CN105160820A - 一种具有身份识别功能的水声信标 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有身份识别功能的水声信标，其密封壳体上设有两个用于触发水声信标控制电路自动工作的金属触点，控制电路主要由开关电路、主控单元、功率放大电路、变压器、压电陶瓷环、电池构成，开关电路与金属触点连接，开关电路输出端与主控单元连接，主控单元输出端与功率放大电路连接，变压器和压电陶瓷环匹配调谐构成功率放大电路的负载，金属触点遇水后导通，自动触发开关电路，进而接通主控单元，主控单元产生编码信号，经功率放大电路、振荡调谐后，转换为声信号发射。其特点是：在实现目标的水下示位的同时，水声信号含有编码信息，与配带安装的目标具有一一对应关系，便于目标身份的识别，其结构简单，功耗低，体积小，便于安装和人员配带，给救援提供了方便，具有很高的实用价值。

Description

一种具有身份识别功能的水声信标

技术领域

本发明涉及一种用于水中目标指示位置的水声信号发射装置，尤其是发射信号含有编码信息用于区分水中目标身份的一种具有身份识别功能的水声信标。

背景技术

在航海航运、海上工程施工、科学考察、航空航天等多种行业领域的作业过程中，很可能发生人员或设备落水的意外情况。目前用于人员、船只或重要物资设备落水后求救示位的措施主要有救生衣灯及反光带、无线电信标、海水染色剂、烟雾弹等，信号形式主要为无线电信号和光学信号，这些信号的稳定性在海上易受海上能见度和海况影响，而且工作时间有限，部分示位设备体积较大，还需要人为手动操作。当落水的人员、物资设备沉入水下时，无线电信号和光学信号在水中传输受限，均无法发出求救示位信息，增加了海上搜救难度，在茫茫大海进行搜寻打捞犹如大海捞针，十分困难。

目前，水声信号相比于无线电、光学信号等其它信号形式的信标，在水中衰减最小易于远距离传播，是水中远距离传播最有效的信号传递方式。利用水声信号指示目标位置的水声信标技术已在飞机黑匣子水中示位及探测搜寻中得到应用，但是其信号形式为简单的周期性CW即单频脉冲信号，信号中并不包含区分不同信标的特征，无法实现对不同信标的辨别，当搜寻装有水声信标的水下目标时，会由于无法区分目标身份而导致不能优化搜救顺序或受虚假目标信号的误导，影响搜救效果。

另外含有编号信息具有身份识别功能的水声信号发射设备普遍体积和重量大，有些还采用外部电源供电，不利于人员、船只或重要物资设备的安装、配带和救生使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种发射信号中含有编码信息、体积重量小、便于人员配带和在物品上安装的具有身份识别功能的水声信标。

本发明的具体技术方案如下：一种具有身份识别功能的水声信标，包括密封壳体、设置在密封壳体内的控制电路，其特征在于密封壳体上设有两个用于触发水声信标控制电路自动工作的金属触点，控制电路主要由开关电路、主控单元、功率放大电路、变压器、压电陶瓷环、电池构成；开关电路的输入端与密封壳体上两个金属触点连接，开关电路输出端与主控单元连接，主控单元输出端与功率放大电路连接，变压器和压电陶瓷环匹配调谐后构成功率放大电路的负载；密封壳体上的两个金属触点相互独立，在空气中呈高阻状态，遇水后导通，自动触发开关电路，进而接通主控单元，主控单元产生一定频率和脉冲宽度的周期性编码信号，该信号中含有编码信息，经功率放大电路后，通过变压器耦合驱动由变压器和压电陶瓷环匹配调谐组成的负载，完成电信号向声信号的转换向外发射。每个水声信标主控单元产生的编码信号中所含的编码信息是唯一的，用来区分不同的信标和配带安装该信标的人员、设备的身份。

所述的压电陶瓷环通过透声硫化胶固定于密封壳体的内部，压电陶瓷环和密封壳体两者同轴心。

所述主控单元采用具有编程功能的低功耗单片机或者低功耗的可编程逻辑器件CPLD/FPGA。

所述的水声信标发射频率在20kHz以上，便于人员配带、设备安装，满足小型化要求。

所述的控制单元输出的编码信息，其编码码元为填充信号频率或者信号脉冲宽度，当编码码元为填充信号频率时，作为码元的两种信号频率f1和f2之差应大于0.5KHz，小于2KHz；当编码码元为信号脉冲宽度时，作为码元的两种信号脉冲宽度t1和t2应相差3-5倍。

本发明主控单元产生的信号源在一定频率、一定脉冲宽度的周期性脉冲信号的前提下，以信号频率或者信号脉冲宽度作为码元进行编码，该码元即为信号源编码信息中的“0”和“1”。当编码码元为信号频率时，信号输出的脉冲宽度固定不变，在信号输出的脉冲宽度时间内填充的信号频率有两种，不同的填充信号频率的分别代表编码信息的“0”和“1”，同一信号脉冲宽度下仅填充一种频率，当信标信号周期性输出时，n个周期的信号中有n个脉冲宽度的信号，也就含有n个码元，n个码元形成了一组编码作为该信标的编码信息，作为码元的两种填充信号频率相差过大影响变压器线圈与压电陶瓷的匹配，相差过小影响码元的区分,两者之差应大于0.5KHz，小于2KHz。当编码码元为信号输出的脉冲宽度时，填充信号频率固定不变，此时信号输出的脉冲宽度有两种，不同的脉冲宽度分别代表编码信息的“0”和“1”，当信标信号周期性输出时，n个周期的信号中有n个脉冲宽度的信号，也就含有n个码元，n个码元形成了一组编码作为该信标的编码信息，作为码元的两种信号脉冲宽度相差过大增加水声信标的功耗，相差过小影响码元的区分,两者的宽度应相差3-5倍。每个信标的编码是唯一的，搜寻信标时，可通过接收和识别信标的编码信息区分和确定水下物体的身份。为了保证编码信息的唯一性，编码信息的码元位数根据所要区分的目标总数量确定。例如，当编码信息的码元数量为N，则可最多区分2^N个水中目标，为了便于接收端接收和识别水声信标的编码信息，水声信标的编码信号采用循环发射的方式。

所述信号源经功率放大电路后，通过变压器耦合驱动由变压器和压电陶瓷环匹配调谐组成的负载，两者的匹配调谐与水声信标的发射频率直接相关。水声信标发射频率、变压器的副边线圈电感、压电陶瓷环并联等效电容满足公式：

(1)

其中为振荡频率，为变压器副边线圈的电感，为压电陶瓷环在密封壳体内硫化后的并联等效电容。为了便于安装和配带使用，水声信标的频率一般应在20kHz以上，以满足水声信标小型化的要求。

所述压电陶瓷环频率的规格需满足水声信标发射频率的要求，压电陶瓷环通过透声硫化胶固定于密封壳体的内部，压电陶瓷环与密封壳体通过具有很好粘结性的透声硫化胶将两者固化为一体，固化后压电陶瓷环与密封壳体形成共振，向外辐射声学信号，为了保证水声信标水平指向性的均匀度，压电陶瓷环和密封壳体两者同轴心。通过压电陶瓷环的电声转换作用，将主控单元产生的编码信号在功率放大、变压器和压电陶瓷环振荡调谐后转换为声信号发射出去。

本发明通过对水中作业的船只或可能掉入水中的人员、物资、设备配装一种小型化的水声信标，在发生意外事故时，遇水自动向外界发射水声信号，实现落水物体的水中示位。同时，为了区分和识别不同的落水目标，使水声信标发射包含有编码信息的水声信号，利用该编码信号的唯一性确定水下物体的身份。本发明的特点是：

1、本发明采用水声信号形式，信号在水中能够远距离传播，实现目标的水下示位；同时，水声信号含有编码信息，与配带安装的目标具有一一对应关系；当多个目标处于水下时，利用编码信息的唯一性实现了目标区分和识别，从而确定水下物体的身份。

2、输出信号形式为一定频率、一定脉冲宽度的周期性脉冲信号，实现了水声信标的低功耗输出；同时以脉冲宽度或信号频率作为编码码元，编码简单，易于实现，对主控单元的硬件要求低，有利于信标的低功耗和小型化，也方便水声信标的探测接收端接收和解码。

3、本发明采用锂电池供电，体积小，重量轻，功耗低，便于目标安装和人员配带，可长时间在水下工作发射示位信号；采用入水自动接通控制电路工作，不需要人为操作，为搜寻定位打捞提供可靠、稳定的示位信号。

4、本发明可广泛应用于可能意外落水中的人员、物资、设备的水上救生，能提供可靠稳定的水上示位的水声信号，同时，通过信号中包含的编码信息，能够快速、及时进行目标身份的识别，给救援提供了方便，具有很高的实用价值。

附图说明

图1是本发明水声信标的组成框图；

图2是本发明水声信标的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作近一步详细说明：

如图1所示，本发明提供的水声信标，其控制电路主要由开关电路、主控单元、功率放大电路、变压器、压电陶瓷环、电池构成。开关电路的输入端与密封壳体上的两个金属触点连接，开关电路输出端与主控单元连接，主控单元输出端与功率放大电路连接，功率放大电路与变压器和压电陶瓷环相连接。主控单元采用具有编程功能的低功耗单片机，也可以采用低功耗的可编程逻辑器件CPLD或FPGA，它产生含有编码信息的信号源。开关电路采用三极管开关电路，用于控制主控单元上电工作。功率放大电路采用三极管两级放大构成的变压器耦合乙类推挽式功率放大电路，实现对主控单元输出的信号源的功率放大，放大后的信号通过变压器耦合输出至变压器和压电陶瓷环匹配调谐组成的负载，并完成前后阻抗匹配。

控制单元的信号源为一定频率、一定脉冲宽度的周期性脉冲信号，它以信号频率或者信号脉冲宽度作为编码码元，多个码元形成一组编码信息，通过功率放大电路将信号放大后，加载到匹配调谐负载上，实现电声转换，并将编码脉冲信号发射。

如图2所示，水声信标的密封壳体是由圆柱形壳体9和两端设置的密封端盖2、11构成。其圆柱形壳体和密封端盖采用金属材料制成，两者之间采用螺纹连接，并设置有密封圈12。在密封端盖2上设有一端伸入至壳体内，另一端裸露在密封端盖外的金属电极3，通过隔离套1与端盖2绝缘，金属电极3、隔离套1和密封端盖2之间通过环氧胶水粘结密封。金属电极3的裸露端及隔离套1应高于端盖2，且隔离套上表面为弧形，用以防止在非落水状况下两个金属触点遇水误导通，导致水声信标误上电工作而发出信号。金属电极3为水声信标的一个金属触点，密封壳体9为水声信标的另一个金属触点，两金属触点即为开关电路的输入端。两个金属触点相互独立在空气中呈高阻状态，两个金属触点遇水后导通，自动触发开关电路，进而接通主控单元，从而实现水声信标入水后自动工作的功能。伸入壳体内的金属电极3端部抵在弹簧4上，弹簧4与开关电路连接。设有开关电路、主控单元的电路板5安装在壳体内，其下方设有功率放大电路、变压器的电路板8，电路板8的外部设有压电陶瓷环7，压电陶瓷环通过透声硫化胶6固定在壳体上，安装后的压电陶瓷环与壳体同轴心。在变压器的下方设置有电池10，其两端分别通过弹簧与控制电路和密封端盖11连接，形成电通路。

当主控单元的编码码元为信号填充频率时，作为码元的信号填充频率f1和f2之差应大于0.5KHz，小于2KHz，f1和f2相差过大影响变压器线圈与压电陶瓷的匹配，相差过小影响码元的区分，信号发射的周期间隔为固定值T，信号脉冲宽度为固定值t，信号频率f1和f2分别代表编码码元“0”和“1”，按照信标的编码信息循环输出。

当主控单元的编码码元为信号脉冲宽度时，两种信号脉冲宽度t1和t2应相差3-5倍为宜，t1和t2相差过大增加水声信标的功耗，相差过小影响码元的区分，信号发射的周期间隔为固定值T，信号频率为固定值f，信号脉冲宽度t1和t2分别代表编码码元“0”和“1”，按照信标的编码信息循环输出。

水声信标主控单元软件流程为：在软件完成初始化后，将信标唯一的编码信息赋值给软件中的相应参数，然后根据编码信息的“0”或“1”序列通过编码信息移位，循环输出当前位的码元，码元之间的输出时间间隔为T。

当码元为信号频率时，当前位的码元输出信号为脉冲宽度固定值t，填充频率f1（编码信息当前位为“0”）或填充频率f2（编码信息当前位为“1”），当码元为信号脉冲宽度时。当前位的码元信号填充频率固定值f，脉冲宽度t1（编码信息当前位为“0”）或脉冲宽度t2（编码信息当前位为“1”）。

每一个信标的主控单元产生的编码信号是唯一的，在特殊需求下主控单元可通过更改软件实现水声信标入水后延迟一定时间输出信号源。水声信标采用电池供电，根据工作时间要求，可选择不同容量的电池。

Claims (5)

1.一种具有身份识别功能的水声信标，包括密封壳体、设置在密封壳体内的控制电路，其特征在于密封壳体上设有两个用于触发水声信标控制电路自动工作的金属触点，控制电路主要由开关电路、主控单元、功率放大电路、变压器、压电陶瓷环、电池构成；开关电路的输入端与密封壳体上两个金属触点连接，开关电路输出端与主控单元连接，主控单元输出端与功率放大电路连接，变压器和压电陶瓷环匹配调谐后构成功率放大电路的负载；密封壳体上的两个金属触点相互独立，在空气中呈高阻状态，遇水后导通，自动触发开关电路，进而接通主控单元，主控单元产生一定频率和脉冲宽度的周期性编码信号，该信号中含有编码信息，经功率放大电路后，通过变压器耦合驱动由变压器和压电陶瓷环匹配调谐组成的负载，完成电信号向声信号的转换向外发射。

2.根据权利要求1所述的一种具有身份识别功能的水声信标，其特征在于所述的压电陶瓷环通过透声硫化胶固定于密封壳体的内部，压电陶瓷环和密封壳体两者同轴心。

3.根据权利要求1所述的一种具有身份识别功能的水声信标，其特征在于所述主控单元采用具有编程功能的低功耗单片机或者低功耗的可编程逻辑器件CPLD/FPGA。

4.根据权利要求1所述的一种具有身份识别功能的水声信标，其特征在于所述的水声信标发射频率在20kHz以上。

5.根据权利要求1所述的一种具有身份识别功能的水声信标，其特征在于所述的控制单元输出的编码信息，其编码码元为填充信号频率或者信号脉冲宽度，当编码码元为填充信号频率时，作为码元的两种信号频率f1和f2之差应大于0.5KHz，小于2KHz；当编码码元为信号脉冲宽度时，作为码元的两种信号脉冲宽度t1和t2应相差3-5倍。