CN105607066A - 多频点单换能器声呐水深测量系统测量方法 - Google Patents

多频点单换能器声呐水深测量系统测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了多频点单换能器声呐水深测量系统及测量方法，其中，所述多频点单换能器声呐水深测量系统，包括声波发射模块、换能器和接收模块，所述换能器分别与所述声波发射模块和接收模块相连；所述声波发射模块包括依次相连的数字信号处理器、频率合成器、发射驱动电路和通道切换电路，所述接收模块包括依次相连的前级运算放大器、压控增益放大器、双边检波器和抗混叠滤波器，本发明提供的系统对频率产生的回波接收灵敏度高，而且有很强的信号处理能力，从而极大的提高了测深仪的探测深度及精度。

Description

多频点单换能器声呐水深测量系统测量方法
技术领域
本发明涉及水底测绘领域，具体涉及到多频点单换能器声呐水深测量系统及测量方法。
背景技术
目前的测深仪绝大部分使用的是电感电容组成震荡电路的发射频率，还有一部分是使用MCU模拟发射频率，这些频率经过功率放大以后传输给固定频点的换能器，其精度和稳定度不够精确，产品的特性也不一致。接收回波的电路则是根据发射电路的震荡频率而设计，电路的通带特性为带通滤波，通过的频带较窄，电路的增益调节多数是以可变增益放大器或者运放、模拟开关和电阻阵列配合组成；检波电路则是使用二极管单边检波电路，检波后的电路再由微处理器或者数模转换器采样量化。国内产品的多个频点的测深仪中，绝大部分都是双频测深仪，产品的应用与大比例尺成图测量时，工作效率及其低下。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供了多频点单换能器声呐水深测量系统及测量方法，极大的提高了测深仪的探测精度。
本发明的技术方案为，多频点单换能器声呐水深测量系统，包括声波发射模块、换能器和接收模块，所述换能器分别与所述声波发射模块和接收模块相连；所述声波发射模块包括依次相连的数字信号处理器、频率合成器、发射驱动电路和通道切换电路，所述接收模块包括依次相连的前级运算放大器、压控增益放大器、双边检波器和抗混叠滤波器。
上述的测量系统，其中，所述声波发射模块还包括升压模块和发射功率控制模块，所述发射功率控制模块分别与所述升压模块、数字信号处理器和通道切换电路相连。
上述的测量系统，其中，所述换能器与所述前级运算放大器之间设有低通滤波器。
上述的测量系统，其中，所述发射功率控制模块为低压大功率发射控制模块。
上述的测量系统，其中，所述通道切换电路设有光耦继电器。
上述的测量系统，其中，所述数字信号处理器连接有一上位机。
本发明的另一面，多频点单换能器声呐水深测量方法，包括以下步骤：
接收指令并进行频率的合成；
将电压进行转换并将电能储存在电容中；
换能器接收合成的频率信息和电容中的电能并将电能转换为声波向水里发射出去；
换能器接收水底返回的回波信号并将不必要的频率滤除，筛选出可用信号；
通过接收模块对所述可用信号进行采集并处理；
将处理后的信号发送到数字信号处理器并完成水深的测量。
上述的测量方法，其中，所述接收指令并进行频率的合成的步骤包括：
通过频率合成器接收数字信号处理器的指令并进行频率的合成；
将合成的频率传递到发射驱动电路并驱动通道切换电路工作。
上述的测量方法，其中，所述换能器接收水底返回的回波信号并将不必要的频率滤除，筛选出可用信号的步骤中，通过低通滤波器将不必要的频率滤除并将剩下的信号传给前级运算放大器进行初步放大。
上述的测量方法，其中，所述通过接收模块对所述可用信号进行采集并处理的步骤中：通过数字信号处理器和压控增益放大器对可用信号进行采集并处理。
本发明提供的多频点单换能器声呐水深测量系统，包括声波发射模块、换能器和接收模块，所述换能器分别与所述声波发射模块和接收模块相连；所述声波发射模块包括依次相连的数字信号处理器、频率合成器、发射驱动电路和通道切换电路，所述接收模块包括依次相连的前级运算放大器、压控增益放大器、双边检波器和抗混叠滤波器，本发明提供的系统对频率产生的回波接收灵敏度高，而且有很强的信号处理能力，从而极大的提高了测深仪的探测深度及精度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为本发明提供的多频点单换能器声呐水深测量系统的示意图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
参照图1所示，本发明提供了多频点单换能器声呐水深测量系统，包括声波发射模块、换能器1和接收模块，换能器1分别与声波发射模块和接收模块相连；声波发射模块包括依次相连的数字信号处理器2、频率合成器3、发射驱动电路4和通道切换电路5，接收模块包括依次相连的前级运算放大器6、压控增益放大器7、双边检波器8和抗混叠滤波器9，本发明中数字信号处理器(DSP)2在发射工作模式时，向频率合成器(CPLD)3发出开始工作的指令，CPLD收到开始工作指令后开始进行频率合成工作，CPLD合成多个频点频率传给发射驱动电路4，发射驱动电路4增加了多个频点的驱动能力并且驱动通道切换电路5工作，合成的频率范围为20KHz～200KHz，通道切换电路5采用了光耦继电器，换能器1通过发射模块接收到的频率信息和电能后，将电能转换为声波向水里发射出去，其中，声波频率就是CPLD合成的频率，声波的发射的功率是跟水深有关，测试水域深度越深发射功率越大。
在本发明中，换能器1发声波后，开始接收水底返回的回波信号，此时系统为接收状态。通过换能器1传回来的信号低频频率成分丰富，通过低通滤波器10将不必要的频率滤除，剩下的信号传给前级运算放大器6进行初步放大。得到的信号经过压控增益，压控增益放大器7跟数字信号处理器2将回波进行放大。水深测量中深度大的回波信号较弱，需要的放大量也不同，而且深度大的回波到接收机端的信号时间也较长，所以使用数字信号处理器(DSP)2和压控增益放大器7组成了一个时间增益控制模块，提高了接收灵敏度。包含水深度的信息的信号是双边信号，双边检波器将频率信息给变成单边信号，经过抗混跌滤波器9后给数字信号处理器2采集量化，然后数字信号处理器2将采集到的深度数据进行处理后得出测试点的水深。换能器1发射一个频点的同时也能接收另一个频点的回波，这样系统完成了多个频点的发射和接收后就能探测到一条线的水深数据，从而极大的提高了测深仪的探测深度及精度。
在本发明一优选但非限制的实施例中，声波发射模块还包括升压模块11和发射功率控制模块12，发射功率控制模块12分别与升压模块11、数字信号处理器2和通道切换电路5相连发射功率控制模块12中采用了低压大功率发射技术，先将低电压通过自举升压电路，将12V电压提高到几个特定的电压如24V、36V和48V等，再通过升压变压器将电压这些电压再次升高，然后存储在大容量电容中，升压模块11开机后开始工作，一直稳定的向储能电容提供能量，直到储能电容器满才停止工作，储能电容存储的能量通过通道切换电路5向换能器2提供电能。
在本发明一优选但非限制的实施例中，数字信号处理器2连接有一上位机，通过RS232连接上位机，通过上位机软件来修改输出频率点。
本发明的另一面，多频点单换能器声呐水深测量方法，包括以下步骤：
步骤S1：接收指令并进行频率的合成，其中包括，通过频率合成器3接收数字信号处理器2的指令并进行频率的合成，将合成的频率传递到发射驱动电路4并驱动通道切换电路5工作，具体为数字信号处理器(DSP)2在发射工作模式时，向频率合成器(CPLD)3发出开始工作的指令，CPLD收到开始工作指令后开始进行频率合成工作，CPLD合成多个频点频率传给发射驱动电路4，发射驱动电路4增加了多个频点的驱动能力并且驱动通道切换电路5工作，合成的频率范围为20KHz～200KHz，其中通道切换电路5采用了光耦继电器。
步骤S2：将电压进行转换并将电能储存在电容中，具体为，发射功率控制模块12采用了低压大功率发射技术，先将低电压通过自举升压电路，将12V电压提高到几个特定的电压如24V、36V和48V等，再通过升压变压器将电压这些电压再次升高，然后存储在大容量电容中，升压模块11从开机后开始工作，一直稳定的向储能电容提供能量，直到储能电容器满才停止工作，储能电容存储的能量通过通道切换电路5向换能器1提供电能。
步骤S3：换能器1接收合成的频率信息和电容中的电能并将电能转换为声波向水里发射出去，具体为换能器1收到来至通道切换电路5的频率信息和电能后，将电能转换为声波向水里发射出去，声波频率就是CPLD合成的频率，声波的发射的功率是跟水深有关，测试水域深度越深发射功率越大。
步骤S4：换能器接收水底返回的回波信号并将不必要的频率滤除，筛选出可用信号，其中包括，通过低通滤波器10将不必要的频率滤除并将剩下的信号传给前级运算放大器6进行初步放大。
步骤S5：通过接收模块对所述可用信号进行采集并处理，通过数字信号处理器2和压控增益放大器7对可用信号进行采集并处理；
步骤S6：将处理后的信号发送到数字信号处理器并完成水深的测量。具体为，包含水深度的信息的信号是双边信号，双边检波器将频率信息给变成单边信号，经过抗混跌滤波器9后给数字信号处理器2采集量化，然后数字信号处理器2将采集到的深度数据进行处理后得出测试点的水深。换能器1发射一个频点的同时也能接收另一个频点的回波，这样系统完成了多个频点的发射和接收后就能探测到一条线的水深数据，从而极大的提高了测深仪的探测深度及精度。
综上所述，本发明提供的多频点单换能器声呐水深测量系统，包括声波发射模块、换能器和接收模块，所述换能器分别与所述声波发射模块和接收模块相连；所述声波发射模块包括依次相连的数字信号处理器、频率合成器、发射驱动电路和通道切换电路，所述接收模块包括依次相连的前级运算放大器、压控增益放大器、双边检波器和抗混叠滤波器，本发明提供的系统对频率产生的回波接收灵敏度高，而且有很强的信号处理能力，从而极大的提高了测深仪的探测深度及精度。
以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.多频点单换能器声呐水深测量系统，其特征在于，包括声波发射模块、换能器和接收模块，所述换能器分别与所述声波发射模块和接收模块相连；所述声波发射模块包括依次相连的数字信号处理器、频率合成器、发射驱动电路和通道切换电路，所述接收模块包括依次相连的前级运算放大器、压控增益放大器、双边检波器和抗混叠滤波器。
2.如权利要求1所述的多频点单换能器声呐水深测量系统，其特征在于，所述声波发射模块还包括升压模块和发射功率控制模块，所述发射功率控制模块分别与所述升压模块、数字信号处理器和通道切换电路相连。
3.如权利要求1所述的多频点单换能器声呐水深测量系统，其特征在于，所述换能器与所述前级运算放大器之间设有低通滤波器。
4.如权利要求2所述的多频点单换能器声呐水深测量系统，其特征在于，所述发射功率控制模块为低压大功率发射控制模块。
5.如权利要求1-4任一所述的多频点单换能器声呐水深测量系统，其特征在于，所述通道切换电路设有光耦继电器。
6.如权利要求5所述的多频点单换能器声呐水深测量系统，其特征在于，所述数字信号处理器连接有一上位机。
7.多频点单换能器声呐水深测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
接收指令并进行频率的合成；
将电压进行转换并将电能储存在电容中；
换能器接收合成的频率信息和电容中的电能并将电能转换为声波向水里发射出去；
换能器接收水底返回的回波信号并将不必要的频率滤除，筛选出可用信号；
通过接收模块对所述可用信号进行采集并处理；
将处理后的信号发送到数字信号处理器并完成水深的测量。
8.如权利要求7所述的多频点单换能器声呐水深测量方法，其特征在于，所述接收指令并进行频率的合成的步骤包括：
通过频率合成器接收数字信号处理器的指令并进行频率的合成；
将合成的频率传递到发射驱动电路并驱动通道切换电路工作。
9.如权利要求7所述的多频点单换能器声呐水深测量方法，其特征在于，所述换能器接收水底返回的回波信号并将不必要的频率滤除，筛选出可用信号的步骤中，通过低通滤波器将不必要的频率滤除并将剩下的信号传给前级运算放大器进行初步放大。
10.如权利要求7所述的多频点单换能器声呐水深测量方法，其特征在于，所述通过接收模块对所述可用信号进行采集并处理的步骤中：通过数字信号处理器和压控增益放大器对可用信号进行采集并处理。
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