CN104483010A - 一种激光干涉接收式水声应答器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光干涉接收式水声应答器，包括壳体、电源模块、水声检测模块、信号调理模块、信号处理模块、放大整形模块、增益调节模块、功率放大模块和回发换能器；水声检测模块、信号调理模块、信号处理模块、放大整形模块、增益调节模块、功率放大模块和回发换能器依次连接；电源模块分别与上述其他模块和回发换能器连接；壳体水密封且所有上述模块安装在壳体的内腔中。本发明具有线性响应特性，检测的水声信号幅度与输出的信号大小成线性关系，有效地避免了压电陶瓷固有的非线性响应，同时还具有检测范围宽、检测精度高的优点，可以用于远距离水声定位系统、水下石油勘探二次定位等技术领域。

Description

一种激光干涉接收式水声应答器

技术领域

本发明涉及一种激光干涉接收式水声应答器。

背景技术

随着海洋资源的开发利用和对海洋环境研究的深入,水下目标定位的应用越来越广泛。无论是在长基线,短基线或超短基线定位系统中,水声应答器是关键部件之一,它可以根据整个定位系统的需要,控制水下传感器以提供目标的测试数据。海洋环境水声信道的有很多复杂环境因素，如强噪声、强起伏、多径干扰、多普勒频移,因此对水声应答器的精度,可靠性,功耗等都有特殊要求，然而传统压电陶瓷接收式水声应答器存在非线性响应的缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种激光干涉接收式水声应答器。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种激光干涉接收式水声应答器，包括壳体、电源模块、水声检测模块、信号调理模块、信号处理模块、放大整形模块、增益调节模块、功率放大模块和回发换能器；

水声检测模块、信号调理模块、信号处理模块、放大整形模块、增益调节模块、功率放大模块、回发换能器依次连接；

电源模块分别与水声检测模块、信号调理模块、信号处理模块、放大整形模块、增益调节模块、功率放大模块、回发换能器连接；

壳体水密封且电源模块、水声检测模块、信号调理模块、信号处理模块、放大整形模块、增益调节模块、功率放大模块和回发换能器安装在壳体的内腔中。

作为优选，水声检测模块包括光学单元和电子单元；

光学单元包括激光器、光准直器、分光棱镜、测量反射镜、振动膜、透镜、第1参考反射镜、第2参考反射镜、相位补偿压电陶瓷、相位调制压电陶瓷；氦氖激光器发出单频激光经准直仪投射到分光棱镜上，再经分光棱镜将入射光线分成第一束光和第二束光，第一束光通过透镜照射到置于透镜焦点处的测量反射镜上，此光束再由测量反射镜反射，经过透镜后，以与原入射光束平行方向返回到分光棱镜上；第二束光入射到固定在相位补偿压电陶瓷上的第2参考反射镜后，反射到另一个固定在相位调制压电陶瓷上的第1参考反射镜上，再由第1参考反射镜反射回分光棱镜；返回到分光棱镜的第一束光和第二束光合并后照射到光电二极管并产生电信号；测量反射镜与振动膜固定连接；

电子单元包括光电二极管、谐振放大器、同步解调器、延迟单元、主频发生器、功率放大器、差分集成放大器组、记录系统；光电二极管、信号谐振放大器、谐振放大器、同步解调器、差分集成放大器组、记录系统、信号调理模块依次连接；

相位调制压电陶瓷依次与功率放大器、主频发生器、延迟单元、同步解调器连接；相位补偿压电陶瓷连接到差分集成放大器组。

作为优选，激光器为稳频氦-氖激光器。

作为优选，信号调理模块包括一个前置滤波与放大单元、两个窄带滤波单元、两个放大与包络检波单元、两个自适应门限比较器单元、一个与非门；前置滤波与放大单元分两路分别连接一个窄带滤波单元；所述一个窄带滤波单元、一个放大与包络检波单元、一个自适应门限比较器依次连接，然后两个自适应门限比较器通过一个与非门连接到信号处理模块，另外两个自适应门限比较器也同时连接到信号处理模块。

作为优选，信号处理模块包括单片机；单片机为AVR Mega16单片机。

作为优选，电源模块包括锂电池和电源转换电路；锂电池通过电源转换电路为水声检测模块、信号调理模块、信号处理模块、放大整形模块、增益调节模块、功率放大模块和回发换能器提供工作电压和工作电流。

作为优选，壳体为不锈钢圆筒。

本发明的有益效果是：

本发明具有线性响应特性，检测的水声信号幅度与输出的信号大小成线性关系，有效地避免了压电陶瓷固有的非线性响应，同时还具有检测范围宽、检测精度高的优点，可以用于远距离水声定位系统、水下石油勘探二次定位等技术领域。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明激光干涉接收式水声应答器实施例的结构示意图。

图2是本发明激光干涉接收式水声应答器实施例的水声检测模块结构图。

图中，1-稳频氦-氖激光器，2-光准直器，3-分光棱镜，4-透镜，5-测量反射镜，6-振动膜，7-第1参考反射镜，8-第2参考反射镜，9-相位调制压电陶瓷，10-相位补偿压电陶瓷。

图3是本发明激光干涉接收式水声应答器实施例的信号调理模块结构图。

图4是本发明激光干涉接收式水声应答器实施例的信号处理系统主程序流程图。

图5是本发明激光干涉接收式水声应答器实施例的信号处理系统中断服务子程序流程图。

具体实施方式

图1是一种激光干涉式水声应答器，由壳体、电源模块、水声检测模块、信号调理模块、信号处理模块、放大整形模块、增益调节模块、功率放大模块和回发换能器组成。其中水声检测模块、信号调理模块、信号处理模块、放大整形模块、增益调节模块、功率放大模块、回发换能器依次连接。

电源模块由锂电池和电源转换电路组成。锂电池通过电源转换电路为水声检测模块、信号调理模块、信号处理模块、放大整形模块、增益调节模块、功率放大模块和回发换能器提供工作电压和工作电流。

壳体为一个水密封良好的不锈钢圆桶，应答器所有部件都安装在不锈钢圆桶内部。

整个激光干涉式水声应答器可以分为前端信号接收及预处理部分、信号处理部分、脉冲回发部分这三大部分。其中水声检测模块、信号调理模块构成前端信号接收及预处理部分，中间是由信号处理模块单独构成信号处理部分，后面由放大整形模块、增益调节模块、功率放大模块和回发换能器构成脉冲回发部分。

激光干涉式水声应答器由光路部分和电子部分组成。光路部分主要完成微弱水声信号的检测，电子部分完成光电转换以及回发脉冲的生成和发射功能。

其中水声检测模块如图2所示。由振动膜6、透镜4、测量反射镜5组成的传感头部分。由稳频氦-氖激光器1发出的单频激光经光准直器2投射到分光棱镜3上，经分光棱镜将入射光线分成两束光：第一束光进入测量臂，通过透镜4照射到置于透镜焦点处的测量反射镜5上。此光束再由测量反射镜反射，经过透镜后，以与原入射光束平行方向返回到分光棱镜3上；第二束光入射到固定在相位补偿压电陶瓷10上的第2参考反射镜8后，反射到固定在相位调制压电陶瓷9上第1参考反射镜7上，再由第1参考反射镜7反射回分光棱镜3。这样两束光经测量反射镜5和第1参考反射镜7、第2参考反射镜8反射后，分别照射到分光棱镜3后重新会合并反射到光电二极管上并维持一个恒定的干涉图案。干涉图案通过光电二极管转化为电信号。电信号在信号调理模块中经过放大、过滤噪声等过程进入信号处理模块，信号处理模块对输入信号进行采集、判断和编码，然后进行脉冲输出，输出信号经功率放大后驱动压电陶瓷，由换能器压电陶瓷探头发出，实现对输入信号的应答。

上述光路部分，利用激光干涉式检测方法，采用圆形的振动膜6作为接收器的感应元件，接收器采用低功耗、小体积的稳频氦-氖激光器作为光源。

稳频氦-氖激光器作为系统光源，生成稳定的具有固定波长的激光。光准直器将发射的激光进行准直处理。分光棱镜实现对入射激光的反射和透射。

在电子部分，光电二极管接收光信号，把干涉光信号转化为电信号。谐振放大器工作在线性区间，把接收到的电信号进行放大10000倍；放大的信号频率是25kHz，放大器产生的信号正比与干涉检测模块的两个干涉臂的长度之差，避免非线性因素的影响。

主频发生器产生频率、振幅、占空比固定的(25kHz,5V)主频信号用于对光电二极管输出的干涉电信号的调制。延迟单元对来自主频发生器的主频信号产生半个波长的相移，用于对经过主频信号已调制的干涉信号的解调。这样就构成一个调制解调通信系统，可以有效避免外界低频噪声对干涉信号的影响。

功率放大器把主频信号进行放大，用来控制压电陶瓷1，达到对干涉强度图样进行调制的效果以避免低频噪声。

同步解调器，接收来自延迟单元的被延迟了半个波长的主频发生器信号，对被调制的原始干涉电信号进行解调，其产生振幅正比于输入信号相位的两路信号，得到解调后的原始干涉电信号，然后把解调后的原始干涉电信号送给差分集成放大器组。

差分集成放大器组由两级放大电路组成，其中第一级为跟随器，第二级为放大器。第二级放大器的输出信号通过升压变压器后，输出高压电信号，用来控制压电陶瓷2的振动，对光程差进行拉伸和压缩，补偿了干涉检测模块中干涉臂长之间的光程差。其中升压变压器的匝数比根据压电陶瓷的输入输出特性确定，压电陶瓷2在±λ/2(λ为激光波长)范围内来补偿干涉仪臂长之间的光程差，超出±λ/2的光程差需要进行复位。

记录系统，对差分集成放大器组的第一级跟随器的输出电压进行A/D采样。采用单片机的比较器输入端口，其采集并比较差分集成放大器组一级跟随器模块的输出电压与内部参考电压(U_ref)的大小。当一级跟随器模块的输出电压的最大值U_max＝+U_ref时，单片机输出幅值U＝U_ref周期为1ms的正复位脉冲，使差分集成放大器组的二级放大电路经过变压器输出高压信号，驱动压电陶瓷2产生相应的形变，此时对应光程差拉伸λ/2；当U_max＝-U_ref时，单片机输出幅值U＝U_ref周期为1ms的负复位脉冲，输出到差分集成放大器组的二级放大器，二级放大器经过变压器后输出高压信号，驱动压电陶瓷2产生相应形变，此时对应光程差收缩λ/2。单片机记录下正复位、负复位的次数，输出模拟信号(正比于光程差)的值计算如下：

$\mathrm{\Δl}=\frac{\mathrm{\λ}}{2}[(k_{+}-k_{-})+\frac{U}{U_{\mathrm{ref}}}]$

其中Δl是应变仪两臂光程差，λ为氦-氖激光波长，k+、k-分别是正复位、负复位的次数，U是单片机采集的差分集成放大器组一级跟随器的输出电压，U_ref是单片机内部参考电压。

海洋中的低频噪声会引起高灵敏的振动膜的微小形变，该形变可以改变迈克尔逊干涉仪的位相差，导致干涉条纹的变化，图3是本发明所提出的激光干涉式水声应答器信号调理模块结构图，主要由前置滤波器和窄带滤波器组成滤波器组以及放大检波和门限比较器组成，滤波器组主要完成信号的预处理功能；激光干涉式水声检测模块的输出信号经前置滤波、两路窄带滤波、信号放大、包络检波、自适应门限比较器，一部分进入单片机I/O口，一部分经过逻辑或非门，并与单片机中断输入端口相接，触发外部中断。自适应门限比较器的门限电压由输入电压的RC充电电路提供，门限电压是随输入电压的高低而动态变化的，调节RC充放电时常数，可以动态调整输入电压使输出电压满足单片机数据采集端口的电压要求。

脉冲回发部分由放大和整形模块、增益调节模块、开关型功率放大模块和压电陶瓷构成。脉冲回发部分主要将信号处理模块(单片机)输出的回发脉冲PWM信号经增益自动调节模块调整到发射模块要求的输入范围，经开关型功率放大模块和升压变压器后，驱动发送换能器压电陶瓷，完成脉冲回发功能。

水声检测模块中，接收部分采用激光干涉式检测方法，发射部分采用水声探头换能器(压电陶瓷)进行发射，接收到的信号经过信号预处理模块，进入信号处理系统。

信号处理模块主要由AVR Mega16单片机组成。Mega16单片机主要完成采集信号的校验、解码、判决和应答器回发信号的产生等功能。信号调理模块中的或非门模块与单片机的中断输入端口连接，其输出信号触发外部中断。

信号处理模块中装有控制软件。控制软件由主控程序和中断服务子程序构成。

单片机主程序首先进行端口初始化，初始化定时器和外部中断向量寄存器，然后开中断并进入休眠模式。等待外部中断，若发生中断则进入中断服务子程序，工作流程如图4所示。

解码和判决实施过程为，当进入中断服务子程序后，中断服务子程序采集两路脉冲信号并存储，然后判断所采集的信号是否为标识位，去除标识位之后，进行一定次数的采样(采集8次)。采集次数满足后，进行判断：若是与该应答器预置的组码相同，则单片机对将要回应的信息进行编码，该信息包含应答器的预置身份识别码，中断服务子程序软件流程如图5所示。回应脉冲编码完成后，该脉冲信号经过单片机的PWM口发出后，经功率放大器模块进行信号放大，并经变压器产生高压信号驱动换能器压电陶瓷，并由换能器声压电陶瓷探头发出振动信号，执行中断返回。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种激光干涉接收式水声应答器，其特征在于：包括壳体、电源模块、水声检测模块、信号调理模块、信号处理模块、放大整形模块、增益调节模块、功率放大模块和回发换能器；

所述水声检测模块、信号调理模块、信号处理模块、放大整形模块、增益调节模块、功率放大模块、回发换能器依次连接；

所述电源模块分别与水声检测模块、信号调理模块、信号处理模块、放大整形模块、增益调节模块、功率放大模块、回发换能器连接；

所述壳体水密封且电源模块、水声检测模块、信号调理模块、信号处理模块、放大整形模块、增益调节模块、功率放大模块和回发换能器安装在壳体的内腔中。

2.根据权利要求1所述的激光干涉接收式水声应答器，其特征在于：所述水声检测模块包括光学单元和电子单元；

所述光学单元包括激光器、光准直器、分光棱镜、测量反射镜、振动膜、透镜、第1参考反射镜、第2参考反射镜、相位调制压电陶瓷、相位补偿压电陶瓷；所述氦氖激光器发出单频激光经准直仪投射到分光棱镜上，再经分光棱镜将入射光线分成第一束光和第二束光，第一束光通过透镜照射到置于透镜焦点处的测量反射镜上，此光束再由测量反射镜反射，经过透镜后，以与原入射光束平行方向返回到分光棱镜上；第二束光入射到固定在相位调制压电陶瓷上的第2参考反射镜后，反射到另一个固定在相位补偿压电陶瓷上的第1参考反射镜上，再由第1参考反射镜反射回分光棱镜；返回到分光棱镜的第一束光和第二束光合并后照射到光电二极管并产生电信号；所述测量反射镜与振动膜固定连接；

所述电子单元包括光电二极管、谐振放大器、同步解调器、延迟单元、主频发生器、功率放大器、差分集成放大器组、记录系统；所述光电二极管、信号谐振放大器、谐振放大器、同步解调器、差分集成放大器组、记录系统、信号调理模块依次连接；

所述相位补偿压电陶瓷依次与功率放大器、主频发生器、延迟单元、同步解调器连接；所述相位调制压电陶瓷连接到差分集成放大器组。

3.根据权利要求2所述的激光干涉接收式水声应答器，其特征在于：所述激光器为稳频氦-氖激光器。

4.根据权利要求1所述的激光干涉接收式水声应答器，其特征在于：所述信号调理模块包括一个前置滤波与放大单元、两个窄带滤波单元、两个放大与包络检波单元、两个自适应门限比较器单元、一个与非门；所述前置滤波与放大单元分两路各分别连接一个窄带滤波单元；所述一个窄带滤波单元、一个放大与包络检波单元、一个自适应门限比较器依次连接，然后两个自适应门限比较器通过一个与非门连接到信号处理模块，另外两个自适应门限比较器也同时连接到信号处理模块。

5.根据权利要求1所述的激光干涉接收式水声应答器，其特征在于：所述信号处理模块包括单片机；所述单片机为AVR Mega16单片机。

6.根据权利要求1所述的激光干涉接收式水声应答器，其特征在于：所述回发换能器为压电陶瓷。

7.根据权利要求1所述的激光干涉接收式水声应答器，其特征在于：所述电源模块包括锂电池和电源转换电路；所述锂电池通过电源转换电路为水声检测模块、信号调理模块、信号处理模块、放大整形模块、增益调节模块、功率放大模块和回发换能器提供工作电压和工作电流。

8.根据权利要求1所述的激光干涉接收式水声应答器，其特征在于：所述壳体为水密封的不锈钢圆筒。