全方位数字宽带多波束渔用声呐研制

作     者：李国栋 汤涛林 张玉涛 王志俊 程婧 尹项博 魏珂 杨航 杨育红 LI Guodong;TANG Taolin;ZHANG Yutao;WANG Zhijun;CHENG Jing;YIN Xiangbo;WEI Ke;YANG Hang;YANG Yuhong

作者机构：中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所上海200092 

出 版 物：《农业工程学报》 (Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering)

年 卷 期：2024年第40卷第4期

页      面：82-90页

核心收录：

学科分类：0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 0908[农学-水产] 08[工学] 070206[理学-声学] 09[农学] 0810[工学-信息与通信工程] 090802[农学-捕捞学] 082403[工学-水声工程] 0804[工学-仪器科学与技术] 0835[工学-软件工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 0702[理学-物理学] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

基　　金：国家自然科学基金资助项目(32073026) 海南省科技计划三亚崖州湾科技城科技创新联合项目(2021CXLH0004) 崂山实验室科技创新项目(LSKJ202201801) 

主　　题：渔业 声呐 多波束宽带 Delta-Sigma调制 

摘      要：针对远洋渔业捕捞作业过程中对于高效、高精度探测扫海的需求,该研究结合全方位数字宽带多波束技术具有长距离、高分辨率目标探测的特点,采用宽带技术和多波束技术抑制界面混响、体积混响的干扰,及提升探测目标分辨率,提出一种基于可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)的分布式信号处理系统架构,实现多个扇区独立探测扫海,通过水声学理论仿真分析方法,确定影响系统性能的换能器阵尺寸、最大探测距离和最优工作频点3个主要参数之间的相互制约关系,并结合国内典型渔船现状确定渔用声呐关键参数,优选探测信号频段为20~30 kHz。进一步分析噪声、界面混响、体积混响对探测性能的影响,采用基于FPGA的“并行+串行宽带波束成形实现算法方案,使运算过程中片上存储资源使用量降低90%;采用Delta-Sigma调制技术提升发射信号信噪比,将20~30 kHz内的噪声调整到50 kHz以上频段;提出基于两点递推插值一步预测的波束稳定改进算法,实现在渔船大幅度摇摆下实时波束稳定误差小于1.6°(-0.8°~+0.8°)。研制渔用声呐圆柱型换能器阵、高集成度接收机和发射机、256通道多通道信号处理机等核心部件,并进行系统集成,最终系统实现256个独立的接收和发射通道,支持20~30 kHz频段信号,具备水平360°全方位及垂直近70°的扫描探测能力。选择远洋围网渔船进行海上试验,结果表明:系统性能稳定,环境目标探测结果清晰连续,对目标强度为0 dB鱼群的探测距离达到1550 m以上。所研制的全方位数字宽带多波束声呐关键指标满足海洋渔业捕捞场景需要,可大幅度提升渔业捕捞探测性能,为下一步大规模自主量产奠定基础。