束测深系统动态实时测深精度、尺寸、装配等要求,综合考虑多波束测深仪波束扫描、水下信号发射/接收、信息采集及后处理系统,集成全姿态运动补偿技术及反馈监测模块,结合声速剖面仪、定位系统等辅助部件,依据保证统一性、稳定性、互换性的设计原则,本文开展了多波束测深系统显控软件模块化设计,在满足测深系统宽覆盖、深量程、可视化功能的前提下,通过模块化设计、标准化接口等环节显著提高工业化水平。

　　1概述

　　多波束探测系统[1]由湿端和干端组成,如图1所示。湿端包括发射换能器基阵和接收换能器基阵,干端包括显控软件、后处理成图软件以及外部辅助设备。外部辅助设备包括GPS（提供定位数据）、惯导（提供罗经姿态数据）、表面声速仪（提供声速）、声速剖面仪等。显控软件是全海深多波束测深仪指挥控制中枢,主要功能是接收信号处理软件的输出数据并完成屏幕显示、图像数据的记录和回放、参数设置和人机交互等。多波束测深系统显控软件通过网络接口与系统各设备连接,对各设备的状态参数进行调整控制,同时负责接收声纳系统各设备的数据文件,并将关键数据和图像显示在用户界面。

　　2软件功能

　　针对全海深测深系统[2]动态实时测深精度、尺寸、装配等要求,综合考虑多波束测深仪波束扫描、水下信号发射/接收、信息采集及后处理系统,集成全姿态运动补偿技术及反馈监测模块,结合声速剖面仪、定位系统等辅助部件,依据保证统一性、稳定性、互换性的设计原则[3],开展多波束测深系统模块化装配设计研究,新的波束扫描技术可完全进行艏摇、纵摇、横摇的运动补偿,同时具有宽覆盖海深测量、浅水近场聚焦、灵活的等角/等距接收波束、多ping等功能。在满足全海深测深宽覆盖、深量程、可视化功能的前提下,通过模块化设计、标准化接口等环节显著提高工业化水平[4]。显控软件主要功能如下。

　　2.1通信功能

　　通过网络接口板实现与水下分机之间的数据、命令、参数和工作状态等信息的交互；预留对外互联的以太网络接口、串行接口等；能为水下预处理模块提供发射信号（包括延迟时间）及接收信号。

　　2.2测深信息可视化显示功能

　　实现对海底地形地貌数据和历史数据的可视化显示,能生成并实时显示水深、海底地形地貌图等数据；具有中央波束深度、水体数据输出功能；以海底瀑布图、水体图、海底检测线3D图、海底侧扫图等可视化显示形式呈现测量结果。

　　2.3设备控制和状态监控功能

　　具备状态管理、自检测试和故障报警功能。设备控制实现工作方式设置、工作参数设置、功能指令设置、显示画面切换、外同步触发监测等功能；状态监控包括姿态数据的时间延迟,换能器阵列的相对位置,导航天线位置,姿态传感器的安装角度和位置,发射机、接收机、惯导、GPS的连接状态。

　　2.4数据采集功能

　　主要包括惯导、GPS、发射机、接收机的数据采集,如时间、经纬度、ping数目、表面声速、深度、条带宽度、有效波束数、横摇角、俯仰角、航向、接收增益实时数据等。

　　2.5数据记录与回放功能

　　主要包括原始数据记录、处理后数据记录与回放等。

　　按照标准格式对多波束数据进行处理,满足后续处理软件处理要求。

　　2.6文件管理功能

　　主要包括工程项目、参数文件的新建、打开、保存等。

　　文件管理具备访问权限功能,保障数据安全。

　　3通信功能

　　考虑到多波束测深系统实时性的需要,设计中采用基于UDP协议的三层以太网协议进行数据传输。多波束测深系统显控软件和发射机、接收机、记录仪之间通过千兆以太网UDP协议交换机通信。显控下行发射机、接收机、记录仪报文采取点播方式,实现各设备工作状态控制；发射机、接收机、记录仪各设备上行报文采取组播方式,实现各设备工作状态和接收数据的传输。显控CPU和处理单元GPU内部交互方式为,由显控CPU接收来自接收机的原始数据并进行解码处理,随后将解码后的阵元数据按周期性时序传输至GPU进行并行计算；GPU完成单周期数据处理后,将结果回传至显控CPU,最终由CPU完成可视化渲染与显示输出。

　　4测深信息可视化显示功能

　　显控软件界面主要包括操控区、参数设置区、图形显示区、状态显示区四部分。

　　界面顶部菜单栏为操控区,主要实现文件管理、工作模式选择、窗口管理图形选择、数据记录与回放、软件说明功能；左侧树状图下拉菜单为参数设置区,主要实现对发射机、接收机、处理、环境系统的参数设置；中间为图像显示区,主要显示海底瀑布图、海底侧扫图、水体图、海底检测3D图；右侧为状态显示区,主要显示中央水深、导航状态（惯导、GPS、SVS状态）、多波束设备状态、文件记录状态。

　　海底侧扫图：侧扫显示；

　　水体图：水体探测显示；

　　海底瀑布图：二维角度展示海底检测图；

　　海底检测线3D图：三维角度展示海底检测图；

　　参数显示区：由姿态信息、GPS信息、声速和导航信息组成,主要包括横滚、俯仰、经纬度、条带、扇面、表面声速、航速、接收增益、波束数量、时间、导航状态显示等。

　　5设备控制和状态监控功能

　　5.1设备控制

　　操控界面实现工作方式设置、工作参数设置、功能指令设置、显示画面切换、外同步触发监测等功能。

　　功能指令区：设置参数并下发同步信号,对显示图形、工作模式、系统工作能量、脉宽选择、增益、等角/等距模式、发射Ping率大小、开角大小、信号形式、条带数量、扇面数量、深度模式进行控制,实现数据记录、场景记录、数据回放、声纳自检、同步参数、显示水文信息等。

　　5.2状态监控

　　采集惯导、GPS、发射机、接收机的数据,如时间、经纬度、ping数目、表面声速、深度、条带宽度、有效波束数、横摇角、俯仰角、航向、接收增益、连接状态等；对发射机、水下接收机通道进行自检,能够接收水下接收单元自检波形。实现了系统发射机、接收机、换能器及数据采集传输、数据转接等模块的检测功能。水下分机接收到自检指令后,由传输控制模块发出信号,通过接收机A/D采集各模块响应信号,将这些反馈信号通过光缆传输到干端信号转接板,再传输至显控模块。

　　6数据采集功能

　　数据采集功能主要包括惯导、GPS、发射机、接收机的数据采集,如时间、经纬度、ping数目、表面声速、深度、条带宽度、有效波束数、横摇角、俯仰角、航向、接收增益实时数据获取等。

　　多波束测深系统显控软件采集计算机发送启动工作指令到接收控制单元；接收控制单元接收到指令后,形成发射控制信号,并将该信号传输到发射控制单元；发射控制单元接收到控制信号后,其内部的电容板根据控制信号的参数进行放电并将放电能量通过发射接线盒传输到发射换能器模块处；发射换能器模块将发射控制单元释放的电信号转变成声信号向外发射出去；海底反射的声信号被接收换能器接收；接收换能器将接收到的信号转变成电信号并传输到接收接线盒；接收接线盒对信号进行预处理及放大,随后传输到接收控制单元；接收控制单元将信号进行进一步放大及处理后,将该信号传输到数据采集计算机进行数据记录。

　　7数据记录与回放功能

　　数据的记录与回放功能主要包括原始数据的记录、处理后数据的记录与回放。原始数据体量较大,故采用记录仪记录方式收集,通过多波束测深显控软件控制数据仪的数据与回放功能。按照标准格式对多波束数据进行处理后的数据量较小,故可采用本地硬盘记录的方式,方便后续回放与数据分析。

　　8文件管理功能

　　依据保证统一性、稳定性、互换性的设计原则,同时为了便于人员操作多波束测深系统显控软件,通过文件管理功能对已有的文件、项目进行新建、打开、保存等操作,保存需要的设置和文件,大大地降低了工作流程的冗余性。同时具备访问权限功能,能兼顾保障数据安全。

　　9结语

　　本文介绍了多波束测深系统显控软件设计,该软件能够实时采集测深信息并以可视化形式呈现测量结果,具备可扩展性、实时性、统一性、稳定性、互换性,在深海海底地形测绘、海底构造研究、海洋资源探测、天然气水合物探测、地球物理探测等领域具有一定的应用价值。

参考文献

　　[1]李海森,周天,徐超.多波束测深声纳技术研究新进展[J].声学技术,2013,32(2):73-80.

　　[2]JIANHU Z,JINGNAN L.Development of Method in Precise Multibeam Acoustic Bathymetry[J].Geo-spatial Information Science,2003(6):71-74.

　　[3]巫琴.成像声纳数据传输和显控软件的设计与实现[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2011.

　　[4]张小平.高分辨率多波束成像声呐关键技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2013.