CN108037507A - 一种用于深海采矿混响环境下的超声微地形探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于深海采矿混响环境下的超声微地形探测系统，包括任意波形发生模块、收发一体式超声探头、信号发射接收转换电路、信号预处理模块、数据采集卡、工控机。任意波形发生模块包括任意波形输出板卡及功率放大器，任意波形输出板卡的输出波形参数由工控机设置；信号预处理模块包括时间增益补偿电路、增益控制电路、放大及滤波电路。本系统可根据不同混响环境，实现发射波的实时计算，达到不同混响环境下的自适应波形发射要求，且波形更换简单便捷；信号发射接收转换电路能够将激励电压较高的发射电路与电压较低的回波信号接收电路进行隔离；信号预处理模块能有效的抑制混响的干扰，本发明能够满足水下混响环境的超声探测要求。
Description
技术领域
本发明属于水下声呐探测技术领域，涉及一种深海采矿混响环境下的超声微地形探测系统，尤其是一种针对不同混响环境中自适应波形发射的超声微地形探测系统。
背景技术
在陆地矿产资源日益枯竭的今天，各国均开始将目光转移到矿产资源极其丰富的海洋。然而矿物表面起伏不平，在各种开采方案中，为有效控制非矿物的混入率及提高采矿效率，需要对采矿车前方待开采区进行微地形探测。
声波在水下衰减量相对较小，且探测系统简单，适用性强，现已成为公认的水下目标探测和识别的有效方法。在实际采矿作业中，采矿装置会造成采矿区海水不规则流动，采掘头激起泥沙等沉积物悬浮于海水中，将会对超声探测系统造成强混响干扰，降低超声探测性能和回波信号信混比，影响微地形探测。为有效地检测目标回波，需研究不同混响环境的波形自适应发射系统及接收电路的混响抑制方法。为此，有必要提供一种自适应波形发射的超声探测系统，且该系统在水下不同混响环境能有效检测到目标回波。
目前，国内对混响环境下的声呐探测系统已有所研究，现有探测系统中大多只能发射单一波形，针对不同混响环境，更换发射波不具有便捷性，超声发射电路复杂，且未对探测电路混响抑制方法做详细说明。专利ZL201410126287.2公开了一种模拟深海采矿混响环境超声微地形探测装置及方法，该装置能在模拟复杂海底颠簸工况的同时，对水下微地形进行探测。该专利发明内容主要集中在机械结构的设计，对信号发射与接收部分未做详细描述，且未考虑不同波形对探测结果的影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种深海采矿混响环境下的超声微地形探测系统，该系统可有效抑制混响干扰，并实现自适应波形发射的功能需求。相比现有技术，该系统波形更换简单、便捷，能有效检测目标回波。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种深海采矿混响环境下的超声微地形探测系统，包括任意波形发生模块、收发一体式超声探头、信号发射接收转换电路、信号预处理模块、数据采集卡、工控机；其中，任意波形发生模块、收发一体式超声探头、信号发射接收转换电路、信号预处理模块，数据采集卡、工控机依次电连接；所述任意波形发生模块，包括任意波形输出板卡及功率放大器，所述任意波形输出板卡用于产生用户所需的任意波形，所述功率放大器用于将所述任意波形输出板卡产生的任意波形进行功率放大并输出至所述收发一体式超声探头，用于驱动所述收发一体式超声探头；所述收发一体式超声探头进行超声探测波的发射与接收；所述信号发射接收转换电路用于接收所述收发一体式超声探头的回波信息，并将所接收的回波信息输送至信号预处理模块；所述信号预处理模块用于抑制发射信号结束后一段时间内接收信号中的混响干扰，并进行接收信号的放大及滤波；所述数据采集卡由任意波形输出板卡触发，将模拟信号转换成数字信号，送到工控机中进行分析，处理；所述工控机用于显示、保存采集到的信号，通过信号处理算法，根据所接收混响信号计算当前环境下的发射波形，并控制任意波形输出板卡的发射波参数，实现不同混响环境下发射波形的实时计算与探测。
所述任意波形发生模块的任意波形输出板卡具有多路信号输出通道，发射任意波形的同时可触发信息采集卡，其发射波形可以是用于混响环境探测的单频脉冲信号、线性调频信号、正弦调频信号以及它们的各种组合形式，也可以是通过输入函数产生的波形。
本探测系统采用的是收发一体式单波束压电陶瓷换能器，其激励电压较高，在100V以上，属于强电，而目标回波为弱电，因此所述信号发射接收转换电路将激励电压较高的发射电路与电压较低的回波信号接收电路进行隔离。
所述的信号预处理模块包括时间增益补偿电路、增益控制电路、放大及滤波电路，时间增益补偿电路分别与增益控制电路、放大及滤波电路相连，放大及滤波电路输出端与数据采集卡相连，所述的时间增益补偿电路增益大小随时间增加，可抑制发射信号结束后一段时间内接收信号中的混响干扰。
时间增益补偿电路主要元器件为VCA810，为增益可调放大器。VCA810的增益与引脚3的输入电压成线性关系，本系统利用此特性实现超声探测系统的时间增益量调节。为使增益逐渐增大，本系统设计了增益控制电路。
所述增益控制电路与VCA810引脚3相连。所述增益控制电路采用可调电流源LM334，输入端为输入端为方波信号时，输出端可获得斜坡电压，从而实现增益控制电压随时间增加。
本探测系统设计了多级放大及滤波电路，以进一步提高增益及滤除噪声。所述的放大及滤波电路采用多级放大滤波，第一级为低通滤波电路，采用的是二阶低通滤波器，滤波器不进行信号放大，滤波后的信号进行第二、三、四级信号放大，本系统增益带宽积可以达到160MHz，当信号频率为200kHz时，系统可达到的增益为800倍。
本探测系统所设计的最优波形计算及数据采集程序采用LabVIEW进行编程，程序的主要功能是实现发射波形参数设置、数据的显示、保存及简单的信号处理，包括信号的时频谱和功率谱的计算及显示。
本探测系统所设计的初始发射波，主要根据信号的模糊度函数及Q函数，分析常用主动声呐的抗混响性能，选择抗混响性能最强的线性调频波。
本探测系统所设计的最优发射波形计算方法为：计算超声探头未发射探测波时电路的噪声功率谱；探测系统发射线性调频波，计算接收信号频谱及发射信号频谱，由此计算系统频率响应；并根据混响信号计算混响信道功率谱；根据以上计算结果，并结合S·Kay理论，计算最优波形能量谱，从而获得最优波形幅度谱；根据信号长度与幅度谱、相位谱的关系，分别计算信号长度最大及最小时信号的相位谱，从而得到任意长度时信号的相位谱；由相位谱及幅度谱确定最小长度时的最优发射波、最大长度时的最优发射波、任意长度时的最优发射波。
本探测系统的主要优势是：本探测系统可根据不同混响环境，实现最优发射波的自动计算，并控制任意波形输出板卡，本系统为最优发射波形实时探测系统，更换波形简单便捷；针对水下采矿环境，能有效抑制强混响信号的干扰；本发明设计了多级放大电路，能有效地检测弱小目标。
附图说明
图1为本发明深海采矿混响环境下的超声微地形探测系统的结构框图。
图2为发射接收转换电路及时间增益补偿电路控制原理图。
图3为时间增益控制电路的电压控制原理图。
图4为放大及滤波电路控制原理图。
图5为最优发射波形程序计算原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施做进一步说明。
如图1所示：深海采矿混响环境下的超声微地形探测系统包括任意波形发生模块、收发一体式超声探头、信号发射接收转换电路、信号预处理模块、数据采集卡、工控机，其中任意波形发生模块包括任意波形输出板卡及功率放大器，信号预处理模块包括时间增益补偿电路、增益控制电路、放大及滤波电路。
所述任意波形输出板卡与功率放大器及数据采集卡相连，任意波形输出板卡具有多路信号输出通道，发射任意波形的同时可触发信息采集卡，任意波形输出板卡由工控机驱动，其发射波形可以是用于混响环境探测的单频脉冲信号、线性调频信号、正弦调频信号以及它们的各种组合形式，也可以是通过输入函数产生的波形。本发明中工控机根据不同混响环境计算最优发射波形，并控制任意波形输出板卡发射最优波形。功率放大器采用西安安泰电子的ATG-2021，所述功率放大器用于将所述任意波形输出板卡产生的最优波形进行功率放大并输出至所述收发一体式超声探头，用于驱动所述收发一体式超声探头。
如图2所示：所述功率放大器输出端与收发一体式超声探头两端相连，收发一体式超声探头即为图2中换能器，C1、R1、D1、D2、C2、R2组成信号发射接收转换电路，电路中C1将信号中的直流信号滤除。二极管D1、D2为高速开关二极管，其作用是将高频高压发射信号控制在-0.7V～+0.7V，避免高压信号进入接收电路，击穿放大器。R1起限流作用，避免高压信号产生的电流超过二极管的最大正向电流。C2和R2组成一个高通滤波器，将信号中带宽以外的低频信号滤除。信号发射接收转换电路将激励电压较高的发射电路与电压较低的回波信号接收电路进行了隔离。
本探测系统加入了时间增益补偿电路，主要原因是在超声波微地形探测中，当收发一体式超声探头刚发出声脉冲后，真正的回波并没有返回，而此时的混响却很强，为抑制发射信号结束后一段时间内接收信号中的混响干扰，根据混响衰减规律，在信号接收电路中加设时间增益补偿，对不同时间段的接收信号进行增益调节，在信号发射完成后系统增益设置为最小，随时间增长，系统增益逐渐增加，直到最大。
如图2、3所示：信号发射接收转换电路与时间增益补偿控制器VCA810引脚1相连，所述增益控制电路与VCA810引脚3相连，增益大小受增益控制电路调节。所述增益控制电路采用可调电流源LM334，R6为设置电阻，其阻值可以控制电流源提供的总电流，当有电流流经设置电阻R6时，电容C9集聚电荷，产生电压，储存的电荷越多，电压越高。因而，当三极管2N2222A基极有如图3所示的方波脉冲时，将使其工作在开关状态，此时将有电流流过R6，Vout将产生如图3右部分的斜坡电压，从而实现VCA810对不同时间段的接收信号进行增益调节，在信号发射完成后系统增益为最小，系统增益随时间逐渐增加，直到最大。2N2222A基极的方波脉冲由任意波形输出板卡提供。
如图2、4所示：增益控制器VCA810输出引脚5与放大及滤波电路的第一级相连，所述放大及滤波电路的第一级，为低通滤波电路，采用的是二阶低通滤波器，滤波器不进行信号放大。滤波后的信号进行第二、三、四级信号放大。本系统采用高带宽、低功耗电压反馈四运算放大器OPA4650U，其增益带宽积可以达到160MHz，当信号频率为200kHz时，系统可达到的增益为800倍。
所述放大及滤波电路输出端与数据采集卡相连，信号由数据采集卡采集后保存至工控机内，由数据采集软件LabVIEW实现数据的简单处理、最优波形的计算、回波保存及显示。
如图5所示：最优发射波计算时，初始发射波主要根据信号的模糊度函数及Q函数，分析常用主动声呐的抗混响性能，选择抗混响性能最强的线性调频信号。
如图5所示：首先计算未发射超声波时系统的噪声功率谱，计算混响超声探测下接收信号频谱及发射信号频谱，由此计算系统频率响应，并根据混响信号计算混响信道功率谱，由此，结合S·Kay理论，计算最优波形能量谱，其计算公式为：
其中，Pn(f)为噪声功率谱，Ph(f)为混响信道功率谱，G(f)为系统频率响应。
λ参数的计算范围：
根据最优波形能量谱，可得信号的幅度谱，而信号长度与幅度谱、相位谱相关，由此求得最小长度信号时的相位谱，最大长度时信号的相位谱，相位谱及幅度谱可得到确定的信号。根据以上理论可得发射信号为最小长度时信号计算公式为：
其中，t0为信号的延迟时间，此时，最小长度发射信号的相位谱为
发射信号为最大长度时信号计算公式为：
其中,为信号相位谱：
K为任意选择的实常数，且需满足：|K|≤T-t0/max(Bopt(ω))，K>0。
由信号的最小长度及最大长度确定最优发射波的长度范围，对于最大电压受限系统，需要选择信号长度大的信号，而对于距离受限系统，需要选择信号长度小的信号。信号长度范围内任意发射波的相位谱计算公式为：
其中，其中0≤α≤1，本探测系统选择折中的办法，取信号长度范围的中间值，即α＝0.5。
由信号的幅度谱及相位谱可得到确定的信号，所得信号为混响环境下最优发射波。
本发明的具体实施应用流程：(1)根据用户需求设置任意波形输出板卡的初始发射波形。(2)所述任意波形输出板卡发射一高电平脉冲，触发高速数据采集卡(PCI-1714)、三极管2N2222A，此时任意波形输出板卡的另一通道产生设置好的波形，并经过所述功率放大器进行放大。(3)所述收发一体式超声换能器发射超声波，并经由信号发射接收转换电路、时间增益补偿电路、增益控制电路及放大与滤波电路，由数据采集卡采集。(4)所述数据采集卡将信号转化为数字量，存储在工控机中，数据采集软件LabVIEW实现数据的显示、保存，并由所得信号计算该混响环境下最优发射波形。(5)工控机设置最优发射波形的参数并控制任意波形输出板卡产生最优波形。
Claims (6)
1.一种用于深海采矿混响环境下的超声微地形探测系统，其特在于，包括任意波形发生模块、收发一体式超声探头、信号发射接收转换电路、信号预处理模块、数据采集卡、工控机；
其中，任意波形发生模块、收发一体式超声探头、信号发射接收转换电路、信号预处理模块，数据采集卡、工控机依次电连接；
所述任意波形发生模块，包括任意波形输出板卡及功率放大器，所述任意波形输出板卡用于产生用户所需的任意波形，所述功率放大器用于将所述任意波形输出板卡产生的任意波形进行功率放大并输出至所述收发一体式超声探头，用于驱动所述收发一体式超声探头；
所述收发一体式超声探头进行超声探测波的发射与接收；
所述信号发射接收转换电路用于接收所述收发一体式超声探头的回波信息，并将所接收的回波信息输送至信号预处理模块；
所述信号预处理模块用于抑制发射信号结束后一段时间内接收信号中的混响干扰，并进行接收信号的放大及滤波；
所述数据采集卡由任意波形输出板卡触发，将模拟信号转换成数字信号，送到工控机中进行分析，处理；所述工控机用于显示、保存采集到的信号，通过信号处理算法，根据所接收混响信号计算当前环境下的发射波形，并控制任意波形输出板卡的发射波参数，实现不同混响环境下发射波形的实时计算与探测。
2.根据权利要求1所述的超声微地形探测系统，其特征在于所述任意波形发生模块的任意波形输出板卡具有多路信号输出通道，发射任意波形的同时可触发信息采集卡，其发射波形可以是用于混响环境探测的单频脉冲信号、线性调频信号、正弦调频信号以及它们的各种组合形式，也可以是通过输入函数产生的波形。
3.根据权利要求1所述的超声微地形探测系统，其特征在于，所述信号发射接收转换电路将激励电压较高的发射电路与电压较低的回波信号接收电路进行隔离。
4.根据权利要求1、2或3所述的超声微地形探测系统，其特征在于，所述的信号预处理模块包括时间增益补偿电路、增益控制电路、放大及滤波电路，时间增益补偿电路分别与增益控制电路、放大及滤波电路相连，放大及滤波电路输出端与数据采集卡相连，所述的时间增益补偿电路增益大小随时间增加，可抑制发射信号结束后一段时间内接收信号中的混响干扰。
5.根据权利要求4所述的超声微地形探测系统，其特征在于，所述的增益控制电路输入端为方波信号时，输出端可获得斜坡电压，从而实现增益控制电压随时间增加。
6.根据权利要求4所述的超声微地形探测系统，其特征在于，所述的放大及滤波电路采用多级放大滤波，第一级为低通滤波电路，采用的是二阶低通滤波器，滤波器不进行信号放大，滤波后的信号进行第二、三、四级信号放大，本系统增益带宽积可以达到160MHz，当信号频率为200kHz时，系统可达到的增益为800倍。
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