CN105988116A - 一种水下声学测距、投放与回收系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水下声学测距、投放与回收系统，该系统采用三分体结构，其中的第一分体包括换能器，第二分体包括电子舱、框架结构、释放机构、壳体结构、接收发射模块、电源管理模块、信号处理模块以及压力传感器，第三分体包括电池、框架结构及壳体结构；在第二分体内，电子舱与释放机构均通过框架结构安装在壳体结构内，接收发射模块、电源管理模块、信号处理模块以及压力传感器均位于电子舱内，且压力传感器与释放机构相邻；在第三分体内，电池通过框架结构安装在壳体结构内；第一分体内的换能器与第三分体内的电池均通过电缆连接在第二分体内的电子舱上；释放机构包括释放电机和机械释放钩。
Description
技术领域
本发明涉及声学测量领域，特别涉及一种水下声学测距、投放与回收系统及方法。
背景技术
我国是个海洋大国，随着经济建设的发展和综合国力的提高，我国对海洋资源的开发和保护越来越重视。各种海洋工程的建设、对海洋油气和深海矿产资源的调查和开发投入日益加大，因而对海洋仪器设备也提出了更高的要求。
现有的水下声学设备功能单一、结构一体而尺寸大、系统自身重量大而承重负载小，不能同时具备测距、投放、回收的功能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的水下声学设备功能单一的缺陷，从而提供一种能在一台设备上实现水下声学测距、投放与回收的系统。
为了实现上述目的，本发明提供了一种水下声学测距、投放与回收系统，该系统采用三分体结构，其中的第一分体包括换能器1，第二分体包括电子舱2、框架结构4、释放机构5、壳体结构6、接收发射模块10、电源管理模块11、信号处理模块12以及压力传感器17，第三分体包括电池3、框架结构4及壳体结构6；其中，
在所述第二分体内，所述电子舱2与释放机构5均通过框架结构4安装在所述壳体结构6内，所述接收发射模块10、电源管理模块11、信号处理模块12以及压力传感器17均位于电子舱2内，且压力传感器17与所述释放机构5相邻；在所述第三分体内，所述电池3通过框架结构4安装在所述壳体结构6内；第一分体内的换能器1与第三分体内的电池3均通过电缆7连接在第二分体内的电子舱2上；所述释放机构5进一步包括释放电机8和机械释放钩9，所述机械释放钩9在释放电机8的操控下开启或闭合；所述接收发射模块10用于接收和发射信号；所述换能器1对所接收或所要发射的信号做电信号与声信号之间的转换；所述电源管理模块11用于对系统中其他部件的电源进行管理；所述信号处理模块12从外部接收水声遥控指令，根据该水声遥控指令切换待机模式或工作模式，并实现功率控制；所述信号处理模块12还与电源管理模块11配合完成电源管理控制任务；所述信号处理模块12从外部接收询问信号并处理，根据处理结果向外部回复测距信号，配合外部的设备完成测距。
上述技术方案中，所述接收发射模块10进一步包括收发合置开关14、接收机15和发射机16；其中，所述收发合置开关14的作用是在接收阶段保护接收机15免于发射时的高电压带来的损坏，在发射阶段防止降低系统的接收灵敏度；所述接收机15用于经由收发合置开关14接收的信号的滤波、放大；所述发射机16用于提高发射的功率，实现功率放大级与换能器之间的阻抗匹配，进而提高电声能量之间的转换效率。
上述技术方案中，所述发射机16分成驱动级18、功率放大级19、匹配网络20三部分；信号处理模块12所生成的脉冲信号经过所述驱动级18去驱动功放管的开关，以提高发射机的输出功率；所述功率放大级19用于放大发射信号的功率；所述匹配网络20用于实现所述换能器1和功率放大级19之间的阻抗匹配，同时提高整个发射机的效率。
上述技术方案中，所述电源管理模块11包括电源转换单元23，该电源转换单元23与电池3相连；所述电源转换单元23包括四个工作模块电源：信号处理模块电源24、功放电源25、压力传感器电源26和释放机构电源27，该单元在各部分电源之间安装有保护二极管。
上述技术方案中，所述电子舱2以及第三分体内用于安装所述电池3的壳体结构6密闭防水。
上述技术方案中，所述压力传感器17的功能是当信号处理模块12收到上传深度信息命令时，打开压力传感器电源控制信号，并连续多次读取深度信息，将深度信息平均之后通过水声通信模式上传。
上述技术方案中，所述电池3采用聚合物锂电池，通过串并结构输出电压7.0V～21V。
本发明还提供了采用水下声学测距、投放与回收系统所实现的水下声学测距方法，包括：
步骤101)、换能器1接收到外部设备通过水声通信信道发送的询问信号，将该信号转换为电信号；
步骤102)、接收发射模块10中的接收机15接收电信号形式的询问信号，并传输给信号处理模块12；
步骤103)、信号处理模块12从询问信号中提取能量和相位信息，完成能量和相位的联合信号检测和参数估计，
步骤104)、信号处理模块12由信号检测与参数估计结果生成测距信号，通过接收发射模块中的发射机16发射电信号形式的测距信号；
步骤105)、所述换能器1将电信号形式的测距信号转换为声信号后通过水声通信信道发射出去，这一测距信号配合外部的设备完成测距。
本发明又提供了采用水下声学测距、投放与回收系统所实现的水下设备投放方法，包括：
步骤201)、换能器1接收到外部设备通过水声通信信道发送的水声遥控指令，将该指令转换为电信号；
步骤202)、接收发射模块10中的接收机15接收电信号形式的水声遥控指令，并传输给信号处理模块12；
步骤203)、信号处理模块12根据水声遥控指令向释放机构5发出相应的命令；
步骤204)、释放机构5接收到命令后，打开释放机构电源27的控制信号，通过释放电机8旋转，水下设备上方连接的机械释放钩9打开，水下设备会随着下方的锚沉入水底，实现水下设备的投放；
步骤205)、释放机构5上传释放成功指令。
本发明再提供了采用水下声学测距、投放与回收系统所实现的水下设备回收方法，包括：
步骤301)、换能器1接收到外部设备通过水声通信信道发送的水声遥控指令，将该指令转换为电信号；
步骤302)、接收发射模块10中的接收机15接收电信号形式的水声遥控指令，并传输给信号处理模块12；
步骤303)、信号处理模块12根据水声遥控指令向释放机构5发出相应的命令；
步骤304)、释放机构5接收到命令后，打开释放机构电源27的控制信号，通过释放电机8旋转，用于连接水下设备和锚的机械释放钩9打开，水下设备由浮球提供浮力上浮，实现水下设备的回收；
步骤305)、释放机构5上传释放成功指令。
本发明的优点在于：
1、本发明的系统集成了声学测距、水下设备投放与回收的功能，有助于降低成本、减小设备的体积与重量；
2、本发明的系统采用三分体的设计方式，具有体积小、安装灵活、方便平衡等诸多优点；
3、本发明的系统中采用了高效率的分级电源管理，是实现系统低功耗的一个有效途径；
4、本发明为昂贵仪器的回收及数据的获取提供了技术支撑。
附图说明
图1是本发明的水下声学测距、投放与回收系统的结构示意图；
图2是本发明的水下声学测距、投放与回收系统中的电子设备的示意图；
图3是本发明的水下声学测距、投放与回收系统中的发射机的结构示意图；
图4是本发明的水下声学测距、投放与回收系统中的电源管理框图。
图5是本发明的水下声学测距、投放与回收系统中的信号处理模块的结构框图。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步的描述。
参考图1和图2，本发明的水下声学测距、投放与回收系统采用三分体结构，其中的第一分体包括换能器1，第二分体包括电子舱2、框架结构4、释放机构5、壳体结构6、接收发射模块10、电源管理模块11、信号处理模块12以及压力传感器17，第三分体包括电池3、框架结构4及壳体结构6；在所述第二分体内，所述电子舱2与释放机构5均通过框架结构4安装在所述壳体结构6内，所述接收发射模块10、电源管理模块11、信号处理模块12以及压力传感器17均位于电子舱2内，且压力传感器17与所述释放机构5相邻；在所述第三分体内，所述电池3通过框架结构4安装在所述壳体结构6内；第一分体内的换能器1与第三分体内的电池3均通过电缆7连接在第二分体内的电子舱2上；所述释放机构5进一步包括释放电机8和机械释放钩9，所述机械释放钩9在释放电机8的操控下开启或闭合；所述接收发射模块10用于接收和发射信号；换能器1对所接收或所要发射的信号做电信号与声信号之间的转换；所述电源管理模块11用于对系统中其他部件的电源进行管理；所述信号处理模块12从外部接收水声遥控指令，并根据该水声遥控指令切换待机模式或工作模式，并实现功率控制，同时与电源管理模块11配合完成电源管理控制任务；所述信号处理模块12从外部接收询问信号并处理，根据处理结果向外部回复测距信号，配合外部的设备完成测距功能。
下面对本发明的系统做进一步的说明。
所述释放机构5用于实现本发明的系统所服务的水下设备的投放和回收。当需要在水下投放水下设备时，释放机构5接收到信号处理模块12所发出的释放命令，打开释放机构电源27(参见图4)的控制信号，通过释放电机8旋转，设备上方连接的机械释放钩9打开，水下设备会随着下方的锚沉入水底，实现水下设备的投放，释放机构5通过水声通信模式上传释放成功指令。当设备需要回收时，释放机构5接收到信号处理模块12所发出的释放命令，打开释放机构电源27(参见图4)的控制信号，通过释放电机8旋转，用于连接水下设备和锚的机械释放钩9打开，水下设备由浮球提供浮力上浮，实现水下设备的回收。
所述电子舱2具有密闭防水的功能，能够保护电子舱2内的电子器件受到水的侵蚀。第三分体内用于安装所述电池3的壳体结构6也具有密闭防水的功能，防止电池3受到水的侵蚀。
如图2所示，所述接收发射模块10进一步包括收发合置开关14、接收机15和发射机16；其中，所述收发合置开关14的作用是在接收阶段利用两个高速二极管来保护接收机免于发射时的高电压带来的损坏，在发射阶段防止降低系统的接收灵敏度；接收机15的作用是完成接收信号的滤波、放大；发射机16的作用是提高发射的功率，实现功率放大级与换能器之间的阻抗匹配，进而提高电声能量之间的转换效率。
如图3所示，单个发射机可以分成驱动级18、功率放大级19、匹配网络20三部分；输出脉冲信号直接由信号处理模块12生成，经过驱动级18去驱动功放管的开关，以提高发射机的输出功率；驱动级18进一步包括驱动电路21和防双导电路22；功率放大级19的作用是放大发射信号的功率；匹配网络20的功能是实现换能器1和功率放大级19之间的阻抗匹配，同时提高整个发射机的效率。
如图4所示，电源管理模块11包括电源转换单元23，该电源转换单元23与电池3相连。电源转换单元23包括四个工作模块电源：信号处理模块电源24、功放电源25、压力传感器电源26和释放机构电源27，该单元在各部分电源之间加了保护二极管，以减小各部分之间的相互影响。
所述信号处理模块12主要由一片低功耗信号处理器完成信号处理和待机任务；整个系统采用数字通信方式，声学指令占用多个信道，由于信号是由外部宽带接入，因此信号处理器内部做多路窄带滤波器，分别进行各个频点的窄带滤波，提取能量和相位信息，完成能量和相位的联合信号检测和参数估计，所得到的结果能够用于对水声遥控指令的响应以及测距功能的实现。
压力传感器17的功能是当信号处理模块12收到上传深度信息命令时，打开压力传感器电源控制信号，并连续多次读取深度信息，将深度信息平均之后通过水声通信模式上传。
电池3采用聚合物锂电池，通过串并结构输出电压7.0V～21V。
本发明的水下声学测距、投放与回收系统具有两种模式：待机模式和工作模式。系统在水声遥控指令的控制下，在这两种模式之间切换。在待机模式下，本发明的系统具有水下设备投放、水下设备回收的功能，在工作模式下，本发明的系统具有水下设备投放、水下设备回收、水下声学测距的功能。下面分别对这些功能的实现流程进行说明。
一、水下声学测距
步骤101)、换能器1接收到外部设备通过水声通信信道发送的询问信号，将该信号转换为电信号；
步骤102)、接收发射模块10中的接收机15接收电信号形式的询问信号，并传输给信号处理模块12；
步骤103)、信号处理模块12从询问信号中提取能量和相位信息，完成能量和相位的联合信号检测和参数估计，
步骤104)、信号处理模块12由信号检测与参数估计结果生成测距信号，通过接收发射模块中的发射机16发射电信号形式的测距信号；
步骤105)、所述换能器1将电信号形式的测距信号转换为声信号后通过水声通信信道发射出去，这一测距信号配合外部的设备能够完成测距功能。
二、水下设备投放
步骤201)、换能器1接收到外部设备通过水声通信信道发送的水声遥控指令，将该指令转换为电信号；
步骤202)、接收发射模块10中的接收机15接收电信号形式的水声遥控指令，并传输给信号处理模块12；
步骤203)、信号处理模块12根据水声遥控指令向释放机构5发出相应的命令；
步骤204)、释放机构5接收到命令后，打开释放机构电源27的控制信号，通过释放电机8旋转，水下设备上方连接的机械释放钩9打开，水下设备会随着下方的锚沉入水底，实现水下设备的投放；
步骤205)、释放机构5上传释放成功指令。
三、水下设备回收
步骤301)、换能器1接收到外部设备通过水声通信信道发送的水声遥控指令，将该指令转换为电信号；
步骤302)、接收发射模块10中的接收机15接收电信号形式的水声遥控指令，并传输给信号处理模块12；
步骤303)、信号处理模块12根据水声遥控指令向释放机构5发出相应的命令；
步骤304)、释放机构5接收到命令后，打开释放机构电源27的控制信号，通过释放电机8旋转，用于连接水下设备和锚的机械释放钩9打开，水下设备由浮球提供浮力上浮，实现水下设备的回收；
步骤305)、释放机构5上传释放成功指令。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种水下声学测距、投放与回收系统，其特征在于，该系统采用三分体结构，其中的第一分体包括换能器(1)，第二分体包括电子舱(2)、框架结构(4)、释放机构(5)、壳体结构(6)、接收发射模块(10)、电源管理模块(11)、信号处理模块(12)以及压力传感器(17)，第三分体包括电池(3)、框架结构(4)及壳体结构(6)；其中，
在所述第二分体内，所述电子舱(2)与释放机构(5)均通过框架结构(4)安装在所述壳体结构(6)内，所述接收发射模块(10)、电源管理模块(11)、信号处理模块(12)以及压力传感器(17)均位于电子舱(2)内，且压力传感器(17)与所述释放机构(5)相邻；在所述第三分体内，所述电池(3)通过框架结构(4)安装在所述壳体结构(6)内；第一分体内的换能器(1)与第三分体内的电池(3)均通过电缆(7)连接在第二分体内的电子舱(2)上；所述释放机构(5)进一步包括释放电机(8)和机械释放钩(9)，所述机械释放钩(9)在释放电机(8)的操控下开启或闭合；所述接收发射模块(10)用于接收和发射信号；所述换能器(1)对所接收或所要发射的信号做电信号与声信号之间的转换；所述电源管理模块(11)用于对系统中其他部件的电源进行管理；所述信号处理模块(12)从外部接收水声遥控指令，根据该水声遥控指令切换待机模式或工作模式，并实现功率控制；所述信号处理模块(12)还与电源管理模块(11)配合完成电源管理控制任务；所述信号处理模块(12)从外部接收询问信号并处理，根据处理结果向外部回复测距信号，配合外部的设备完成测距。
2.根据权利要求1所述的水下声学测距、投放与回收系统，其特征在于，所述接收发射模块(10)进一步包括收发合置开关(14)、接收机(15)和发射机(16)；其中，所述收发合置开关(14)的作用是在接收阶段保护接收机(15)免于发射时的高电压带来的损坏，在发射阶段防止降低系统的接收灵敏度；所述接收机(15)用于经由收发合置开关(14)接收的信号的滤波、放大；所述发射机(16)用于提高发射的功率，实现功率放大级与换能器之间的阻抗匹配，进而提高电声能量之间的转换效率。
3.根据权利要求2所述的水下声学测距、投放与回收系统，其特征在于，所述发射机(16)分成驱动级(18)、功率放大级(19)、匹配网络(20)三部分；信号处理模块(12)所生成的脉冲信号经过所述驱动级(18)去驱动功放管的开关，以提高发射机的输出功率；所述功率放大级(19)用于放大发射信号的功率；所述匹配网络(20)用于实现所述换能器(1)和功率放大级(19)之间的阻抗匹配，同时提高整个发射机的效率。
4.根据权利要求1所述的水下声学测距、投放与回收系统，其特征在于，所述电源管理模块(11)包括电源转换单元(23)，该电源转换单元(23)与电池(3)相连；所述电源转换单元(23)包括四个工作模块电源：信号处理模块电源(24)、功放电源(25)、压力传感器电源(26)和释放机构电源(27)，该单元在各部分电源之间安装有保护二极管。
5.根据权利要求1所述的水下声学测距、投放与回收系统，其特征在于，所述电子舱(2)以及第三分体内用于安装所述电池(3)的壳体结构(6)密闭防水。
6.根据权利要求1所述的水下声学测距、投放与回收系统，其特征在于，所述压力传感器(17)的功能是当信号处理模块(12)收到上传深度信息命令时，打开压力传感器电源控制信号，并连续多次读取深度信息，将深度信息平均之后通过水声通信模式上传。
7.根据权利要求1所述的水下声学测距、投放与回收系统，其特征在于，所述电池(3)采用聚合物锂电池，通过串并结构输出电压7.0V～21V。
8.采用权利要求1-7之一的水下声学测距、投放与回收系统所实现的水下声学测距方法，包括：
步骤101)、换能器(1)接收到外部设备通过水声通信信道发送的询问信号，将该信号转换为电信号；
步骤102)、接收发射模块(10)中的接收机(15)接收电信号形式的询问信号，并传输给信号处理模块(12)；
步骤103)、信号处理模块(12)从询问信号中提取能量和相位信息，完成能量和相位的联合信号检测和参数估计，
步骤104)、信号处理模块(12)由信号检测与参数估计结果生成测距信号，通过接收发射模块中的发射机(16)发射电信号形式的测距信号；
步骤105)、所述换能器(1)将电信号形式的测距信号转换为声信号后通过水声通信信道发射出去，这一测距信号配合外部的设备完成测距。
9.采用权利要求1-7之一的水下声学测距、投放与回收系统所实现的水下设备投放方法，包括：
步骤201)、换能器(1)接收到外部设备通过水声通信信道发送的水声遥控指令，将该指令转换为电信号；
步骤202)、接收发射模块(10)中的接收机(15)接收电信号形式的水声遥控指令，并传输给信号处理模块(12)；
步骤203)、信号处理模块(12)根据水声遥控指令向释放机构(5)发出相应的命令；
步骤204)、释放机构(5)接收到命令后，打开释放机构电源(27)的控制信号，通过释放电机(8)旋转，水下设备上方连接的机械释放钩(9)打开，水下设备会随着下方的锚沉入水底，实现水下设备的投放；
步骤205)、释放机构(5)上传释放成功指令。
10.采用权利要求1-7之一的水下声学测距、投放与回收系统所实现的水下设备回收方法，包括：
步骤301)、换能器(1)接收到外部设备通过水声通信信道发送的水声遥控指令，将该指令转换为电信号；
步骤302)、接收发射模块(10)中的接收机(15)接收电信号形式的水声遥控指令，并传输给信号处理模块(12)；
步骤303)、信号处理模块(12)根据水声遥控指令向释放机构(5)发出相应的命令；
步骤304)、释放机构(5)接收到命令后，打开释放机构电源(27)的控制信号，通过释放电机(8)旋转，用于连接水下设备和锚的机械释放钩(9)打开，水下设备由浮球提供浮力上浮，实现水下设备的回收；
步骤305)、释放机构(5)上传释放成功指令。
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