CN1059202A

CN1059202A - 水声遥测频率仪

Info

Publication number: CN1059202A
Application number: CN 91108885
Authority: CN
Inventors: 傅仰大; 粘宝卿
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 1991-09-05
Filing date: 1991-09-05
Publication date: 1992-03-04
Anticipated expiration: 2006-09-05
Also published as: CN1024152C

Abstract

本发明提供一种用于直接遥测水声信号频率的装置，它包括信息发送器和信号接收机，发送器采用 PFM-PPM方式发送传输不同频段的频率信息，由传感器、信号处理电路、发射换能器、电源和水密外筒等组成，而接收机采用取样接收处理的方法，复原传感器输出的实时信号的频率，由接收水听器、宽放、数字选频滤波、取样处理和频率测量显示电路等组成。具有转换误差小，简便，稳定可靠，可在毫秒级实现同时遥测多个信号的频率，抗干扰能力强等优点。

Description

本发明涉及一种测量频率的装置。

采用声波在海洋中传输各种信息，是实现海洋遥测的主要手段。虽然先进的电子技术，为水声遥测技术的发展，提供了更加有利的条件，但由于海洋环境的复杂性和海洋声信道的时空多变性，给水声遥测技术所带来的困难仍然存在。水声遥测仪器往往由于强环境噪声的干扰，以及信号在传输中难免受到破坏，而无法正常工作。为此，如何根据信息的性质和特点，选择简单有效的传输方式和最佳的检测接收方法，历来就是水声技术研究的重要内容之一。随着海洋科技的发展，特别是观测海洋要素的需要，各种采集海洋要素的传感器已相继出现，变频信号作为传感器的直接输出或转换后的间接输出信号，是一种最常用的主要信号。当应用传感器采集海洋要素进行水下遥测时，为了避免由于多次的信息转换导致加大测量误差，总要求能对反映海洋要素信息的传感器输出信号的频率，直接进行遥测。尤其当传感器的输出不完全是线性时，对其输出信号频率的直接遥测，就更加需要。属于一种过零声信号分析仪，包含多个并联联接的相邻调谐滤波器通道，将输入的声信号分离成多个相邻的副载频。过零分析为每一个副载频测定他们相继过零的时间周期提供可能，那么，来自每一副载频的时间周期的倒数同时被规定用频率-时间对应显示。每一个滤波器通道同样也形成一个信号，此信号的幅度比例于各自对应的副载频的频率，由此形成一个以频率-幅度对应的显示。

SU-437-923号专利公开了一种由射频发射器和接收器组成的压电换能器来测量机械振动的谐振频率。这个发明涉及液化气体消耗的程度和速率，它包含浸没在液体中的两个压电晶体，其中一个由射频脉冲发生器激励，另一个是接收器，它将液体中的声波转换成电信号，通过放大后寄存在单元中。发明中所提出的测量方法的技术特点是通过变化射频脉冲的频率，使发射器的频率调整在谐振频率的附近，通过所转换的电信号的最大值的出现来确定液体中的谐振频率。谐振频率的精确值由频率计显示。

CN-86210266U专利公开了一种分段电极园管水听器，采用了不等宽度的分段电极压电陶瓷园管作为灵敏元件，从而实现了高灵敏度并简化了装配工艺。水听器的灵敏度为-179db（0db＝1V/μpa）。灵敏度起伏±1·5db，频带为20HZ～45KHZ，水听器自噪声低于海洋中的wenz噪声，它可以检测海洋中最低的环境噪声。

虽然不少已有的海洋遥测仪器是为海洋要素的测量而设计的，但迄今还没有能遥测各种海洋要素传感器直接或间接（转换后）输出信号的频率的通用性仪器或设备。

本发明的目的在于提供一种用于直接遥测水声信号频率的装置。

本发明包括信息发送器和信号接收机两部分。发送器采用PFM-PPM方式发送传输不同频段的频率信息，接收机采用取样接收处理方法，复原传感器输出的实时信号的频率。信息发送器包括一个以上（含一个）的海洋要素传感器、信号处理电路、发射换能器、电源和水密外筒等。信号处理电路包括整形放大电路、调制电路、调制计数器、门控电路、控制计数器、晶振器、与门、调制振荡器和功放电路等。传感器的输出信号经整形、放大和调制电路后送调制计数器实现PPM方式，调制计数器的PPM信号输出送与门1和2，与门的开启由门控电路2的输出控制，而门控2又受门控1的输出和控制计数器的输出通过与门3输出的控制。与门1和2的输出输入调制振荡器和返回门控1、2及调制计数器、控制计数器。调制振荡器输出的已调PFM-PPM信号经功放电路加于发射换能器。

信号接收机包括接收水听器（换能器）、宽带放大电路、数字选频滤波电路、取样处理电路和频率测量显示电路等。接收水听器的输出经宽带放大电路送入数字选频滤波电路，并输出PFM-PPM信号。

所说的取样处理电路包括频段控制电路、选频开关、计数器、反相器、与门和门控器等。数字选频滤波电路分两频段输出分别与频段控制电路和选频开关连接，频段控制电路的输出分别与选频开关和频率测量显示电路连接，选频开关的输出送与门1，门控器的输出送与门1，与门1的输出送与门2，与门2的输出返回计数器1和门控器，计数器1的输出送频率测量显示电路和反相器，反相器的输出作为与门2的输入。

频率测量显示电路包括对被测频率值的快速显示和复原被测信号的模拟输出，电路包括晶振器、与门电路、或门、计数器、取样时间寄存器、比较器、分频器、计数器显示器、十进计数器和接口电路等。取样处理电路的输出送与门3、4和十进寄存器以及取样时间寄存器、接口电路。晶振器的时钟信号通过与门3、4、6进入计数器2、3和十进计数器。计数器2的输出和频段控制电路通过与门7、8后接或门，或门的输出分别与二分频器1和计数器2连接。二分频器1的输出通过取样时间寄存器后与计数器3的输出一起输入比较器。比较器的输出一路通过二分频器2后形成方波输出，另一路送回计数器3。十进计数器的输出与频段控制电路的输出通过接口电路送计数器显示电路。

本发明提供了一种能遥测各种海洋要素传感器直接或间接（转换后）输出信号的频率的通用仪器，它具有如下的优点。

a、发射系统的电路采用固定周波数调制脉位形成PPM方式，具有转换误差小及简便、稳定的优点。应用PFM方式鉴别不同测量频段的方法，便于根据被测信号的频率范围以及测量精度的要求，分成若干个频段进行传输和遥测，以提高测量精度。这种原理和方法，可普遍用于与频率有关的其他信息（电压、图像等）的传输和测量，亦适于采用微处理器进行处理。

b、采用取样的测量处理方法，可在毫秒级的短时间内，实现传输和遥测信号的频率，它便于同时传输、遥测多个信号的频率。当接收端配用微处理器时，更可快速跟踪、遥测信号频率的变化情况，这在实用上具有独特的优点。对多数水下遥测系统，为了能在特定的自供电条件下，延长水下发送器的工作时间，经常采用间断工作的方法。但发送这种瞬变、间断的频率信息，往往增加了对其检测的困难，而采用上述对频率信息取样处理的测量方法，有效地克服了这一困难。

c、系统结构合理，使用数字选频滤波电路分离检测频段信息，以及采用取样处理测量方法等，技术先进，抗干扰能力强，测量准确，可靠性高。信号在复杂、多变的海洋信道中传输时，即使信号受到较大的破坏，只要有任意相邻的两个信号码元存在，系统尚可进行快速、准确的测量。

图1为信息发送器电原理方框图。

图2为信息发送器电原理图。

图3为信息发送器各级波形图。

图4为信号接收机电原理方框图。

图5为信号接收机电原理图。

图6为信号接收机取样处理电路各级波形图。

以下实施例结合附图将对本发明做进一步的说明。

本发明由信息发送器和信号接收机组成。仪器根据水深小于500米的浅海信道随机不均匀性干扰较大，噪声较强的特点，以及被测信号的频率范围为1KHZ～16KHZ，测量误差小于0.5%等技术要求，选用PFM-PPM（即脉冲频率调制-脉冲位置调制）的并用传输方式。

图1是实现PFM-PPM方式的电路框图。传感器〔1〕输出的变频信号a，经放大整形〔2〕为信号b，再经调制〔3〕后得间断的信号c。调制计数器〔4〕的功能是实现PPM方式，即产生相应的PPM信号输出，在其调制过程中，它配合其他部件同时把被测信号c在1KHZ～16KHZ的频率范围内，自动分为1KHZ≤fa≤4KHZ和4KHZ＜f_b≤16KHZ二个频段进行脉位调制。当信号c的频率在fa频段时，调制计数器输出的PPM脉冲列的位置间隔为信号c的32个周期波。当c的频率为f_b频段时，其输出的脉冲位置间隔为信号c的128个周期波。从而使二种调制输出脉冲列的脉位间隔范围均为32ms-8ms。把f_b频段的调制周波数提高4倍，使脉冲位置间的间隔不小于8ms，目的在于提高抗信道不不均匀性和多途径效应等干扰能力。调制计数器的两个输出端“32”和“128”为计满信号c的32个和128个周期波后的输出，即分别为f_a和f_b频段的PPM输出信号，其输出再分别送到与门1〔6〕和与门2〔7〕。与门1、2的启开，由门控器2〔11〕的d₁和d₂控制，而门控2又受到门控1〔5〕的输出m及控制计数器〔12〕的输出n通过与门3〔8〕的输出p控制。p是否有输出是根据信号c的频率而定。其电路逻辑过程如下。

设信号c的频率在f_a频段内，小于4KHZ。电路初始状态是m及d₂均处于高电平，d₁处于低电平，调制计数器及控制计数器均被清“0”。电路开始工作后，信号c即进入调制计数器，同时晶振器〔13〕的4KHZ信号也进入控制计数器。当控制计数器计满32个周期波后n输出正脉冲时，由于信号c的频率小于4KHZ，所以调制计数器的“32”输出端，由于还没有计满32个周期波，因而还没有信号输出，门控1的初状态不变，这时m仍处于高电平，n即通过与门3输出p。门控2在p的作用下，d₂即转为低电平，d₁则转为高电平，与门1便处于启开状态。当调制计数器也计满32个周期波后，其“32”的输出信号则通过与门1输出g。g一方面进入调制振荡器〔9〕，另方面则返回门控1、2及对调制计数器和控制计数器清“0”，使电路复原为初始状态，以使紧接着重复上述过程。图3为上述过程的各级波形图。若信号c的频率在f_b频段，即高于4KHZ，则调制计数器和控制计数器同时开始工作后，由于信号c的频率高于4KHZ，所以调制计数器必先计满32个周波数，在“32”输出端输出正脉冲。这时，由于d₁仍处于低电平，信号“32”无法通过与门1输出，但信号“32”则进入门控1，使m转为低电平，滞后到达的控制计数器的输出信号n，就无法通过与门3，p没有信号输出，d₂仍然保持高电平，d₁保持低电平。由于信号“32”输出的正脉冲，没能通过与门1，g没有信号输出，所以调制计数器继续往下计数，直至计满128个周波数时，其“128”端输出脉冲信号，则由于d₂仍处于高电平状态，该脉冲即通过与门2输出信号e，e一方面输入调制振荡器〔10〕，另一面返回门控1、2及调制计数器和控制计数器清“0”，同样使电路复原后又重复上述过程。与门1、2的输出信号g及e，即为按频段f_a和f_b进行32个和128个周期波调制的PPM脉冲列。相应的输出信号h及i则是按频段要求具有不同载波频率f₁及f₂的已调PFM-PPM信号，经功放电路〔14〕后，加于发送换能器Z₁。

图2给出信息发送器的电原理图。传感器输出的变频信号a从IC₁输入经整形、放大和调制输出间断信号C，并送入调制计数器IC₂。门控1、2由IC₃完成。IC₄的8～10，5～7，1～3组成与门1～3。IC₅为控制计数器，IC₇为4KHZ晶振器，IC₆为调制振荡器，IC₈为电子开关。T₁～T₄组成功放电路，Z₁为发射换能器。

信息发送器各级的波形如图3所示。

图4给出信号接收机电原理方框图。水听器Z₂的输出信号经宽带放大〔15〕后送入具有抗强噪声性能的数字选频滤波最佳接收电路〔16〕，该电路具有有效分离PFM信号的优点，其输出（a）、（b）分别是载波频率为f₁、f₂的PFM-PPM信号。经选频开关〔18〕后，输出（c）则为和（a）或（b）相对应的原来发送的PPM信号，（c）即送入取样处理电路。选频开关由频段控制电路〔17〕控制。

取样处理与测量是指在PPM脉冲列中，取任意瞬间的两个相邻码元脉冲所带的频率信息，作为该秒内或更长时间内的频率信息进行测量处理。在每次取样测量开始前，计数器1〔23〕的输出端“1”和“2”均是低电平，（d）和（e）均是高电平，与门1〔20〕和与门2〔21〕处于启开状态。测量开始时，由（c）输出的PPM信号到达的第一个码元脉冲即通过与门1和与门2，其输出（h）送入计数器1和门控器〔19〕，使（d）在一段时间转为低电平，这段时间略小于PPM序列中两个相邻脉冲的最短间隔时间8ms。同时在（h）的作用下，计数器1的“1”输出端转为高电平。在紧接的第二个码元脉冲到来时，仍可通过该与门1和与门2，其输出同样被送入计数器1和门控器，这时计数器1的输出端“1”转为低电平，“2”转为高电平。在第三个码元脉冲到来时，与门1虽仍再开放，但与门2已关闭，至此电路完成对PPM信号的取样。以后所有到达的码元脉冲信号均通不过与门2，直到要进行另一次取样时，通过对整体电路进行清“0”，使电路恢复到取样的状态为止。在取样过程中，也同时把所取得的两个相邻脉冲的间隔时间参数，进行量化、寄存和处理。在取到第一个脉冲后，由于计数器1的输出端“1”即转为高电平，所以启开了与门4〔25〕和与门6〔28〕，10MHZ晶振器〔26〕和1MHZ晶振器〔27〕的时钟信号分别通过与门4和6，进入计数器2〔29〕和十进计数器〔38〕。10MHZ的信号是产生模拟被测信号用的量化时钟信号。1MHZ的信号是快速显示出测量值使用的量化时钟信号。计数器2的“32”和“128”两个输出端，表示每计满32个或128个数后，分别有信号输出。但其输出是否可以通过与门7〔30〕或与门8〔31〕，是受频段控制器的输出a和b控制，而频段控制器的输出是由数字选频电路的输出（a）和（b）决定，并与之相对应。当接收到的信号是f_a频段的信息时，（a）有信号输出，（b）端没有信号输出，与之相对应的频段控制器的a端为高电平，b端为低电平，反之若（b）有输出，相对应的b则为高电平。a端和b端同时控制选频开关，接通相应的（a）或（b）端。设接收到的是f_a频段的信息，即（a）有输出，a为高电平，与门7被启开，这时计数器2每计满32个数后，“32”的输出信号即通过与门7及或门1〔32〕进入二分频器1〔33〕，或门1的输出同时返回计数2进行清“0”，以便继续重新计数。二分频器1的输出，送入取样时间寄存器〔34〕（它是一个根据被测频率的最大周期和时钟脉冲的频率，选定足够位数的二进制计数器）。计数器2的“32”和“128”输出端，是根据原发送的PPM脉冲序列的脉位间隔，系按测量频段以32个和128个周期波调制而设计的，即把所取样的PPM两相邻脉冲的时间间隔参数，再分离为原调制的32个或128个信号周期进行量化寄存。由于或门1的输出，要经二分频器1再进入取样时间寄存器，所以在寄存器内所寄存的时间参数，仅是实时被测信号的半个周期的时间参数。由于与门4和6是同时被启开的，在10MHZ的时钟信号通过与门4进行上述的取样寄存的同时，1MHZ的时钟信号也在通过与门6进行取样计数，即（i）进入十进计数器。电路所进行的上述两方面的量化、寄存的工作，是在每次取样第一个码元脉冲后开始的。当取样电路取到相邻到达的第二码元脉冲时，计数器1的输出端“1”即转为低电平，与门4、6也即同时被关闭。至此，电路完成了一次对PPM信号两个相邻码元脉冲的时间间隔的取样、模数转换及寄存的工作过程。在“1”转为低电平的同时，“2”转为高电平，它一方面通过反相器〔22〕关闭与门2，另方面启开与门3〔24〕，10MHZ的时钟信号经与门3输出（n），（n）即进入计数器3〔35〕，每当计数器3所计的时钟脉冲数同取样时间寄存器内的数相等时，则通过比较器〔36〕输出一个脉冲信号（p），它即进入二分频器2〔37〕，并同时返回计数器3进行清“0”，以便计数器3紧接着重新计数。由于取样时间寄存器所寄存的时间参数，仅是原被测信号周期的一半，则比较器的输出信号（p），其频率将比原被测信号的频率高一倍，经二分频器2以后，即输出信号（j）的频率则与原被测信号的频率相同，所以输出信号（j）可模拟为取样瞬间原被测的实时信号。信号从进入寄存器前到最后（j）输出先后使用二次1/2分频器，其目的是为达到复原的信号（j）为连续的对称方波信号，便于后续电路进一步处理测量。（j）的输出保持至进行另一次取样测量前为止。在“2”转为高电平时，它的输出还同时送入接口电路〔39〕，在“2”的作用下，接口电路把十进计数器内的x，送入计算器，接着按要求指挥计算器进行32/x或128/x的运算。至于是进行32/x或128/x的运算，系由频段控制器的输出a、b控制。经上述简单式子运算后由显示器〔40〕显示的数据，即为被测信号的实时频率值（单位MHZ），上述的运算如不采用计算器而采用一般的乘、除法器也容易实现。图6为取样测量处理的被形图。

图5给出信号接收机的电原理图。IC9完成频段控制和二分频器1的功能，IC10的8～10和12～14脚作为与门2和1，IC11的12～14脚为或门1，IC12为门控器，IC13为计数器1，IC14为反相器，IC15的8～10，1～3，5～7脚分别为与门3、4和6，IC16为10MHZ和1MHZ晶振器，IC17为计数器2，IC18的5～7，1～3脚组成与门7和8，IC19和20组成计数器3，IC21和22组成寄存器，IC23～26组成比较器，IC27组成二分频器2。另外〔38〕为5位十进制计数器，〔39〕为接口电路，〔40〕为计数器显示，完成32/x或128/x。

图6给出取样测量处理的波形图。

Claims

1、一种水声遥测频率仪，包括信息发送器和信号接收机，其特征在于(1)、所说的信息发送器包括一个以上(含一个)的海洋要素传感器、信号处理电路、发射换能器、电源和水密外筒等，信号处理电路包括整形放大电路、调制电路、调制计数器、门控电路、控制计数器、晶振器、与门、调制振荡器和功放电路等，传感器的输出信号经整形放大和调制电路送调制计数器实现PPM方式，再输出至与门1和2，与门1、2的输出送调制振荡器和返回门控1、2以及调制计数器和控制计数器，调制振荡器输出的已调PFM-PPM信号经功放电路加于发射换能器，与门的开启受门控电路和控制计数器的控制；(2)、所说的信号接收机包括接收水听器(换能器)、宽带放大电路、数字选频滤波电路、取样处理电路和频率测量显示电路等，接收水听器的输出送宽带放大电路送数字选频滤波电路，输出的PFM-PPM信号，经取样处理电路后由频率测量显示电路输出复原被测信号和频率显示。

2、如权利要求1所述的水声遥测频率仪，其特征在于所说的取样处理电路包括频段控制电路、选频开关、计数器、反相器、与门和门控器等，数字选频滤波电路分两频段输出分别与频段控制电路和选频开关连接，频段控制电路的输出分别与选频开关和频率测量显示电路连接，选频开关的输出送与门1，门控器的输出送至与门1，与门1的输出送与门2，与门2的输出返回计数器1和门控器，计数器1的输出送频率测量显示电路和反相器，反相器的输出作为与门2的输入。

3、如权利要求1所述的水声遥测频率仪，其特征在于所说的频率测量显示电路包括晶振器、与门电路、或门、计数器、取样时间寄存器、比较器、分频器、计数器显示器、十进计数器和接口电路等，取样处理电路的输出送与门3、4和十进寄存器以及取样时间寄存器、接口电路，晶振器的时钟信号通过与门3、4、6进入计数器2、3和十进计数器，计数器2的输出和频段控制电路通过与门7、8后接或门，或门的输出分别与二分频器1和计数器2连接，二分频器1的输出通过取样时间寄存器后与计数器3的输出一起输入比较器，比较器的输出一路通过二分频器2后形成方波输出，另一路送回计数器3，十进计数器的输出与频段控制电路的输出通过接口电路送计数器显示电路。