CN105806321A - 一种深海离底高度测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深海离底高度测量系统，包括水声换能器，用于发射超声波信号和接收其回波信号；发射电路，用于输出互补脉冲信号以驱动水声换能器开始工作；接收电路，用于接收水声换能器的回波信号，并对回波信号进行放大、降频及滤波处理；频率控制电路，用于向发射电路和接收电路提供与水声换能器工作频率相匹配的正弦信号；微控制器，通过控制频率控制电路的参数从而控制发射电路发出互补脉冲信号，同时接收电路的回波信号，并进行信号分析处理；通信电路，用于将微控制器得到测量高度数据传输至水下探测系统。本发明整个深海离底高度测量系统的整体尺寸小，方便搭载于各型水下探测设备及水下机器人。
Description
技术领域
本发明涉及一种深海离底高度测量系统，属于海洋信息技术和距离测量技术领域。
背景技术
随着海洋事业的发展，越来越多深海拖体、取样器等设备用于海底的探测及资源开发之中，如我国大洋一号科考船上搭载的电视抓斗及中深孔岩芯取样器。由于海底环境复杂，当这些探测设备下水后，需要多种辅助装备来获取设备本身及其周边环境的参数，深海离底高度测量系统就是一种用于测量水下探测设备距离海底高度的测量系统，其在高清摄像拖体设备、钻机、抓斗等设备坐底过程中发挥着至关重要的作用。
目前水下测距常采用：多波束测量、激光测距等方法。科考船使用的多波束测深系统，其结构复杂、系统庞大，并不适合搭载水下作业设备。而采用换能器阵列的测量方式，需要多个换能器，体积大，不易搭载，成本高。
故，针对目前现有技术中存在的上述缺陷，实有必要进行研究，解决现有技术中存在的缺陷，提供一种体积小、精度高的深海离底高度测量系统。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种抗干扰性强、精度高、体积小、工作深度深的深海离底高度测量系统，直接应用于水下各种探测系统，解决上述已有系统在水下测量不精确、体积大、探测设备不方便搭载的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种深海离底高度测量系统，包括水声换能器，用于发射超声波信号和接收其回波信号；发射电路，用于输出互补脉冲信号以驱动水声换能器开始工作；换能器匹配电路，用于接收并放大发射电路发出的互补脉冲信号，并发射互补脉冲信号至水声换能器以驱动其工作；接收电路，用于接收水声换能器的回波信号，并对回波信号进行放大、降频及滤波处理；采样电路，用于高速采集接收电路处理后的信号；频率控制电路，用于向发射电路和接收电路提供与水声换能器工作频率相匹配的正弦信号，以及向接收电路发射降频所用的调制频率信号；微控制器，通过控制频率控制电路的参数从而控制发射电路发出互补脉冲信号，同时接收由采样电路发出的回波信号，并进行信号分析处理；通信电路，用于将微控制器得到测量高度数据传输至水下探测系统。
优选的，所述发射电路包括波形变换模块、驱动脉冲个数调节模块和二分频模块，所述波形变换模块接收来自频率控制电路的正弦信号，将其变换至方波信号后传递至驱动脉冲个数调节模块进行发射声波脉冲个数的调节，最后经由二分频模块处理输出一对互补脉冲信号。
优选的，所述换能器匹配电路包括MOS管开关电路、用于驱动MOS管开关电路的MOS管驱动器和变压器，发射电路产生的互补脉冲信号输入MOS管驱动器，MOS管驱动器输出信号驱动MOS管开关电路，MOS管开关电路输出双端脉冲信号并通过变压器放大输出。
优选的，所述接收电路包括前置放大模块、混频器模块、低通滤波器模块以及后置放大模块，回波信号经过前置放大模块放大后连接至混频器模块进行信号的调制，实现信号的降频，再连接至低通滤波器模块实现对高频信号的过滤，再通过后置放大模块放大后输出。
优选的，所述采样电路采用ADS1255芯片。
优选的，所述微控制器采用TMS320VC5509ADSP芯片。
优选的，所述频率控制电路采用AD9832数字频率合成器。
优选的，所述通信电路为串口通信电路，采用RS232或RS485任一通信方式。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)整个深海离底高度测量系统的整体尺寸小，方便搭载于各型水下探测设备及水下机器人。
(2)水声换能器通过不停地收发水声信号，不断计算回差时间，得到系统与海底的高度信息；
(3)通信电路不停的将计算后的距离通过串口的方式向外传输数据，水下探测设备及水下机器人经过解析数据可得其与海底的距离。
附图说明
图1为本发明一种深海离底高度测量系统的系统原理框图。
图2为本发明一种深海离底高度测量系统的发射电路原理框图。
图3为本发明一种深海离底高度测量系统的换能器匹配电路原理框图。
图4位本发明一种深海离底高度测量系统的接收电路原理框图。
附图标记说明：10-水声换能器；20-发射电路；201-波形变换模块；202-驱动脉冲个数调节模块；203-二分频模块；30-接收电路；301-前置放大模块；302-混频器模块；303-低通滤波器模块；304-后置放大模块；40-频率控制电路；50-微控制器；60-通信电路；70-换能器匹配电路；701-MOS管驱动器；702-MOS管开关电路；703-变压器；80-采样电路。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
如图1所示，其为本发明实施例的一种深海离底高度测量系统的系统原理框图，包括水声换能器10，用于发射超声波信号和接收其回波信号；发射电路20，用于输出互补脉冲信号以驱动水声换能器10开始工作；换能器匹配电路70，用于接收并放大发射电路20发出的互补脉冲信号，并发射互补脉冲信号至水声换能器10以驱动其工作；接收电路30，用于接收水声换能器10的回波信号，并对回波信号进行放大、降频及滤波处理；采样电路80，用于高速采集接收电路处理后的信号；频率控制电路40，用于向发射电路20和接收电路30提供与水声换能器10工作频率相匹配的正弦信号以及向接收电路30发射降频所用的调制频率信号；微控制器50，通过控制频率控制电路40的参数从而控制发射电路20发出互补脉冲信号，同时接收由采样电路80发出的回波信号，并进行信号分析处理；通信电路60，用于将微控制器50得到测量高度数据传输至水下探测系统。通过以上设置的深海离底高度测量系统在工作时，水声换能器10通过不停地发射超声波信号和接收其回波信号，回波信号通过接收电路30传输至微控制器50，微控制器50通过使用短时傅里叶变换信号处理算法不断精准地计算回差时间，即水声换能器10发射声波和接收回波的时间间隔，得到系统与海底的高度信息，通信电路60不停的将微控制器50计算后的距离向外传输数据，水下探测设备及水下机器人经过解析数据可得其与海底的距离。考虑到水下声速受温度影响较大，微控制器10在处理测量数据的同时，同时进行着声速矫正，以获得更为精准的测量距离。
具体应用实施例中，将微控制器50、频率控制电路40、发射电路20、接收电路30、换能器匹配电路70、采样电路80和通信电路60集成在一起，分成4个圆形板布线，使得整个测量系统的整体尺寸小，方便搭载于各型水下探测设备及水下机器人。
如图2所示，其为本发明实施例的一种深海离底高度测量系统的发射电路原理框图，发射电路20包括波形变换模块201、驱动脉冲个数调节模块202和二分频模块203，波形变换模块201接收来自频率控制电路40的正弦信号，将其变换至方波信号后传递至驱动脉冲个数调节模块202进行发射声波脉冲个数的调节，最后经由二分频模块203处理输出一对互补脉冲信号。频率控制电路40可输出目标水声换能器10所需的工作频率，但是其驱动能力差，且输出信号为单端信号，只能作为时钟信号使用，因此本发明实施例设计了信号发射电路20，经发射电路20后产生的电信号与换能器匹配电路70相连，可用于驱动水声换能器10。发射电路20首先将频率控制电路40产生的正弦信号进行波形变换，变换后的方波信号作为时钟频率信号。由微控制器50的DSP输出的PWM波作为选通脉冲，用于控制驱动脉冲个数调节模块202，控制发射声波的脉冲个数。二分频模块203由双D触发器构成，可用于将频率控制电路40产生的波形进行二分频，输出一对互补脉冲信号连接至换能器匹配电路70。
如图3所示，其为本发明一种深海离底高度测量系统的换能器匹配电路原理框图，换能器匹配电路70包括MOS管开关电路702、用于驱动MOS管开关电路的MOS管驱动器701和变压器703，发射电路产生的互补脉冲信号输入MOS管驱动器，MOS管驱动器输出信号驱动MOS管开关电路，MOS管开关电路输出双端脉冲信号并通过变压器放大。换能器匹配电路70的主要功能就是对一对互补双端信号实现放大以驱动水声换能器10。考虑到由发射电路输入到换能器匹配电路的互补脉冲信号的驱动力不足，无法达到MOS管的开启电压，故使用MOS管驱动器701来提高驱动信号的驱动能力。MOS管开关电路702由两个N沟道的MOS管构成。MOS管驱动器701输出一对驱动能力增强的互补脉冲驱动信号，使得两个MOS管交替导通，实现了信号的单端转双端，输出双端脉冲信号。输出的双端脉冲信号经过半桥变压器703实现信号的放大，从而驱动水声换能器10。
如图4所示，其为本发明一种深海离底高度测量系统的接收电路原理框图，接收电路30包括前置放大模块301、混频器模块302、低通滤波器模块303以及后置放大模块304。由于回波信号较为微弱，故需先经过前置放大模块301放大，方便后续系统的信号处理。回波信号经过前置放大模块301放大后连接至混频器模块302进行信号的调制，通过使用频率控制电路40输出的调制频率信号，实现信号的降频，得到降频后的调制频率-混频器输入频率，再连接至低通滤波器模块303实现对高频信号的过滤，信号经过混频器后会造成信号幅值的降低，故在经由低通滤波器模块303输出后再进行一次放大，通过后置放大模块304放大后输出，再输入至后续的采样电路80进行信号的采集。
在具体应用实施例中，采样电路80采用ADS1255芯片。该芯片是一种低噪声、高精度的24bits模数转换器。
在具体应用实施例中，微控制器50采用TMS320VC5509ADSP芯片。
在具体应用实施例中，频率控制电路40采用AD9832数字频率合成器。微控制器50通过对AD9832数字频率合成器的参数进行设置，向发射电路20中的驱动脉冲个数调节模块202传输PWM波形，
在具体应用实施例中，通信电路60为串口通信电路，通过硬件上的拨码开关，采用RS232或RS485任一通信方式，大大提高系统的适配性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种深海离底高度测量系统，其特征在于，包括
水声换能器，用于发射超声波信号和接收其回波信号；
发射电路，用于输出互补脉冲信号以驱动水声换能器开始工作；
换能器匹配电路，用于接收并放大发射电路发出的互补脉冲信号，并发射互补脉冲信号至水声换能器以驱动其工作；
接收电路，用于接收水声换能器的回波信号，并对回波信号进行放大、降频及滤波处理；
采样电路，用于高速采集接收电路处理后的信号；
频率控制电路，用于向发射电路和接收电路提供与水声换能器工作频率相匹配的正弦信号以及向接收电路发射降频所用的调制频率信号；
微控制器，通过控制频率控制电路的参数从而控制发射电路发出互补脉冲信号，同时接收由采样电路采集的回波信号，并进行信号分析处理；
通信电路，用于将微控制器得到测量高度数据传输至水下探测系统。
2.如权利要求1所述的深海离底高度测量系统，其特征在于，所述发射电路包括波形变换模块、驱动脉冲个数调节模块和二分频模块，所述波形变换模块接收来自频率控制电路的正弦信号，将其变换至方波信号后传递至驱动脉冲个数调节模块进行发射声波脉冲个数的调节，最后经由二分频模块处理输出一对互补脉冲信号。
3.如权利要求2所述的深海离底高度测量系统，其特征在于，所述换能器匹配电路包括MOS管开关电路、用于驱动MOS管开关电路的MOS管驱动器和变压器，发射电路产生的互补脉冲信号输入MOS管驱动器，MOS管驱动器输出信号驱动MOS管开关电路，MOS管开关电路输出双端脉冲信号并通过变压器放大。
4.如权利要求1所述的深海离底高度测量系统，其特征在于，所述接收电路包括前置放大模块、混频器模块、低通滤波器模块以及后置放大模块，回波信号经过前置放大模块放大后连接至混频器模块进行信号的调制，得到降频后的信号，再连接至低通滤波器模块实现对高频信号的过滤，再通过后置放大模块放大后输出。
5.如权利要求3所述的深海离底高度测量系统，其特征在于，所述采样电路采用ADS1255芯片。
6.如权利要求1-5任一所述的深海离底高度测量系统，其特征在于，所述微控制器采用TMS320VC5509ADSP芯片。
7.如权利要求1-5任一所述的深海离底高度测量系统，其特征在于，所述频率控制电路采用AD9832数字频率合成器。
8.如权利要求1-5任一所述的深海离底高度测量系统，其特征在于，所述通信电路为串口通信电路，采用RS232或RS485任一通信方式。
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