CN105988117A - 一种声学海底距离测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及声学海底距离测量系统，包括：换能器、耐压壳体、电子舱、水密法兰、水密接插件、接收发射模块、电源管理模块、值班电路模块、工作电路模块和外设模块；耐压壳体内安装有电子舱，开口两端安装有水密法兰；一水密法兰上连接有换能器，另一水密法兰上连接有水密接插件；接收发射模块、电源管理模块、值班电路模块、工作电路模块和外设模块位于电子舱内；换能器用于对信号做电信号与声信号之间的转换；接收发射模块用于接收和发射信号；电源管理模块用于对电源进行管理；值班电路模块用于完成值班任务，配合电源管理模块完成电源管理控制任务，将测得的声学信号在两点间的传播距离传输给数据记录设备；工作电路模块用于完成实时测距任务。

Description

一种声学海底距离测量系统和方法

技术领域

本发明涉及海底声学测距领域，特别涉及一种声学海底距离测量系统和方法。

背景技术

海底声学测距系统利用声学测距的方式，实现海底多个点之间的距离测量。如图1所示，海底声学测距系统的工作原理为：在海底目标点A和B上分别放置一套测距系统，根据设置的参数，A点测距系统周期性发射测距声学脉冲信号，B点测距系统收到测距声学脉冲信号后，回复一个应答声学脉冲信号，A点测距系统接收B点测距系统的应答声学脉冲信号，计算出声学信号在两点间传输的时间τ，再根据已知声速c，就可计算出A、B点之间的距离R。

随着对海洋资源的开发，各种海洋工程的建设、以及对海洋油气和深海矿产资源的调查和开采，人为活动对海底环境的影响以及对海底的人为或自然的地质活动、海底地形变化、海底板块活动的测量和监测都提出了新的要求。然而，现有的水中距离测量系统受到带宽限制以及海洋环境的复杂性等制约，测距精度不高。

发明内容

本发明的目的在于克服已有的水中声学距离测量系统测距精度不高的缺陷，从而提供一种具有较高精度的声学海底距离测量系统和方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种声学海底距离测量系统，包括：换能器1、耐压壳体2、电子舱3、水密法兰4、水密接插件5、接收发射模块6、电源管理模块7、值班电路模块8、工作电路模块9和外设模块10；其中，

所述耐压壳体2为两端开口的筒状结构，其内部安装有电子舱3，所述耐压壳体2的开口两端各自安装有一水密法兰4；其中一个水密法兰上连接有换能器1，另一个水密法兰上连接有水密接插件5；所述接收发射模块6、电源管理模块7、值班电路模块8、工作电路模块9和外设模块10都位于电子舱3内；所述换能器1用于对所要接收或发射的信号做电信号与声信号之间的转换，其通过电缆接到电子舱3中的接收发射模块6；所述接收发射模块6用于接收和发射信号；所述电源管理模块7用于对系统中其他部件的电源进行管理；所述值班电路模块8用于完成值班任务，配合电源管理模块7完成电源管理控制任务，并将测得的声学信号在两点间的传输距离传输给外部的数据记录设备；所述工作电路模块9用于完成实时测距任务；所述外设模块10包括用于测量深度信息的压力传感器21以及用于测量设备姿态的姿态传感器23。

上述技术方案中，所述的接收发射模块6包括收发合置开关11、接收机12和发射机13；其中，所述收发合置开关11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；所述接收机12的作用是完成接收信号的滤波、放大，接收机12将滤波、放大后的信号分成两路，一路发送给值班电路模块8，一路发送给工作电路模块9；所述发射机13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，所述工作电路模块9包括模数转换器15、数模转换器22、看门狗17、信号处理单元16和接口转换20；其中，所述模数转换器15用于采集信号，所述数模转换器22用于输出信号，所述看门狗17用于在程序意外跑飞时做复位操作，所述信号处理单元16用于对目标信号检测、对信号进行处理、目标信号参数估计和脉冲挑选，所述接口转换20用于实现工作电路模块9与其他模块之间的通信。

上述技术方案中，所述信号处理单元16采用FPGA 18和DSP 19实现；其中，FPGA 18主要完成包括对信号采集、预处理、窄带滤波器和相关运算在内的大运算量、计算复杂度低的运算，DSP 19负责包括对脉冲进行判断、挑选在内的处理量小但是运算复杂度高的处理。

本发明还提供了一种声学海底距离测量方法，采用至少两套所述的声学海底距离测量系统实现，该方法包括：

步骤1)、通信发：

第二声学海底距离测量系统中的信号处理单元16发送电信号形式的询问信号，经过数模转换器22后传输给发射机13；所述发射机13将电信号形式的询问信号传输给换能器1，所述换能器1将电信号形式的询问信号转换为声信号后通过水声通信信道发射出去；

步骤2)、通信收：

第一声学海底距离测量系统中的换能器1接收到第二声学海底距离测量系统通过水声通信信道发送的声信号形式的询问信号，将该信号转换为电信号；第一声学海底距离测量系统中的接收发射模块6中的接收机12接收电信号形式的询问信号，经过模数转换器15后传输给信号处理单元16；

步骤3)、测距发：

第二声学海底距离测量系统的信号处理单元16发送电信号形式的询问信号，经过数模转换器22后传输给发射机13，发射机13将电信号形式的询问信号传输给换能器1，第二声学海底距离测量系统的换能器1将电信号形式的询问信号转换为声信号后通过水声通信信道发射出去；

步骤4)、测距收：

第一声学海底距离测量系统的换能器1接收到第二声学海底距离测量系统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；第一声学海底距离测量系统的接收发射模块6中的接收机12接收电信号形式的询问信号，经过模数转换器15后传输给信号处理单元16；

第一声学海底距离测量系统的信号处理单元16接收到询问信号后，作出应答，第一声学海底距离测量系统的应答信号经过数模转换器22后传输给发射机13，所述发射机13将电信号形式的应答信号传输给换能器1，第一声学海底距离测量系统的换能器1将电信号形式的应答信号转换为声信号后通过水声通信信道发射出去；

第二声学海底距离测量系统的换能器1接收到第一声学海底距离测量系统的应答信号，第二声学海底距离测量系统的信号处理单元16计算出声学信号在两点间传输的距离，将距离传输给外部的数据记录设备。

本发明的优点在于：

1、本发明采用高精度时延估计来实现海底高精度的距离测量；

2、本发明采用了深水耐压装置，为海底设备的正常工作提供了有力的保障。

附图说明

图1是海底声学测距的示意图；

图2是本发明的声学海底距离测量系统的整体结构示意图；

图3是本发明的声学海底距离测量系统的功能模块划分图；

图4是本发明的声学海底距离测量系统中的工作电路模块的示意图。

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2和图3，本发明的声学海底距离测量系统包括：换能器1、耐压壳体2、电子舱3、水密法兰4、水密接插件5、接收发射模块6、电源管理模块7、值班电路模块8、工作电路模块9和外设模块10；其中，所述耐压壳体2为两端开口的筒状结构，其内部安装有电子舱3，所述耐压壳体2的开口两端各自安装有一水密法兰4；其中一个水密法兰上连接有换能器1，另一个水密法兰上连接有水密接插件5；所述接收发射模块6、电源管理模块7、值班电路模块8、工作电路模块9和外设模块10都位于电子舱3内；所述换能器1用于对所要接收或发射的信号做电信号与声信号之间的转换，其通过电缆接到电子舱3中的接收发射模块6；所述接收发射模块6用于接收和发射信号；所述电源管理模块7用于对系统中其他部件的电源进行管理；所述值班电路模块8用于完成值班任务，配合电源管理模块7完成电源管理控制任务，并将测得的声学信号在两点间的传输距离传输给外部的数据记录设备；所述工作电路模块9用于完成实时测距任务；所述外设模块10包括用于测量深度信息的压力传感器21以及用于测量设备姿态的姿态传感器23。

下面对本发明的声学海底距离测量系统中的各个模块做进一步的描述。

参考图3，所述的接收发射模块6包括收发合置开关11、接收机12和发射机13；其中，所述收发合置开关11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12的作用是完成接收信号的滤波、放大，接收机12将滤波、放大后的信号分成两路，一路发送给值班电路模块8，一路发送给工作电路模块9；所述发射机13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。

所述电源管理模块7用于控制工作电路模块9、发射机13、外设模块10的电源。本发明的声学海底距离测量系统具有两种状态，即工作模式和值班模式。在工作模式下，电源管理模块7为系统中的其他模块正常供电，在值班模式下，电源管理模块7在值班电路模块8的管理下向系统中的其他模块提供仅维持最低工作需要的低伏电压，以达到节省功耗，保证系统在水下长时间工作的需要。

所述值班电路模块8采用MCU14实现，在一个实施例中，所采用的MCU具有低功耗、高处理性能的特点。值班电路模块8保证了当没有实时测距任务时，系统进入值班模式，该模块在值班模式下对电源管理模块7等进行管理，保证系统正常待机状态，当收到水声遥控指令后，从值班模式切换到工作模式，执行完任务后，又回到值班模式等待下次命令。

参考图3和图4，所述工作电路模块9包括ADC(模数转换器)15、DAC(数模转换器)22、看门狗(Watch Dog)17、信号处理单元16和接口转换20；其中，所述ADC 15用于采集信号，所述DAC 22用于输出信号，所述Watch Dog17用于在程序意外跑飞时做复位操作，所述信号处理单元16用于对目标信号检测、对信号进行处理、目标信号参数估计和脉冲挑选，所述接口转换20用于实现工作电路模块9与其他模块之间的通信。如图4所示，所述信号处理单元16在硬件实现时，采用了FPGA 18和DSP 19；具体的说，FPGA 18主要完成对信号采集、预处理、窄带滤波器和相关运算等大运算量、计算复杂度低的运算，DSP 19负责对脉冲进行判断、挑选等处理量小，但是运算复杂度高的处理。由于信号处理单元16采用FPGA实现信号采集，即在做时延测量时采用了硬件手段实现，比软件的精度要高。

工作电路模块9中的信号处理单元16收到上传深度信息命令后，打开外设模块10中的压力传感器21的电源控制信号，所述压力传感器21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。

以上是对本发明的声学海底距离测量系统的结构描述，采用该系统做声学海底距离测量时，至少需要两套设备协同完成，即如图1所示，将第一套声学海底距离测量系统记为测距系统A，将第二套声学海底距离测量系统记为测距系统B。下面对如何利用本发明的声学海底距离测量系统实现声学海底距离测量的方法做详细说明。

该方法包括以下步骤：

步骤1)、通信发：

测距系统B的信号处理单元16发送电信号形式的询问信号，经过DAC 22后传输给发射机13；发射机13将电信号形式的询问信号传输给换能器1，换能器1将电信号形式的询问信号转换为声信号后通过水声通信信道发射出去；

步骤2)、通信收：测距系统A的换能器1接收到测距系统B通过水声通信信道发送的声信号形式的询问信号，将该信号转换为电信号；接收发射模块6中的接收机12接收电信号形式的询问信号，经过ADC 15后传输给信号处理单元16；

上述步骤1)与步骤2)所描述的通信发、通信收的作用是实现两套系统间的同步问题。

步骤3)、测距发：测距系统B的信号处理单元16发送电信号形式的询问信号，经过DAC 22后传输给发射机13，发射机13将电信号形式的询问信号传输给换能器1，测距系统B的换能器1将电信号形式的询问信号转换为声信号后通过水声通信信道发射出去；

步骤4)、测距收：测距系统A的换能器1接收到测距系统B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；接收发射模块6中的接收机12接收电信号形式的询问信号，经过ADC15后传输给信号处理单元16。信号处理单元16接收到询问信号后，作出应答，测距系统A的应答信号经过DAC 22后传输给发射机13，发射机13将电信号形式的应答信号传输给换能器1，测距系统A的换能器1将电信号形式的应答信号转换为声信号后通过水声通信信道发射出去；

测距系统B的换能器1接收到测距系统A的应答信号，测距系统B的信号处理单元16计算出声学信号在两点间传输的距离，将距离传输给外部的数据记录设备。

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 (5)

1.一种声学海底距离测量系统，其特征在于，包括：换能器(1)、耐压壳体(2)、电子舱(3)、水密法兰(4)、水密接插件(5)、接收发射模块(6)、电源管理模块(7)、值班电路模块(8)、工作电路模块(9)和外设模块(10)；其中，

所述耐压壳体(2)为两端开口的筒状结构，其内部安装有电子舱(3)，所述耐压壳体(2)的开口两端各自安装有一水密法兰(4)；其中一个水密法兰上连接有换能器(1)，另一个水密法兰上连接有水密接插件(5)；所述接收发射模块(6)、电源管理模块(7)、值班电路模块(8)、工作电路模块(9)和外设模块(10)都位于电子舱(3)内；所述换能器(1)用于对所要接收或发射的信号做电信号与声信号之间的转换，其通过电缆接到电子舱(3)中的接收发射模块(6)；所述接收发射模块(6)用于接收和发射信号；所述电源管理模块(7)用于对系统中其他部件的电源进行管理；所述值班电路模块(8)用于完成值班任务，配合电源管理模块(7)完成电源管理控制任务，并将测得的声学信号在两点间的传播距离传输给外部的数据记录设备；所述工作电路模块(9)用于完成实时测距任务；所述外设模块(10)包括用于测量深度信息的压力传感器(21)以及用于测量设备姿态的姿态传感器(23)。

2.根据权利要求1所述的声学海底距离测量系统，其特征在于，所述的接收发射模块(6)包括收发合置开关(11)、接收机(12)和发射机(13)；其中，所述收发合置开关(11)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；所述接收机(12)的作用是完成接收信号的滤波、放大，接收机(12)将滤波、放大后的信号分成两路，一路发送给值班电路模块(8)，一路发送给工作电路模块(9)；所述发射机(13)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1所述的声学海底距离测量系统，其特征在于，所述工作电路模块(9)包括模数转换器(15)、数模转换器(22)、看门狗(17)、信号处理单元(16)和接口转换(20)；其中，所述模数转换器(15)用于采集信号，所述数模转换器(22)用于输出信号，所述看门狗(17)用于在程序意外跑飞时做复位操作，所述信号处理单元(16)用于对目标信号检测、对信号进行处理、目标信号参数估计和脉冲挑选，所述接口转换(20)用于实现工作电路模块(9)与其他模块之间的通信。

4.根据权利要求3所述的声学海底距离测量系统，其特征在于，所述信号处理单元(16)采用FPGA(18)和DSP(19)实现；其中，FPGA(18)主要完成包括对信号采集、预处理、窄带滤波器和相关运算在内的大运算量、计算复杂度低的运算，DSP(19)负责包括对脉冲进行判断、挑选在内的处理量小但是运算复杂度高的处理。

5.一种声学海底距离测量方法，采用至少两套权利要求1-4之一的声学海底距离测量系统实现，该方法包括：

步骤1)、通信发：

第二声学海底距离测量系统中的信号处理单元(16)发送电信号形式的询问信号，经过数模转换器(22)后传输给发射机(13)；所述发射机(13)将电信号形式的询问信号传输给换能器(1)，所述换能器(1)将电信号形式的询问信号转换为声信号后通过水声通信信道发射出去；

步骤2)、通信收：

第一声学海底距离测量系统中的换能器(1)接收到第二声学海底距离测量系统通过水声通信信道发送的声信号形式的询问信号，将该信号转换为电信号；第一声学海底距离测量系统中的接收发射模块(6)中的接收机(12)接收电信号形式的询问信号，经过模数转换器(15)后传输给信号处理单元(16)；

步骤3)、测距发：

第二声学海底距离测量系统的信号处理单元(16)发送电信号形式的询问信号，经过数模转换器(22)后传输给发射机(13)，发射机(13)将电信号形式的询问信号传输给换能器(1)，第二声学海底距离测量系统的换能器(1)将电信号形式的询问信号转换为声信号后通过水声通信信道发射出去；

步骤4)、测距收：

第一声学海底距离测量系统的换能器(1)接收到第二声学海底距离测量系统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；第一声学海底距离测量系统的接收发射模块(6)中的接收机(12)接收电信号形式的询问信号，经过模数转换器(15)后传输给信号处理单元(16)；

第一声学海底距离测量系统的信号处理单元(16)接收到询问信号后，作出应答，第一声学海底距离测量系统的应答信号经过数模转换器(22)后传输给发射机(13)，所述发射机(13)将电信号形式的应答信号传输给换能器(1)，第一声学海底距离测量系统的换能器(1)将电信号形式的应答信号转换为声信号后通过水声通信信道发射出去；

第二声学海底距离测量系统的换能器(1)接收到第一声学海底距离测量系统的应答信号，第二声学海底距离测量系统的信号处理单元(16)计算出声学信号在两点间传输的距离，将距离传输给外部的数据记录设备。