CN100492051C

CN100492051C - 多功能水声测距仪

Info

Publication number: CN100492051C
Application number: CNB2006101510100A
Authority: CN
Inventors: 梁国龙; 付进; 刘俊; 王燕; 张光普
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2006-11-10
Filing date: 2006-11-10
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2026-11-10
Also published as: CN1996048A

Abstract

本发明提供了一种能够进行水下目标的跟踪、定位和导航的多功能水声测距仪，它是由水声信号处理电路板1、电源管理电路板2、液晶显示屏及键盘控制器3、外部接口4和声学换能器5组成，水声信号处理电路板1包括水声信号处理声学板6、电容板7、功放板8和底板9，液晶显示屏及键盘控制器3包括液晶显示屏13和键盘控制器14，外部接口4包括前面板15、后面板16和插座板17，前面板15和后面板16连接底板9，电源管理电路板2包括充电板10、备用电池组11和电源板12。本发明性能可靠、操作简单、维修方便，能够独立完成水声询问信号发射、水声遥控指令编码及发射控制、应答信号接收及处理、时延估计及数据传输控制等多项功能。

Description

多功能水声测距仪

(一)技术领域

本发明涉及水声测量领域，具体地说是一种水下目标跟踪、定位和导航的水声测量设备。

(二)背景技术

目前，声学定位系统(Acoustic orientation System)仍然是水下目标导航定位的主流，水声定位技术也一直是一项重要的研究课题。水下目标定位跟踪的主要手段是依赖于几何原理的水声学定位方法。在这些方法中，根据声学定位系统的基线长度，我们将水声定位系统分为3种类型：长基线定位系统(Long Base Line)、短基线定位系统(Short Base Line)和超短基线定位系统(Ultra Short Base Line)。其中，长基线定位系统(LBL)相对于短基线和超短基线定位系统有着对安装精度要求不高，无需要做大量的校准工作，在较大范围内可达到较高定位精度等优势，因此，长基线定位系统在定位系统中一直保持着其主导地位。

众所周知，长基线定位系统(LBL)的基阵长度一般在几百米到几千米，需要在海底布设3个以上的基元，以一定的几何图形组成海底定位基线阵，工作船(或被测目标)一般位于基线阵之内，通过测量目标与基元之间的距离来确定目标的坐标。测距仪则是长基线定位系统的关键控制单元之一。

迄今为止，国内现有的测距仪由于受系统复杂性、换能器工艺、功放匹配效果、水声信号处理手段等因素的制约，普遍存在着功能单一、工作频点高、工作带宽窄、作用距离近、测距精度不高以及测距数据更新率低等问题。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种能够进行水下目标的跟踪、定位和导航，并能够独立完成水声询问信号发射、水声遥控指令编码及发射控制、应答信号接收及处理、时延估计及数据传输控制等多项功能的多功能水声测距仪。

本发明的目的是这样实现的：它包括水声信号处理电路部分1、连接水声信号处理电路部分1的液晶显示屏及键盘控制器部分3和外部接口部分4、连接水声信号处理电路部分1和外部接口部分4的电源管理电路部分2和连接水声信号处理电路部分1的声学换能器部分5，水声信号处理电路部分1包括设置在底板9上的水声信号处理声学部分6、电容部分7和功放部分8，外部接口部分4包括插座板17和分别连接底板9的前面板15、后面板16，液晶显示屏及键盘控制器部分3包括设置在前面板15上的分别连接底板9的液晶显示屏13和键盘控制器部分14，电源管理电路部分2包括相互连接的充电部分10、备用电池组11和电源部分12，电源部分12连接底板9和插座板17，声学换能器部分5连接插座板17。

本发明还有这样一些技术特征：

1、所述的前面板15的接口包括数字灯36、功放灯37、内同步灯38、外同步灯39、开关1和开关2，后面板16的接口包括内同步接口40、外同步接口41、USB接口42、RS232接口43、模拟器接口44，插座板17的接口包括交流220V电源接口45和声学换能器接口46；

2、所述的水声信号处理声学部分6由晶振18、锁相环PLL19、外部数据缓存器SDRAM20、DSP处理器21、外部程序存储器FLASH22、FPGA逻辑芯片23、宽带接收机24、单通道A/D变换器25、双通道D/A变换器26、低通滤波器27及光耦28组成，晶振(18)连接锁相环PLL19连接DSP处理器21和FPGA逻辑芯片23，外部数据缓存器SDRAM20和外部程序存储器FLASH22连接DSP处理器21，宽带接收机24连接单通道A/D变换器25连接FPGA逻辑芯片23，FPGA逻辑芯片23连接双通道D/A变换器26连接低通滤波器27连接光耦28，外部接口部分4和液晶显示屏及键盘控制器部分3连接FPGA逻辑芯片23；

3、所述的电容部分7由电容组并联组成，电容组的正负极通过96位接插件连接到底板9上与电源管理电路部分2相连；

4、所述的功放部分8包括高频发射、接受电路和低频发射、接受电路，通过高频、低频两套功率放大和匹配网络与声学换能器部分5相连；

5、所述的声学部分6、电容部分7和功放部分8分别通过一对96管脚的接插件固定在底板9上，功放部分8接收电路的输出连接声学部分6的宽带接收机24的输入端，声学部分6的DA后级放大电路的输出接到功放部分8的低频发射电路的输入端，电容部分7的正负两极分别接到功放电源32的正极和功放地；

6、所述的声学换能器部分5由高频换能器和低频换能器组成，高频换能器的正负极连接功放部分8的高频发射、接收电路，低频换能器的正负极连接功放部分8的低频发射、接收电路，声学换能器部分5连接插座板17。

本发明水声信号处理电路部分1包括水声信号处理声学部分6、电容部分7、功放部分8和底板9，声学部分6、电容部分7和功放部分8分别通过一对96管脚的接插件固定在底板9上。通过底板9的连接，功放部分8接收电路的输出接到声学部分6的宽带接收机24的输入端，声学部分6的DA后级放大电路的输出接到功放部分8的低频发射电路的输入端。电容部分7的正负两极分别连接功放电源32的正极和功放地。

本发明多功能水声测距仪的供电实现了不间断供电的功能，即有220V交流供电时，系统采用交流供电工作，同时对备用电池组充电；当交流电断时，能自动切换到后备电池供电。电.源管理电路部分2主要包括功放电源32、数字电源33、模拟电源34和液晶电源35，这些电源通过底板9提供给各个用电单元。

本发明在应用过程中，除了可以通过PC机对本发明进行控制外，还可以通过键盘控制器14完成这些动作，并实时地将工作状态和结果显示在液晶显示屏13上所述的液晶显示屏13和键盘控制器14设置在前面板15上。液晶显示屏13和键盘控制器14的各个数据线及控制线连接水声信号处理声学部分6的FPGA逻辑芯片23上，液晶显示屏13的电源线接到电源管理电路部分2的液晶电源35上。

本发明多功能水声测距仪的外部接口部分4都安装在前面板15、后面板16和插座板17上。测距仪通过外部接口部分4与外界进行数据和指令的通信，并指示系统的工作状态。

本发明的声学换能器部分5由高频换能器和低频换能器组成，用于接收和发射水声信号。

本发明的有益效果有：

1、能够向海底应答器发出测距询问声信号，同时接收多组应答信号，与海底各应答器配合实现水声测距和导航定位作业；

2、能够向海底应答器发出水声遥控指令，与应答器配合实现水声数据和指令信息交互传送，实现快速自校阵和水声遥控功能；

3、能够完成与PC机之间的脉冲信息、控制指令及工作状态等信息的传送；

4、能够独立完成对应答器基本指令的操作，并实时显示本机工作参数、工作状态和指令执行情况等信息；

5、性能可靠、操作简单、维修方便。

(四)附图说明

图1是本发明多功能水声测距仪的总体组成示意图；

图2是本发明水声信号处理声学板的结构框图；

图3是本发明电源管理总体设计框图；

图4是本发明液晶显示屏控制器组成框图；

图5是本发明键盘控制器示意图；

图6是本发明前面板示意图；

图7是本发明后面板及插座示意图；

图8为本发明实施例的DSP与FLASH连接原理图；

图9为本发明实施例的DSP与SDARM连接原理图；

图10为本发明实施例的FPGA配置原理图；

图11为本发明实施例的FPGA管脚分配图；

图12为本实施例的水声信号接收及发射原理图。

(五)具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明各个部分的构造和工作流程进行详细的说明：

本实施例是由水声信号处理电路部分1、电源管理电路部分2、液晶显示屏及键盘控制器部分3、外部接口部分4和声学换能器部分5组成，水声信号处理电路部分1包括水声信号处理声学部分6、电容部分7、功放部分8和底板9，声学部分6、电容部分7和功放部分8固定在底板9上，液晶显示屏及键盘控制器部分3包括液晶显示屏13和键盘控制器14，液晶显示屏13和键盘控制器14分别连接底板9，外部接口部分4包括前面板15、后面板16和插座板17，前面板15和后面板16连接底板9，电源管理电路部分2包括相互连接的充电板10、备用电池组11和电源板12，电源板12连接底板9和插座板17，声学换能器部分5连接插座板17。

声学换能器部分5接收的水声信号进入宽带接收机24，经滤波放大后送到单通道A/D变换器25前端，由单通道A/D变换器25将模拟信号转换成数字信号。FPGA逻辑芯片23将数字信号的采集进来，并以中断的方式送给DSP处理器21，由DSP处理器21完成各个通道的信号处理，指令接收、编码及控制。另外，DSP处理器21还负责外部程序存储器FLASH22和外部数据缓存器SDRAM20的管理，以实现自身的上电自举和数据空间扩展。FPGA逻辑芯片23主要负责接口管理和逻辑控制，外部接口部分4都直接连到FPGA逻辑芯片23的通用管脚上，然后通过不同的中断通知DSP处理器21，DSP处理器21与FPGA逻辑芯片23之间的数据和指令传输通过EMIFB总线实现。FPGA逻辑芯片23负责生成需要发射的水声信号，产生的数字信号经双通道D/A变换器26转换成模拟信号，再经低通滤波器27、光耦28，最终送给功放部分8。

为了保证在发射水声信号时，电源能够提供足够大的功率，本实施例在电容部分7上并联一组电容，用于存储大量电能，电容组的正负极通过96位接插件接到底板9上，进而与功放电源32相连。

本发明工作带宽宽，所以功放部分9采用高低频分别匹配的原则，将整个工作带宽划分成两个频带(高频和低频)，通过高、低频两套功率放大和匹配网络与声学换能器部分5相连，以更好的改善负载阻抗特性，提高系统匹配效率，拓宽系统工作频带。

电源管理电路部分2包括主供电模块29、开关1和开关2，主供电模块29包括交直流转换部分、直流电源转换部分、充电电源部分和充电方式自动切换部分，充电方式自动切换部分连接开关1和开关2。本实施例中电源管理电路部分3主要生成四种电源：功放电源32、数字电源33、模拟电源34和液晶电源35。输入的交流220V电经过主供电模块29完成交直流转换和直流电压转换，生成两组电压。第一组电压经开关1控制稳压到5V后提供给数字电源33，然后数字电源33通过DC-DC电压隔离芯片产生模拟电源34和液晶电源35；液晶显示屏13需要的驱动负电压和交流110V电压，通过专用逆变换器实现。另外一组电池电压经开关2控制稳压后提供给功放部分8。备用电池采用锂离子电池，分为两组安装在机箱内。

液晶显示屏及键盘控制器部分3负责完成对海底应答器基本指令的操作，并实时显示本实施例的工作参数、工作状态和指令执行情况等信息，液晶显示屏(13)和键盘控制器(14)固定在前面板上。本实施例的液晶显示屏13采用TRULY公司的MSP-G320240DBCW-7N。图4给出了MSP-G320240DBCW-7N的具体内部结构，结合图4，键盘控制器14采用的是4*4(16键)扫描式非编码键盘，该键盘的各个按键排列成行、列矩阵形式，如图5所示。在硬件设计中，为了减小慢速液晶显示屏13和键盘控制器14对快速DSP处理器21的影响，三者之间的数据通信通过FPGA逻辑芯片23来完成，即液晶显示屏13和键盘控制器14的所有控制信号和数据信号都连接到FPGA逻辑芯片23的通用管脚上，由FPGA逻辑芯片23负责完成对按键操作的监控和处理以及液晶显示屏13的控制。当外界键盘控制器14操作时，FPGA逻辑芯片23启动按键扫描时序，去抖时序、按键编码和优先处理时序，通过电压横扫描和竖扫描的方式识别出键值，然后通知DSP处理器21，DSP处理器21将键值对应的指令或数据转化成字模数据传回FPGA逻辑芯片23，FPGA逻辑芯片23再依次传给液晶显示屏13。

本实施例的外部接口部分4都安装在前面板15、后面板16和插座板17上。前面板15的接口包括数字灯36、功放灯37、内同步灯38、外同步灯39、开关1和开关2，另外液晶显示屏13以及键盘控制器14也固定在前面板上；后面板16的接口包括内同步接口40、外同步接口41、USB接口42、RS232接口43、模拟器接口44；插座板17的接口包括220V交流电接口45和声学换能器接口46。

为了满足系统宽带接收和宽带发射的要求，本实施例声学换能器部分5由高频宽带换能器和低频宽带换能器组合而成，二者安装在同一个平台上，并通过电缆与功放部分8相应的功率放大及匹配电路的输出端相连。当声学换能器部分5置于水或密度与水相近的液体介质中时，声学换能器部分5将功放部分8传送过来的电信号转化成声信号，并通过介质向外辐射。

图8为本实施例的DSP与FLASH连接原理图，其中DSPU2B与FLASHU27的地址线经电阻R95、R94、R96、R98、R99的相连，数据线经电阻R100、R101、R102、R103相连，用以实现DSP的上电自举；拨码开关S1与电阻R85、R86、R87、R88、R89、R90、R91、R92、R36，共同实现DSP工作模式的设置；图9为本实施例的DSP与SDARM连接原理图，其中DSP器件U2A与SDARM器件U23的地址线经电阻R79、R80、R81、R83相连，数据线经电阻R69、R70、R71、R72、R73、R74、R75、R76相连，实现DSP数据空间的扩展；图10为本实施例的FPGA配置原理图，其中电容C202、C203、器件JP11、U36、电阻R178、R176、R177-3、R177-4构成FPGA器件U1C的AS下载电路；器件JP12、电容C204、电阻R179、R177-1、R177-2构成FPGA器件U1C的JTAG下载电路；图11为本实施例的FPGA管脚分配图，其中FPGA器件U1A的各个通用I/O管脚分别用作DSP地址线、数据线、中断信号线、液晶信号控制线、键盘控制线与指示灯控制线，通用I/O管脚与相应的器件相连，实现整个系统的逻辑控制和数据传输功能。图12为本实施例的水声信号接收及发射原理图，水声信号接收电路由以下5部分组成：前放JP8；电容C95、二极管D8、D12和电阻R41、R124组成的保护电路；电容C92、C93、运放U3A组成的射随电路；运放U3B、电阻R144、R132、R145组成的一级放大电路；电容C98、C99、运放U4A、电阻R38、R172组成的二级放大电路。电容C4、C5、C54、C6、C7、C10、电阻R7、R8、R23和运放U6A、U12、U7A组成的光耦电路和电阻R9、R11、R10、R112、R13、R26、R29、电容C8、C9、C11和运放U8A、U8B组成的放大、射随电路共同实现DA模拟信号的发射电路。

Claims

1、一种多功能水声测距仪，其特征是：它包括水声信号处理电路部分(1)、连接水声信号处理电路部分(1)的液晶显示屏及键盘控制器部分(3)和外部接口部分(4)、连接水声信号处理电路部分(1)和外部接口部分(4)的电源管理电路部分(2)和连接水声信号处理电路部分(1)的声学换能器部分(5)，水声信号处理电路部分(1)包括设置在底板(9)上的水声信号处理声学部分(6)、电容部分(7)和功放部分(8)，外部接口部分(4)包括插座板(17)和分别连接底板(9)的前面板(15)、后面板(16)，液晶显示屏及键盘控制器部分(3)包括设置在前面板(15)上的分别连接底板(9)的液晶显示屏(13)和键盘控制器部分(14)，电源管理电路部分(2)包括相互连接的充电部分(10)、备用电池组(11)和电源部分(12)，电源部分(12)连接底板(9)和插座板(17)，声学换能器部分(5)连接插座板(17)。

2、根据权利要求1所述的多功能水声测距仪，其特征是：所述的前面板(15)的接口包括数字灯(36)、功放灯(37)、内同步灯(38)、外同步灯(39)、开关1(30)和开关2(31)，后面板(16)的接口包括内同步接口(40)、外同步接口(41)、USB接口(42)、RS232接口(43)、模拟器接口(44)，插座板(17)的接口包括交流220V电源接口(45)和声学换能器接口(46)。

3、根据权利要求1所述的多功能水声测距仪，其特征是：所述的水声信号处理声学部分(6)由晶振(18)、锁相环PLL(19)、外部数据缓存器SDRAM(20)、DSP处理器(21)、外部程序存储器FLASH(22)、FPGA逻辑芯片(23)、宽带接收机(24)、单通道A/D变换器(25)、双通道D/A变换器(26)、低通滤波器(27)及光耦(28)组成，晶振(18)连接锁相环PLL(19)，锁相环PLL(19)连接DSP处理器(21)和FPGA逻辑芯片(23)，外部数据缓存器SDRAM(20)和外部程序存储器FLASH(22)连接DSP处理器(21)，宽带接收机(24)连接单通道A/D变换器(25)，单通道A/D变换器(25)连接FPGA逻辑芯片(23)，FPGA逻辑芯片(23)、双通道D/A变换器(26)、低通滤波器(27)、光耦(28)依次连接，外部接口部分(4)和液晶显示屏及键盘控制器部分(3)连接FPGA逻辑芯片(23)。

4、根据权利要求1所述的多功能水声测距仪，其特征是：所述的电容部分(7)由电容组并联组成，电容组的正负极通过96位接插件连接到底板(9)上与电源管理电路部分(2)相连。

5、根据权利要求1所述的多功能水声测距仪，其特征是：所述的功放部分(8)包括高频发射、接受电路和低频发射、接受电路，通过高频、低频两套功率放大和匹配网络与声学换能器部分(5)相连。

6、根据权利要求1所述的多功能水声测距仪，其特征是：所述的声学部分(6)、电容部分(7)和功放部分(8)分别通过一对96管脚的接插件固定在底板(9)上，功放部分(8)接收电路的输出连接声学部分(6)的宽带接收机(24)的输入端，声学部分(6)的DA后级放大电路的输出接到功放部分(8)的低频发射电路的输入端，电容部分(7)的正负两极分别接到功放电源(32)的正极和功放地。