脉冲压缩式浅地层剖面仪(PCSBP)

    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,以消除两部声呐分别工作的定位误差,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)相关匹配滤波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;

    (5)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。

    3　PCSBP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:30°～60°

    (6)最大工作深度:6000m

    (7)整机功耗:25W

    4　PCSBP的结构及关键技术

    目前,我们研制的PCSBP工作在“6000m无缆自治洋底探测系统”上,是在洋底探测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。