CN105629216B - 一种多波束测深仪接收换能器性能检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多波束测深仪接收换能器性能检测装置，其包括：供电单元，用于整个装置供电；串口通讯单元，用于接收串口命令并将其传输给处理器，处理器分别与选通单元、增益控制单元相连，并发送命令对其进行控制；选通单元分别与多波束接收换能器、运放单元相连，并根据接收的处理器命令选择一次待放大信号给运放单元；多波束接收换能器与选通单元连接，用于将接收到的超声波信号转为电信号；增益控制单元与运放单元相连，根据处理器命令输出一个稳定的电压给运放单元，从而控制其增益；运放单元与测量单元相连，将待放大信号进行放大，从而提供给测量单元进行测量。本发明不但节省测量时间，还节省人力和财力。

Description

一种多波束测深仪接收换能器性能检测装置

技术领域

本发明属于海洋探测领域，具体涉及一种多波束测深仪接收换能器性能检测装置。

背景技术

随着科技的发展，人们对占地球表面积70％以上的海洋和江河湖泊的开发越来越关注，多波束测深仪作为当今海洋开发领域关键设备之一，一次测量能给出与航行方向垂直的垂面内几十个甚至上百个海底被测点的水深值，或者一条一定宽度的全覆盖水深条带，而且，它能准确地、快速地测出沿航线一定宽度内水下目标的大小、形状和高低变化，从而可以比较精细地描绘出海底地形地貌的精准特征，其发展和运用得到很多海洋大国的高度重视。

多波束测深仪采用“T”形布置的发射、接收阵结构。发射阵沿船航行方向布置，形成纵向较窄横向较宽的发射波束，形成一个测量条带。接收阵则横向布置，通过接收波束形成处理，形成许多横向较窄而纵向较宽的波束，接收波束和发射波束相交形成许多测量点(俗称脚印)，最后利用各个脚印回波的到达时间与角度计算出整个测量的深度值。

所谓接收波束形成是指通过对接收换能器各阵元的输出信号进行相位补偿处理(通常窄带情况下是对各阵元数据进行幅度加权、延时、求和等)，使得某一方向信号入射时各路阵元输出数据实现同向相加，使基阵输出达到最大。如果接收换能器各阵元性能差异较大，则进行相位补偿处理比较复杂，波束形成效果较差，影响测量效果。如果接收换能器各阵元性能差异较小，则可以通过相位补偿使得波束形成效果更好。所以，接收换能器各阵元性能比如相位、幅度的检测对于多波束测深仪的测量结果起着至关重要的作用。

在多波束测深仪中，接收换能器的阵元通常有几十路甚至上百路，每路阵元的输出都是独立输出。由于换能器输出信号较小，所以进行检测时要先将信号通过运放单元(功能为信号进行放大)后检测。如果要对接收换能器的每一个阵元性能进行测量，则至少需要几十对线。由于接收换能器的性能检测需要在消声水池中放到水下进行，需要将接收换能器通过结构件进行水密，通过水密电缆将信号传输出来，一般采用多波束测深仪的结构件和水密电缆。如果直接通过水密电缆进行测量，由于电缆芯数比较有限，则每次只能测量几组阵元性能，在测量完后需要将结构件打开，重新接线后再测量另几组阵元的性能。这样测量比较复杂，多次拆装后多波束结构和水密接插件基本上不能用在正式产品中，另外拆装时包括了结构件的拆装及测量夹具的拆装，需要耗费大量的时间和人力，同时由于消声水池比较稀少，测量费用较高，耗费大量的时间即意味着测量成本的增加。故需要一种接收换能器检测装置能够既经济又有效地解决上述问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决背景技术提出的问题，本发明提供了一种多波束测深仪接收换能器性能检测装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种多波束测深仪接收换能器性能检测装置，其包括供电单元、串口通讯单元、处理器、选通单元、多波束接收换能器、增益控制单元、运放单元以及测量单元；

供电单元，用于给装置供电；

串口通讯单元与处理器相连，用于接收串口命令并将其传输给处理器；

处理器分别与选通单元、增益控制单元相连，并发送命令给选通单元和增益控制单元进行控制；

选通单元分别与多波束接收换能器、运放单元相连，并根据接收到的处理器命令从M路阵元中选择N路作为一次待放大信号传输给运放单元；

多波束接收换能器与选通单元连接，用于将接收到的超声波信号转为电信号；

增益控制单元与运放单元相连，根据处理器命令来输出稳定的电压给所述运放单元，进而控制所述运放单元的增益；

运放单元与测量单元相连，将选通单元传输的一次待放大信号进行放大。

测量单元，用于对经运放单元放大后的信号进行进行测量。

进一步地，选通单元由模拟开关组成，其根据多波束接收换能器的阵元数目分配匹配的模拟开关数目，并通过每个模拟开关之间的组合完成一次待放大信号的输出。

进一步地，运放单元的增益由增益控制单元的输出电压控制，即：

G(dB)＝-40V_ctr-40

其中，G为运放单元的增益，V_ctr为增益控制单元的输出电压值。

进一步地，测量单元包括至少对N路信号幅度以及相位的测量。

本发明的有益效果是，采用该装置极大地简化了接收换能器性能的检测过程，在较少的时间内能够完成多路阵元的检测，既节省了时间又人力和财力。

附图说明

图1是本发明的多波束测深仪接收换能器性能检测装置框图。

图2是本发明的供电单元原理图。

图3是本发明的处理器内部程序流程图。

图4是本发明选通单元的模拟开关原理图。

图5是本发明选通单元工作示意图。

图6是本发明增益控制单元原理图。

图7是本发明增益控制单元的操作时序图。

图8是本发明运放单元原理图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示，本发明所述多波束测深仪接收换能器性能检测装置包括：供电单元、串口通讯单元、处理器、选通单元、增益控制单元、运放单元、多波束接收换能器以及测量单元。

供电单元，用来给整个装置供电；串口通讯单元，用来接收串口命令并将其传输给处理器，处理器分别与选通单元、增益控制单元相连接，并发送命令对选通单元和增益控制单元进行控制；选通单元分别与多波束接收换能器、运放单元相连接，并根据接收到的处理器命令从M路阵元中选择N路作为一次待放大信号传输给运放单元，其中，M、N均可以由用户根据实际情况进行设定；多波束接收换能器与选通单元连接，用于将接收到的超声波信号转为电信号；增益控制单元与运放单元相连接，根据处理器命令来输出一个稳定的电压给运放单元，从而控制运放单元的增益；运放单元与测量单元相连接，将选择的待放大信号进行放大，从而提供给测量单元对其阵元性能(包括但不仅限于相位、幅度)进行测量。

下面结合具体实施例对本发明所述多波束测深仪接收换能器性能检测装置的各个单元进行详细说明。在本实施例中，M设定为80，N设定为2，即多波束接收换能器采用80路阵元，选通单元每次选择两路阵元作为一次待放大信号传输给运放单元进行放大，对应的运放单元也有两路。

在具体实施过程中，多波束接收换能器的阵元数可以根据实际情况而定，且选通单元可以根据用户需要选择合适数目的阵元数据进行放大，并不仅仅局限于实施例中所述的两路阵元，也可以根据需要设置为是三路或四路，当然，这时对应的选通单元中的模拟开关数目以及运放单元数据也要相应增加，例如，用户可以根据多波束接收换能器的阵元数目以及一次待放大信号分配匹配的模拟开关数目，并通过每个模拟开关之间的组合完成一次待放大信号的输出，其中，运放单元的数目需要与一次待放大信号的数目一致。

如图2所示，供电单元采用了两片电源芯片，一个为RC1117S33T芯片，该芯片为美国仙童公司生产的线性稳压器，具有低压差精密稳压性能，在这里能够提供稳定的3V电源供处理器、增益控制单元、串口通讯单元和选通单元使用。

另一个电源芯片为ADR433，作为增益控制单元的外部基准源，其初始精度为0.05％、噪声为3.75μVP-P和温度系数为1×10-6/℃，都直接决定了增益控制单元输出的精度良好。

由于串口通讯单元与处理器的UART使用的是不同的电压标准，所以两者间通过电压转换芯片SP3223E相连。

本发明采用的处理器是C8051F340，其是Sihcon公司生产的混合信号片上系统型单片机。因为本发明外部有80路阵元信号，所以选通单元较多，为了控制这些选通单元以及增益控制单元等，处理器的I/O引脚需要比较多，另外因为用到了UART和SPI总线，所以在这里我们选用C8051F340单片机，使其方便扩展不同的接口存储器。

C8051F340单片机内部程序流程图如图3所示，首先对单片机I/O脚、系统时钟、串口功能、SPI功能进行初始化，主要为定义引脚功能，选择系统时钟，确定串口波特率，允许串口中断功能，从而来接收命令和返回数据，选择SPI传输模式。

单片机先判断此时是否收到数据，如果收到数据，提取数据中控制选通单元的命令，给P1、P2、P3和P4脚赋值，通过SPI总线给增益控制单元传送数据实现控制其输出电压的功能，另外，控制选通单元实现选通功能。

选通单元包括多个模拟开关，模拟开关采用的是ADI公司生产的芯片ADG726，1.8～5.5V电源供电，由引脚VDD输入；接受16路差分或32路单端模拟信号输入(引脚S1A～S16A，S1B～S16B)。DA，DB为差分信号输出引脚；A0～A3是通道选择控制引脚，片选引脚CSA、CSB低电平有效。引脚EN、WR分别为芯片使能和写使能，EN低有效。

如图4所示，以一个模拟开关为例，这里采用的是16路差分模拟信号输入，通过DA、DB输出其中一路模拟信号。通过A0～A3是通道选择控制引脚，首先，处理器将EN、WR和CS设为0值，然后，处理器输出A0～A3值(例如0000)，将WR和CS置1，这时，锁定通道选择，此时，DA、DB输出为第1通道的模拟信号。通过设定不同的A0～A3值，可以选择所需要的哪一路模拟信号作为输出。

由于阵元较多，80个通道每16个通道分为一组，其中，前四个通道分别由选通单元中的模拟开关1～模拟开关4分别控制，即通道1～16由选通单元的模拟开关1控制，通道17～32由选通开关的模拟开关2控制，依次类推，然后通过控制选通单元的模拟开关6来选择前面四个通道中的一个通道作为输出，通过控制选通单元的模拟开关5来选择65-80中的一个通道作为输出，从而实现可以通过上层软件来选择80路模拟信号中的两路模拟信号作为输出，以这样的方式，通过对每个模拟开关的通道选择控制引脚的设定依次完成对80路模拟信号的输出，并依次提供给测量单元进行测量，其示意图如图5所示。

增益控制单元如图6所示，其选用Microchipi公司的MCP4921，这里我们采用3V的V_ref，则有0.73mv的分辨率，这样的分辨率对于我们控制增益大小的电压已足够。

我们通过处理器的SPI接口与增益控制单元进行通信，控制其完成D/A(Digitalto Analog，数/模转换)转换，为了给后面的电路提供足够功率的电压，电路中使用LM324作为增益控制单元输出的电压跟随器。

与传统方式通过稳压电源提供给运放单元控制增益不同的是，本发明通过串口命令来产生供给运放单元的电压，进而控制运放单元的放大倍数，下面具体进行说明。

根据原理图以V_dd及芯片功能，LM324的输出电压V_OUT可由下面的公式计算

其中，V_ref是基准元电压，V_dd为电源电压，R8、R9为电阻，D为MCP4921接收到的12位数据，这里我们取R8、R9值为10KΩ，则有

由于MCP4921电源电压V_dd和基准元电压V_ref均为3V。可知，当MCP4921接收到的12位数据D为4096时，LM324输出为3V，当MCP4921接收到的12位数据D为0时，LM324输出为-3V，根据需要可以通过设定D值，来使LM324输出某一固定电压值。

对于D值的设定，结合图7给出的MCP4921操作时序图来进一步说明。由于采用单向传输，故只用到了MCP4921的SDI(数据输入)、SCK(时钟)和CS(片选)。由该时序图可知，来自MCP4921写命令寄存器的待发送16位数据中，低12位为DA值，高四位分别为：A/B、BUF、GA以及SHDN。在这里我们通过无符号字符a，b，提取串口命令中的上述16位数据，a值保存高8位数据，b值保存低8位数据，通过取得a值中低4位AD值，与b值构成了12位AD值(即公式中(1)或(2)的D值)，将此值传送给MCP4921，我们就可以让LM324输出某一固定电压值，进而来控制后端运放单元的增益(即放大倍数)。

该实施例中，运放单元共有两路，以其中一路做说明，其原理图如图8所示。首先用OP37G芯片构成前级放大，前级放大电路的增益为：

其中，R24、R26均为电阻。

然后用VCA810构成二级放大，其放大倍数受增益控制单元控制，其中，VCA810是BURR-BROWN公司生产的宽带、增益连续可变的电压控制放大器，小信号带宽为35MHZ，输出电压3.6V_p-p，输出电流为60mA，具有80dB的增益变化范围，在增益控制单元的输出电压V_ctr控制下，可以连续地、线性地从-40dB变化到+40dB。控制电压对增益G的控制作用为：

G(dB)＝-40V_ctr-40

由OPA2830构成带通滤波电路，从而滤除杂波，方便测量单元后续测量。

最后，测量单元主要完成对接收到的放大信号的幅度、相位等信息的测量。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (4)

1.一种多波束测深仪接收换能器性能检测装置，其特征在于，所述装置包括供电单元、串口通讯单元、处理器、选通单元、多波束接收换能器、增益控制单元、运放单元以及测量单元；

所述供电单元，用于给所述装置供电；

所述串口通讯单元与所述处理器相连，用于接收串口命令并将其传输给所述处理器；

所述处理器分别与所述选通单元、所述增益控制单元相连，并发送命令给所述选通单元和所述增益控制单元进行控制；

所述选通单元分别与所述多波束接收换能器、所述运放单元相连，并根据接收到的所述处理器命令从M路阵元中选择N路作为一次待放大信号传输给所述运放单元；

所述多波束接收换能器与所述选通单元连接，用于将接收到的超声波信号转为电信号；

所述增益控制单元与运放单元相连，根据处理器命令来输出稳定的电压给所述运放单元，进而控制所述运放单元的增益；

所述运放单元与所述测量单元相连，将所述选通单元传输的一次待放大信号进行放大；

所述测量单元，用于对经所述运放单元放大后的信号进行测量。

2.根据权利要求1所述的多波束测深仪接收换能器性能检测装置，其特征在于，所述选通单元由模拟开关组成，其根据所述多波束接收换能器的阵元数目分配匹配的模拟开关数目，并通过每个模拟开关之间的组合完成一次待放大信号的输出。

3.根据权利要求1所述的多波束测深仪接收换能器性能检测装置，其特征在于，所述运放单元的增益由所述增益控制单元的输出电压控制，即：

G(dB)＝-40V_ctr-40

其中，G为所述运放单元的增益，V_ctr为所述增益控制单元的输出电压值。

4.根据权利要求1～3任一权利要求所述的多波束测深仪接收换能器性能检测装置，其特征在于，所述测量单元包括至少对所述N路信号幅度以及相位的测量。