CN107831466A - 水下无线声信标及其多地址编码方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了水下无线声信标及其多地址编码方法。所述水下无线声信标多地址包括换能器、收发合置开关、发射机模块、接收机模块、处理器模块、电源管理模块和外设接口模块。所述换能器用于电声或者声电转换。所述收发合置开关由两对开关二极管组成，上述开关二极管用于隔离发射机和接收机。所述发射机模块由D类功放和匹配电路组成，通过D类功放和匹配电路将发射信号功率放大，以便推动换能器。本发明公开的水下无线声信标和水下无线声信标多地址编码方法，采用时频编码方法，可快速产生声信标的多地址编码，并可据此方法进行更多地址扩展，解决了需区分大量声信标地址码的技术问题。

Description

水下无线声信标及其多地址编码方法
技术领域
本发明涉及水下声信标，具体涉及水下无线声信标多地址编码方法，适用于靶场测量、海洋石油勘探开发、海底施工等海洋工程，可用于对水下航行体或载体等水下目标进行精确定位。
背景技术
随着海洋事业的发展，在海洋探测研究、海洋工程、海洋矿产资源、水下考古、海洋国防建设等方面，都离不开水下定位系统为其提供高精度、高质量的定位数据。声信标广泛应用于水下定位系统中，在被测载体上安装水下声信标，测量水下目标声源到定位系统接收阵元之间的时延差确定二者之间的距离，从而实现水下目标的定位与导航。拖缆和海底电缆地震勘探技术是海洋油气勘探最重要的技术手段，广泛使用水声定位技术定位目标位置，提高勘探数据质量。作业时在海底电缆上布放声信标阵列，并对数以千计的声信标进行声学定位。
发明内容
本发明针对现有技术的状况，针对上述状况，提供一种水下无线声信标和一种水下无线声信标多地址编码方法。
本发明采用以下技术方案，所述水下无线声信标多地址包括换能器、收发合置开关、发射机模块、接收机模块、处理器模块、电源管理模块和外设接口模块，其中：
所述换能器用于电声或者声电转换；
所述收发合置开关由两对开关二极管组成，上述开关二极管用于隔离发射机和接收机；
所述发射机模块由D类功放和匹配电路组成，通过D类功放和匹配电路将发射信号功率放大，以便推动换能器；
所述接收机模块包括模拟调理器，所述模拟调理器对于由换能器接收的输入信号进行不失真放大滤波，同时将经过放大滤波的输入信号送给处理器模块，以便处理器模块进行采样及后置处理。
根据上述技术方案，所述电源管理模块包括电池、电源接口单元、电源变换单元和电源控制单元。
根据上述技术方案，所述外设接口模块包括无线串口模块，所述处理器模块通过无线串口模块与外置的控制系统双向交互。
根据上述技术方案，所述外设接口模块包括深度采集单元和电压采集单元。
根据上述技术方案，所述换能器设置有2个硫化电极针。
根据上述技术方案，所述处理器模块采用TI公司的16位微控制器MSP430F5438A。
根据上述技术方案，所述接收机模块包括接收机唤醒电路，该接收机唤醒电路顺次设置有一级放大电路、门限电路、RC积分电路和宽度比较电路，所述接收机唤醒电路与处理器模块相接。
本发明还公开了水下无线声信标多地址编码方法，包括以下步骤：
步骤S1：确立声信标脉冲频点；
步骤S2：确立声信标脉冲频率编码组合；
步骤S3：确立声信标脉冲时间编码组合；
步骤S4：产生地址和频率以及时间编码组合对应关系。
根据上述技术方案，在步骤S2中，从4个频点中选择3个作为询问脉冲频点。
根据上述技术方案，在步骤S4中，在3个询问脉冲频点后面增加1个遥控脉冲频点，上述遥控脉冲频点的频率与3个询问脉冲频点中的第2个询问脉冲频点的频率相同。
本发明公开的水下无线声信标和水下无线声信标多地址编码方法，其有益效果在于，采用时频编码方法，可快速产生声信标的多地址编码，并可据此方法进行更多地址扩展，解决了需区分大量声信标地址码的技术问题。
附图说明
图1是本发明优选实施例的系统框图。
图2是本发明优选实施例的询问脉冲信号体制示意图。
图3是本发明优选实施例的遥控脉冲信号体制示意图。
具体实施方式
本发明公开了一种水下无线声信标和一种水下无线声信标多地址编码方法，下面结合优选实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。
参见附图的图1，图1示出了所述水下无线声信标的模块结构。优选地，所述水下无线声信标包括换能器、收发合置开关、发射机模块、接收机模块、处理器模块、电源管理模块和外设接口模块。
其中，所述换能器用于电声或者声电转换。
其中，所述收发合置开关由两对开关二极管组成，上述开关二极管用于隔离发射机和接收机，避免相互影响。
其中，所述发射机模块由D类功放和匹配电路组成，通过D类功放和匹配电路将发射信号功率放大，以便推动换能器。
其中，所述接收机模块包括低噪声且低功耗的模拟调理器，所述模拟调理器对于由换能器接收的微弱的输入信号进行不失真放大滤波，同时将经过放大滤波的输入信号送给处理器模块，以便处理器模块进行采样及后置处理。
其中，所述处理器模块是水下无线声信标的核心，由其控制各个模块完成相应的功能，实现信号产生、询问信号检测和判定、与计算机通信等功能。所述处理器模块优选采用TI公司的16位超低功耗微控制器MSP430F5438A，该微控制器主频高达25MHz，能够满足信号实时处理的需求。
其中，所述电源管理模块包括电池、电源接口单元、电源变换单元和电源控制单元，用于向其他各个模块提供工作电源。
其中，所述外设接口模块包括无线串口模块，所述处理器模块通过无线串口模块与外置的控制系统双向交互。其中，所述外设接口模块还包括深度采集单元、电压采集单元和其他辅助功能单元。
参见附图的图2和图3，根据上述优选实施例，所述水下无线声信标具有询问应答工作模式(询问应答功能)，即由定位系统发射一个询问信号，声信标接收到询问信号后经过应答延时时间后回复一个应答信号，上述询问信号和应答信号可被定位系统用于测量发射和接收之间的时延差，进而实现对目标(声信标)的距离测量和位置标定。询问应答工作模式，应用时较为方便，声信标不需要额外的同步操作即可实现定位功能。所述声信标的询问应答工作模式采用3脉冲询问的信号体制，通过更改询问脉冲频率和脉冲间隔达到更改声信标地址码的目的。
其中，所述水下无线声信标多地址编码方法(水下无线声信标)包括以下步骤：
步骤S1：确立声信标脉冲频点。
声信标询问信号带宽为20kHz～25kHz，为更加可靠检测区分信号频点，取1.5kHz间隔一个频点，共有4个频点，即：
f1＝20000Hz
f2＝21500Hz
f3＝23000Hz
f4＝24500Hz
步骤S2：确立声信标脉冲频率编码组合。
从4个频点中选出3个频点作为询问脉冲频点，则询问脉冲频率可以是4个频点的排列组合，其中相邻两个脉冲的频率不能相同，故询问频率编码共有种组合。产生一个36*3的表格Table[36][3]分别用于存放信号频率组合。
步骤S3：确立声信标脉冲时间编码组合。
首脉冲和第2个脉冲间隔Delt1从100ms到200ms，每10ms间隔变化，可有11种不同的脉冲间隔。首脉冲和第3个脉冲间隔Delt2从300ms到400ms，每10ms间隔变化，可有11种不同的脉冲间隔。因此通过时间编码共有11*11＝121种组合。即：
Delt1＝100+m*10 m＝0,1,2,....10
Delt2＝300+n*10 n＝0,1,2,....10
步骤S4：产生地址和频率以及时间编码组合对应关系。
首先进行频率上的编码，即对应一种频率组合，再通过时间编码，就可以产生121个声信标地址，再更改一组信标频率，再产生121个地址，以此类推，则经过上述编码后的声信标地址可以达到36*121＝4356个。如果增加一个脉冲频点，则可以产生更多，因此具有较好的扩展性。
对于某地址Addr，可通过以下方法求解询问脉冲频率和间隔。
询问脉冲频点计算如下：
Freq[0]＝Table[fix((Addr-1)/121)+1][0]
Freq[1]＝Table[fix((Addr-1)/121)+1][1]
Freq[2]＝Table[fix((Addr-1)/121)+1][2]
其中：Table[][]表示取表格下标，fix()表示往下取整。
首脉冲与第2个脉冲间隔计算如下：
Delt1＝mod((Addr-1),11)*10+100
首脉冲与第3个脉冲间隔间隔计算如下：
Delt2＝fix(mod((Addr-1),121)/11)*10+300
其中，mod()表示取模运算，fix()表示往下取整。
声信标工作过程中需要观测运行状态，比如布放深度，所剩电池容量等。
其中，所述水下无线声信标还具有水声遥控功能，水声遥控命令可用于遥测声信标运行情况。所述声信标在3个询问脉冲频点后面增加1个遥控脉冲频点，该遥控脉冲频点用于承载遥控命令信号。水声遥控命令的前3个脉冲与询问脉冲信号的3个脉冲相同，遥控指令的遥控脉冲频点(第四个脉冲频点)的频率与3个询问脉冲频点中的第2个询问脉冲频点的频率相同，即若询问脉冲频率分别为f1,f2,f3，则遥控脉冲频率分别为f1,f2,f3,f2。遥控命令的第4个脉冲相距第3个脉冲的间隔Delt3＝(50～80)ms，不同的脉冲间隔用于不同的命令类型，例如Delt3＝50ms可用于信标深度测量功能，Delt3＝55ms用于信标电压测量功能等。
由上得出，声信标对于某地址Addr，可通过以下方法求解遥控脉冲频率和间隔。
遥控脉冲频点计算如下：
Freq[0]＝Table[fix((Addr-1)/121)+1][0]
Freq[1]＝Table[fix((Addr-1)/121)+1][1]
Freq[2]＝Table[fix((Addr-1)/121)+1][2]
Freq[3]＝Freq[1]
其中：Table[][]表示取表格下标，fix()表示往下取整。
首脉冲与第2个脉冲间隔计算如下：
Delt1＝mod((Addr-1),11)*10+100
首脉冲与第3个脉冲间隔间隔计算如下：
Delt2＝fix(mod((Addr-1),121)/11)*10+300
第4个脉冲与第3个脉冲间隔间隔计算如下：
Delt3＝(50～80)ms
其中，mod()表示取模运算，fix()表示往下取整。
其中，所述水下无线声信标还具有无线通信功能。通过声信标内置的超低功耗433Mhz无线串口模块，可以方便快速的与控制端通信。控制端可以是手持设备或计算机设备，用于设置信标地址以及频率等工作参数。无线串口模块采用高性能无线射频芯片，具有TTL电平的串口通信接口，可支持波特率为1200-57600多达7种波特率，通过串口与声信标处理器相连。无线通信的工作方式无需外部连线，使用方便。
其中，所述水下无线声信标还具有入水开关功能。所述水下无线声信标未入水时处于关断状态，入水后即进入监听工作模式。在换能器上设置两个硫化电极针，当信标入水后电极之间导通，反馈到电源开关电路上实现声信标的上电，出水后电极断开，声信标断电，可节省声信标电池使用时间。
其中，所述水下无线声信标采用低功耗技术，在一段时间内没有检测到询问信号时进入低功耗休眠状态。若发射了询问信号则，水下无线声信标的接收机模块设有接收机唤醒电路，该接收机唤醒电路在收到满足条件的询问信号后产生一个触发信号给处理器，处理器结束低功耗状态，唤醒工作电路，从休眠状态进入信号检测状态。MSP430F5438A处理器具有多达5种低功耗模式，休眠时不仅处理器进入低功耗，还会关闭外围模块。唤醒电路的设计关键技术，其一在于抗干扰性，如果任意一个干扰脉冲就启动处理器工作，那将失去休眠意义。其二门限设置，海洋环境噪声复杂，噪声时高时低，门限设置太低，高的噪声也能过门限，这样虚警太高；门限设置太高，则会影响作用距离。自动噪声检测电路虽然能解决门限的问题，但电路复杂，相应功耗增加。所述接收机唤醒电路设计结合实际应用情况和电路的可行性考虑，加了一级放大电路后再输入给两路门限电路。门限电路的原理，先是对信号进行幅度判别，过幅度门限后的信号输出高电平，不过门限输出低电平；然后经过RC积分电路进行选宽，并通过宽度比较电路对满足宽度的信号输出高电平，未满足输出低电平。最后将过宽度门限的信号送给处理器端口中断实现唤醒。
其中，询问频率组合和水生遥控频率组合的附表如下。
对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种水下无线声信标，其特征在于，包括换能器、收发合置开关、发射机模块、接收机模块、处理器模块、电源管理模块和外设接口模块，其中：
所述换能器用于电声或者声电转换；
所述收发合置开关由两对开关二极管组成，上述开关二极管用于隔离发射机和接收机；
所述发射机模块由D类功放和匹配电路组成，通过D类功放和匹配电路将发射信号功率放大，以便推动换能器；
所述接收机模块包括模拟调理器，所述模拟调理器对于由换能器接收的输入信号进行不失真放大滤波，同时将经过放大滤波的输入信号送给处理器模块，以便处理器模块进行采样及后置处理。
2.根据权利要求1所述的水下无线声信标，其特征在于，所述电源管理模块包括电池、电源接口单元、电源变换单元和电源控制单元。
3.根据权利要求1所述的水下无线声信标，其特征在于，所述外设接口模块包括无线串口模块，所述处理器模块通过无线串口模块与外置的控制系统双向交互。
4.根据权利要求3所述的水下无线声信标，其特征在于，所述外设接口模块包括深度采集单元和电压采集单元。
5.根据权利要求1所述的水下无线声信标，其特征在于，所述换能器设置有2个硫化电极针。
6.根据权利要求1所述的水下无线声信标，其特征在于，所述处理器模块采用TI公司的16位微控制器MSP430F5438A。
7.根据权利要求1所述的水下无线声信标，其特征在于，所述接收机模块包括接收机唤醒电路，该接收机唤醒电路顺次设置有一级放大电路、门限电路、RC积分电路和宽度比较电路，所述接收机唤醒电路与处理器模块相接。
8.根据权利要求1-7中任一权利要求所述的水下无线声信标的水下无线声信标多地址编码方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：确立声信标脉冲频点；
步骤S2：确立声信标脉冲频率编码组合；
步骤S3：确立声信标脉冲时间编码组合；
步骤S4：产生地址和频率以及时间编码组合对应关系。
9.根据权利要求8所述的水下无线声信标多地址编码方法，其特征在于，在步骤S2中，从4个频点中选择3个作为询问脉冲频点。
10.根据权利要求9所述的水下无线声信标多地址编码方法，其特征在于，在步骤S4中，在3个询问脉冲频点后面增加1个遥控脉冲频点，上述遥控脉冲频点的频率与3个询问脉冲频点中的第2个询问脉冲频点的频率相同。
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