CN105607064B - 一种水下声呐系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种水下声呐系统，包括湿端与干端，二者通过光电混合缆连接；干端包括电源模块和数据处理模块；湿端包括发射模块、接收模块、姿态传感器模块、采集传输控制模块及换能器模块；发射模块发射声波信号，接收模块接收目标反射声波信号，转换成数字信号后，光纤上传至干端，通过专业的信号处理技术分析提取目标信息。姿态传感器信息用于修正目标的方位信息。

Description

一种水下声呐系统
技术领域
本发明涉及一种水下声呐系统。
背景技术
随着个人潜水装备及无人潜水器的发展，水下小目标威胁越来越大，所以针对小目标的水下声呐设备对各种海洋作业的安全维护有着重要的意义。然而，现有技术无法探测小目标。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有声呐技术无法探测小目标。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种水下声呐系统，包括湿端与干端，二者通过光电混合缆连接；干端包括电源模块和数据处理模块；湿端包括发射模块、接收模块、姿态传感器模块、采集传输控制模块及换能器模块；发射模块发射声波信号，接收模块接收目标反射声波信号，转换成数字信号后，光纤上传至干端，通过专业的信号处理技术分析提取目标信息。姿态传感器信息用于修正目标的方位信息。
发射换能器用于向水下各个方向发射探测声波；当声波探测到四周有小目标物体存在时，声波会进行反射，该反射信号由接收换能器接收；接收换能器和发射换能器的性能直接决定了设备的探测距离；接收机主要作用是接收换能器微弱信号，通过放大滤波等处理，输出至A/D采集模块；功放机用于将大功率脉冲信号加载至发射换能器，驱动电声转换，用声波方式扫描水下目标；采集传输控制模块有五个作用：1）提供功放发射信号，2）提供接收机增益控制信号和自检信号，3）采集接收机信号，4）传输数字信号至干端，5）采集姿态传感器信号；姿态传感器采用高精度三维电子罗盘，其倾角到达80°的时候仍然能提供高精度的航向信息。它具有小型和低功耗的特点,更适合于当今的小型化敏感测量系统。交直流转换模块将外设的交流电源转换为直流电后通过光电混合缆连接至湿端，为降低电缆压降，采用高电压直流传输，从而有效提高电缆长度。
进一步，所述发射换能器采用复合棒阵子圆柱拼装。采用这种设计放的优点是功率容量大，效率高，易形成宽带，结构简单紧凑。
进一步，接收换能器采用陶瓷粒子圆柱拼装。该设计方法的特点是灵敏度高，耐静水压。
进一步，湿端的壳体从下至上分别为下盖板、换能器结构、电子仓和上盖板；换能器结构内置储能电容板，为功放发射瞬间提供大电流；电子仓底部为接收机底板，接收换能器和发射换能器输出线焊接至底板，通过底板PCB 引线分别连接至接收机板和功放板；垂直插立在底板上的有三块接收机板，一块功放板，一块采集传输控制模块的传输控制板；采集传输控制模块的传输控制板通过上部底板与其它两种模块通信；直流转换模块和姿态传感器紧贴在上盖板。
本发明的优点是：结构简单、能实现水下小目标探测、精确性高。
附图说明
图1是本发明的系统组成框图。
图2是本发明湿端的结构示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
如图1-2所示，本发明包括左侧湿端（水下部分），右侧干端（水上部分），中间通过光电混合缆连接；干端包含有电源变换模块，；湿端分为发射模块、接收模块、姿态传感器模块以、采集传输控制模块及换能器模块；发射模块用于发射声波信号，包括发射换能器以及功放机，功放机输出端连接发射换能器输入端，发射换能器发出声波信号；接收模块用于接收声波反射信号，包括接收换能器以及接收机，接收换能器输出端连接接收机输入端，接收机的输出端连接采集传输控制模块的输入端；姿态传感器用于检测湿端的姿态信息，其信号输出端连接采集传输控制模块的输入端；采集传输控制模块的输入端连接接收模块，输出端连接发射模块；湿端的安装采用吊放方式，中间一根绳索承重，两侧各有一根绳索拉紧防止湿端受海流影响旋转。
干端部分包括数据处理模块与交直流转换模块，电源模块为湿端提供直流电源；信号处理和显示控制采用一体化设计，既可控制湿端部分的工作模式，还可显示水下环境和目标图像信息，同时跟踪多个可疑目标的运行轨迹，并支持目标数据输出。数据通过千兆以太网口输入输出。
湿端和干端通过前述的光电混合缆连接。
水下声呐的关键在于湿端的发射和接收装置。
发射换能器是设备的关键件，直接决定了设备的性能参数。发射换能器采用复合棒阵子圆柱拼接方法设计，采用这种设计放的优点是功率容量大，效率高，易形成宽带，结构简单紧凑。
接收换能器同样是设备的关键件，它是设备的耳朵，它和发射换能器一起直接决定了设备的探测距离。接收换能器采用陶瓷粒子圆柱拼装设计，该设计方法的特点是灵敏度高，耐静水压。
接收机主要作用是接收换能器微弱信号，通过放大滤波等处理，输出至A/D 采集模块。同时，由于收发换能器一体化设计，在功放发射时需抑制信号幅度，增加了增益控制功能。
功放机用于将大功率脉冲信号加载至发射换能器，驱动电声转换，用声波方式扫描水下目标，由于直流电源无法提供瞬时大电流，需用电容器组储能。
传输控制板的核心是FPGA，采用Xilinx 公司的Virtex5 系列芯片，该芯片拥有强大资源和功能模块配置，其嵌入的MAC 模块可用于千兆以太网通信。传输控制模块主要有五个作用：1）提供功放发射信号，2）提供接收机增益控制信号和自检信号，3）采集接收机信号，4）传输数字信号至干端，5）采集姿态传感器信号
姿态传感器采用高精度三维电子罗盘，其倾角到达80°的时候仍然能提供高精度的航向信息。它具有小型和低功耗的特点,更适合于当今的小型化敏感测量系统，并具有带有硬磁、软磁及倾角补偿，罗盘输出校准后的高精度测量值。
系统电源设计采用直流向湿端供电方式，为降低电缆压降，采用高电压直流传输，从而有效提高电缆长度。干端采用交直流变换电源模块将交流转换成360V 直流。设电缆传输电流最大1A，电缆阻抗40Ω/KM，湿端最小输入电压为200VDC，则电缆最大长度为2KM。湿端直流变换模块将高压转化成其它模块需要的电压。湿端部分的电源需求为：48VDC 给功放电容；+5VDC 给数字电路供电；±5VDC 给模拟电路供电。总功率需求约为60W。
湿端的壳体从下至上分别为下盖板1、换能器结构2、电子仓3和上盖板4；换能器结构2内置层叠的三块电容板5，为功放发射瞬间提供大电流，电容板5固定安装在下盖板1上；电子仓3底部为接收机底板，接收换能器和发射换能器输出线焊接至底板，通过底板PCB 引线分别连接至接收机板和功放板；垂直插立在底板上的有三块接收机板，一块功放板，一块采集传输控制模块的传输控制板；采集传输控制模块的传输控制板通过上部底板与其它两种模块通信；交直流转换模块和姿态传感器紧贴在上盖板4上。该结构可减小湿端体积，充分利用湿端内部空间，将交直流转换模块和姿态传感器紧贴在上盖板4上，是因为交直流转换模块在转换过程中会散发热量，必须通过金属外壳导出。上述所有的电子模块均采用标准六角铜螺柱支撑固定。
为减轻重量和降低成本，湿端壳体的金属结构件采用铝合金材料，表面涂装防腐涂料。结构之间连接件为不锈钢螺栓，为防止电腐蚀，所有不同金属之间的连接均做密封处理。裸露的螺栓采用沉孔设计，并用聚氨酯塞子密封；光电混合缆与上盖板之间的连接采用直接硫化方式。上盖板采用把手和盖板一体化设计，并附有绳索安装孔，便于设备吊放安装。

Claims (1)

1.一种水下声呐系统，包括湿端与干端，湿端分为发射模块、接收模块、姿态传感器模块、采集传输控制模块及换能器模块；发射模块用于发射声波信号，包括发射换能器以及功放机，功放机输出端连接发射换能器输入端，功放机输出大功率脉冲信号加载至发射换能器，驱动发射换能器电声转换，用声波方式扫描水下目标；接收模块用于接收目标声波反射信号，包括接收换能器以及接收机，接收换能器输出端连接接收机输入端，接收机的输出端连接采集传输控制模块的输入端；接收换能器输出微弱电信号至接收机，接收机的输出调理信号至采集传输控制模块转换成数字信号；姿态传感器用于检测湿端的姿态信息，其信号输出端连接采集传输控制模块的输入端；干端部分包括数据处理模块与交直流电源转换模块，数据处理模块通过分析湿端上传的数据，提取目标信息；其特征在于：湿端的安装采用吊放方式，中间一根绳索承重，两侧各有一根绳索拉紧防止湿端受海流影响旋转；交直流电源转换模块采用高电压直流传输为湿端提供直流电源，交直流变换电源模块将交流转换成360V 直流；干端和湿端通过光电混合缆连接；
所述发射换能器采用复合棒阵子圆柱拼装；接收换能器采用陶瓷粒子圆柱拼装；
湿端的壳体从下至上分别为下盖板(1)、换能器结构(2)、电子仓(3)和上盖板(4)；换能器结构(2)内置储能电容板(5)，为功放发射瞬间提供大电流；电子仓(3)底部为接收机底板，接收换能器和发射换能器输出线焊接至底板，通过底板PCB引线分别连接至接收机板和功放板；垂直插立在底板上的有三块接收机板，一块功放板，一块采集传输控制模块的传输控制板；采集传输控制模块的传输控制板通过上部底板与其它两种模块通信；直流转换模块和姿态传感器紧贴在上盖板(4)；
湿端壳体的金属结构件采用铝合金材料，表面涂装防腐涂料；结构之间连接件为不锈钢螺栓，为防止电腐蚀，所有不同金属之间的连接均做密封处理；裸露的螺栓采用沉孔设计，并用聚氨酯塞子密封；光电混合缆与上盖板(4)之间的连接采用直接硫化方式；上盖板(4)采用把手和盖板一体化设计，并附有绳索安装孔，便于设备吊放安装。
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