CN108880697B - 一种应用于水文铅鱼的水下超声波通信装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应用于水文铅鱼的水下超声波通信装置及方法，属于水文信息技术领域。本发明包括铅鱼上的信号桶、铅鱼端信号调制/解调模块、铅鱼端超声波换能器、钢缆、上位机端超声波换能器、上位机端信号解调/调制模块、上位机；铅鱼上的信号桶与铅鱼端信号调制/解调模块相连，铅鱼端信号调制/解调模块与铅鱼端超声波换能器相连，铅鱼端超声波换能器与钢缆相连，钢缆与上位机端超声波换能器相连，上位机端超声波换能器与上位机端信号解调/调制模块相连，上位机端信号解调/调制模块与上位机相连。本发明提高了水下通信的安全性和可靠性，并且可以在不改变现有结构的情况下提高水下信号的接收灵敏度，增加水下通信的距离。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于水文铅鱼的水下超声波通信装置及方法，属于水文信息技术领域。
背景技术
目前，水文通信领域应用最多的是基于电磁波技术的通信，而电磁波在水下衰减很大、传输距离近、效率低，很难满足通信稳定可靠的要求；双音频通信只能实现近距离的单向传输，且通信不稳定；声呐通信技术传输速度慢、成本高、接收装置安装难度大，不能广泛应用于水下通信领域。超声波的频率高于20kHz，因为穿透能力强、方向性好的特点，可以在水下进行远距离通信。超声波水下通信技术和传统水下通信技术相比，有着安全性高、成本低、传输距离远等优点。
已申请的专利“一种水下超声波通信装置（申请号：201220698642.X）”提出了一种水下超声波通信装置。该申请虽然实现了水下超声波通信，但，该申请的传输介质是水，超声波受到水的成分、温度和压力影响，在水中传播时会发生折射，另外，在实际使用中超声接收装置由于受水位变化的影响，会使安装维护不便。
故本发明提出了一种以钢缆为介质的水下超声波通信装置，可以在不改变现有结构的情况下提高水下信号的接收灵敏度，而且便于安装、维护和使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种应用于水文铅鱼的水下超声波通信装置及方法，用于解决传统水下通信装置体积大、成本高、传输效率低、传输距离短等缺点，本发明以钢绳作为超声波传输的介质，实现水下半双工通信，增加了水下通信的距离、提高了水下通信的安全性和可靠性。
本发明技术方案是：一种应用于水文铅鱼的水下超声波通信装置，包括铅鱼上的信号桶1、铅鱼端信号调制/解调模块2、铅鱼端超声波换能器3、钢缆4、上位机端超声波换能器5、上位机端信号解调/调制模块6、上位机7；铅鱼上的信号桶1与铅鱼端信号调制/解调模块2相连，铅鱼端信号调制/解调模块2与铅鱼端超声波换能器3相连，铅鱼端超声波换能器3与钢缆4相连，钢缆4与上位机端超声波换能器5相连，上位机端超声波换能器5与上位机端信号解调/调制模块6相连，上位机端信号解调/调制模块6与上位机7相连。
所述钢缆4用于超声波的传输介质，铅鱼端超声波换能器3与钢缆4接头固定连接，上位机端超声波换能器5固定安装在岸上收放钢缆4的电机支架的钢板臂上。
所述铅鱼端超声波换能器3与钢缆4之间用超声匹配材料的耦合剂连接，所述上位机端超声波换能器5与收放钢缆4的电机支架的钢板臂安装时，中间加超声匹配材料的耦合剂。
所述的铅鱼端信号调制/解调模块2包括：铅鱼端信号调制模块20和铅鱼端信号解调模块21；
所述的铅鱼端信号调制模块20包括：铅鱼端数据接口201、铅鱼端编码器202、铅鱼端调制器203、铅鱼端信号发送处理电路204；
所述的铅鱼端信号解调模块21包括：铅鱼端信号接收处理电路211、铅鱼端解调器212、铅鱼端解码器213、铅鱼端数据输出接口214；
所述的上位机端信号解调/调制模块6包括：上位机端信号解调模块60和上位机端信号调制模块61；
所述的上位机端信号解调模块60包括：上位端信号接收处理电路601、上位机端解调器602、上位机端解码器603、上位机端数据输出接口604；
所述的上位机端信号调制模块61包括：上位机端数据接口611、上位机端编码器612、上位机端调制器613、上位机端信号发送处理电路614；
所述铅鱼上的信号桶1、铅鱼端数据接口201、铅鱼端编码器202、铅鱼端调制器203、铅鱼端信号发送处理电路204、铅鱼端超声波换能器3、钢缆4、上位机端超声波换能器5、上位端信号接收处理电路601、上位机端解调器602、上位机端解码器603、上位机端数据输出接口604、上位机7依次顺序相连；
所述上位机7、上位机端数据接口611、上位机端编码器612、上位机端调制器613、上位机端信号发送处理电路614、上位机端超声波换能器5、钢缆4、铅鱼端超声波换能器3、铅鱼端信号接收处理电路211、铅鱼端解调器212、铅鱼端解码器213、铅鱼端数据输出接口214、铅鱼上的信号桶1依次顺序相连。
所述铅鱼端信号发送处理电路204包括：铅鱼端功率放大电路2041、铅鱼端阻抗匹配电路2042；所述的铅鱼端信号接收处理电路211包括：铅鱼端前置放大电路2111、铅鱼端带通滤波电路2112、铅鱼端自动增益控制电路2113；
所述铅鱼端功率放大电路2041的输入端电性连接铅鱼端调制器203的输出端，电路由电压放大电路和电流放大电路两部分组成，并且电压放大部分通过改变滑动电阻的值得到需要的放大倍数；
所述铅鱼端阻抗匹配电路2042的输入端电性连接铅鱼端功率放大电路2041的输出端，电路由匹配变压器组成，并通过改变变压器的匝数实现理想匹配；
所述铅鱼端前置放大电路2111由电压运算放大器级联而成，第1块电压运算放大器的+IN管脚接铅鱼端超声波换能器3的输出端，第1块电压运算放大器的OUT管脚接到相邻电压运算放大器的+IN管脚，最后一块电压运算放大器的OUT管脚接下一个电路的输入端，放大倍数通过调整电压运算放大器级联的块数而改变；
所述铅鱼端带通滤波电路2112的输入端电性连接铅鱼端前置放大电路2111的输出端，使用二阶低通滤波器和二阶高通滤波器级联成四阶带通滤波器；
所述铅鱼端自动增益控制电路2113的输入端电性连接铅鱼端带通滤波电路2112的输出端，电路由两片电压控制型放大器并联组成，电压控制型放大器的COMM管脚与输入信号的地线相连，铅鱼端自动增益控制电路2113的输出端与铅鱼端解调器212的输入端电性连接。
所述上位机端信号接收处理电路601包括：上位机端前置放大电路6011、上位机端带通滤波电路6012、上位机端自动增益控制电路6013；所述上位机端信号发送处理电路614包括：上位机端功率放大电路6141、铅鱼端阻抗匹配电路6142；
所述上位机端前置放大电路6011由电压运算放大器级联而成，第1块电压运算放大器的+IN管脚接上位机端超声波换能器5的输出端，第1块电压运算放大器的OUT管脚接到相邻电压运算放大器的+IN管脚，最后一块电压运算放大器的OUT管脚接下一个电路的输入端，放大倍数通过调整电压运算放大器级联的块数而改变；
所述上位机端带通滤波电路6012的输入端电性连接上位机端前置放大电路6011的输出端，使用二阶低通滤波器和二阶高通滤波器级联成四阶带通滤波器；
所述上位机端自动增益控制电路6013的输入端电性连接上位机端带通滤波电路6012的输出端，电路由两片电压控制型放大器并联组成，电压控制型放大器的COMM管脚与输入信号的地线相连，上位机端自动增益控制电路6013的输出端与上位机端解调器602的输入端电性连接；
所述上位机端功率放大电路6141的输入端电性连接上位机端调制器613的输出端，电路由电压放大电路和电流放大电路两部分组成，并且电压放大部分通过改变滑动电阻的值得到需要的放大倍数；
所述上位机端阻抗匹配电路6142的输入端电性连接上位机端功率放大电路6141的输出端，电路由匹配变压器组成，并通过改变变压器的匝数实现理想匹配。
所述电压运算放大器采用高电压运算放大器CA3140；所述铅鱼端带通滤波电路2112或上位机端带通滤波电路6012使用LM358P二阶低通滤波器和LM358P二阶高通滤波器级联成四阶带通滤波器；所述电压控制型放大器采用AD603。
一种应用于水文铅鱼的水下超声波通信方法，包括铅鱼端发起的信息通信方法和上位机端发起的信息通信方法；
所述铅鱼端发起的信息通信方法的步骤包括如下：
StepA1、铅鱼入水后，采集到流速、水深等信息并存储在铅鱼上的信号桶1内，然后把所需发送的信息发送到铅鱼端信号调制/解调模块2调制，铅鱼端信号调制/解调模块2把所需发送的信息调制成以标准量为基准的模拟信号；
StepA2、铅鱼端超声波换能器3把模拟信号转换为超声波信号，并将产生的超声波信号发送出去，传递到钢缆4上；
StepA3、上位机端超声波换能器5接收到钢缆4上的超声波，并把超声波信号转换为以标准量为基准的模拟信号；
StepA4、上位机端信号解调/调制模块6把模拟信号解调成数据信息，再把数据信息传送给上位机7；
StepA5、上位机7处理、分析铅鱼采集的信息，得出实时的流速和水深信息。
所述上位机端发起的信息通信方法的步骤包括如下：
StepB1、上位机7把所需发送的指令或数据包发送到上位机端信号解调/调制模块6调制，上位机端信号解调/调制模块6把所需发送的信息调制成以标准量为基准的模拟信号；
StepB2、上位机端超声波换能器5把模拟信号转换为超声波信号，并将产生的超声波信号发送到钢缆4上；
StepB3、铅鱼端超声波换能器3接收到来自钢缆4的超声波信号，并把超声波信号转换为以标准量为基准的模拟信号；
StepB4、铅鱼端信号调制/解调模块2再把这种模拟信号解调成数据包，最后把数据包传送到铅鱼上的信号桶1内；
StepB5、铅鱼上的信号桶1再根据所接收的上位机指令，完成相应的动作。
进一步的，所述铅鱼端发起的信息通信方法的步骤具体包括如下：
Step1.1、铅鱼入水后，采集到流速、水深信息并存储在铅鱼上的信号桶1内部模块，铅鱼上的信号桶1的内部模块把所需发送的信息发送到铅鱼端数据接口201，铅鱼端数据接口201提取到所需发送的信息；
Step1.2、铅鱼端编码器202把提取到的信息变换为二进制的或者多进制的数字信号，并进行压缩；
Step1.3、铅鱼端调制器203把铅鱼端编码器202输出的数字信号调制成以标准量为基准的模拟信号；
Step1.4、铅鱼端信号发送处理电路204对铅鱼端调制器203输出的模拟信号进行处理用于提高信息的转换率和传输效率；
Step1.5、铅鱼端超声波换能器3把处理过的模拟信号转换为超声波信号，并将产生的超声波信号发送到钢缆4上；
Step1.6、上位机端超声波换能器5接收到来自钢缆4的超声波信号，并把超声波信号转换为以标准量为基准的模拟信号；
Step1.7、上位机端信号接收处理电路601处理上位机端超声波换能器5转换出来的模拟信号用于防止信号失真；
Step1.8、处理过的信号会被上位机端解调器602解调为二进制或者多进制的数字信号；
Step1.9、数字信号会通过上位机端解码器603解压和解码成原始的信息；
Step1.10、解码出来的信息通过上位机端数据输出接口604传送到上位机7上，上位机7处理、分析铅鱼采集的信息；
进一步的，所述上位机端发起的信息通信方法的步骤具体包括如下：
Step2.1、上位机7把所需发送的指令或数据包发送到上位机端数据接口611，上位机端数据接口611提取到所需发送的信息；
Step2.2、提取到的信息通过上位机端编码器612变换为的二进制或者多进制的数字信号，并进行压缩；
Step2.3、上位机端调制器613把上位机端编码器612输出的数字信号调制成以标准量为基准的模拟信号；
Step2.4、上位机端信号发送处理电路614对上位机端调制器613输出的模拟信号进行处理用于提高信息的转换率和传输效率；
Step2.5、上位机端超声波换能器5把处理过的模拟信号转换为超声波信号，并将产生的超声波信号发送到钢缆4上；
Step2.6、铅鱼端超声波换能器3接收到来自钢缆4的超声波信号，并把超声波信号转换为以标准量为基准的模拟信号；
Step2.7、铅鱼端信号接收处理电路211处理模拟信号用于防止信号失真；
Step2.8、处理过的模拟信号会被铅鱼端解调器212解调为二进制或者多进制的数字信号；
Step2.9、解调出来的数字信号会通过铅鱼端解码器213解压和解码成原始的信息；
Step2.10、解码出来的信息通过铅鱼端数据输出接口214传送到铅鱼上的信号桶1内部模块，铅鱼上的信号桶1内部模块完成相应的动作。
所述铅鱼端超声波换能器3和上位机端超声波换能器5完全相同，超声波换能器的中心频率为80kHz。作用是把以标准量为基准的模拟信号转换为超声波信号，并将产生的超声波信号发送到钢缆4上，或者用于接收钢缆4上的超声波信号，并把接收到的超声波信号转换为以标准量为基准的模拟信号。
所述铅鱼端超声波换能器3与钢缆4接头固定连接，上位机端超声波换能器5的与岸上收放钢缆4的电机支架的钢板臂固定连接。
所述铅鱼端超声波换能器3与钢缆4之间用超声匹配材料的耦合剂连接，所述上位机超声波换能器5安装在岸上收放钢缆4的电机支架的钢板臂时，中间加超声匹配材料的耦合剂，使用耦合剂是使介质的声阻抗特性变化，提高超声波从铅鱼端超声波换能器3交换到钢缆4的透射率，或者提高超声波从钢缆4交换到上位机端超声波接收器5的透射率,超声波透射系数t的计算公式如下
Z1为超声波换能器的声阻抗率，Z2为是钢缆的声阻抗率。
所述的铅鱼端信号调制模块20包括：
铅鱼端数据接口201，其输入端和铅鱼上的信号桶1的输出端连接，用于提取所需发送的数据；
铅鱼端编码器202，其输入端和铅鱼端数据接口201的输出端连接，把提取到的信息变换为的二进制或者多进制的数字信号，并进行压缩，提高信息传输的有效性和可靠性；
铅鱼端调制器203，其输入端和铅鱼端编码器202输出端连接，把铅鱼端编码器202输出的信号变换为以标准量为基准的模拟信号；
铅鱼端信号发送处理电路204，其输入端与铅鱼端调制器203的输出端相连，用于处理铅鱼端调制器203输出的信号，提高信息的转换率和传输效率；
所述铅鱼端信号解调模块21包括：
铅鱼端信号接收处理电路211，其输入端与铅鱼端超声波换能器3的输出端相连，用于处理铅鱼端超声波换能器3传出的模拟信号，防止信号失真；
铅鱼端解调器212，其输入端与铅鱼端信号接收处理电路211的输出端相连，用于把处理过的模拟信号转换为数字信号；
铅鱼端解码器213，其输入端与铅鱼端解调器212的输出端相连，通过解压和解码把二进制或者多进制的数字信号变换为原始的信息；
铅鱼端数据输出接口214，与铅鱼上信号桶1连接，用于把铅鱼端解码器213输出的信息传送到铅鱼上信号桶1内；
所述的上位机端信号解调模块60包括：
上位端信号接收处理电路601，其输入端与上位机端超声波换能器5的输出端相连，用于处理上位机端超声波换能器5传出的模拟信号，防止信号失真；
上位机端解调器602，其输入端与上位端信号接收处理电路601的输出端相连，用于把处理过的模拟信号转换为数字信号；
上位机端解码器603，其输入端与上位机端解调器602的输出端相连，通过解压和解码把二进制或者多进制的数字信号变换为原始的信息；
上位机端数据输出接口604，与上位机连接，用于把上位机端解码器603输出的信息传送到上位机；
所述的上位机端信号调制模块61包括：
上位机端数据接口611，其输入端和上位机7的串口连接，用于提取所需发送的数据包；
上位机端编码器612，其输入端和上位机端数据接口611的输出端连接，用于把提取到的信息变换为的二进制或者多进制的数字信号，并进行压缩，提高信息传输的有效性和可靠性；
上位机端调制器613，其输入端和上位机端编码器612输出端连接，把上位机端编码器612输出的信号变换为以标准量为基准的模拟信号；
上位机端信号发送处理电路614，其输入端与上位机端调制器613的输出端相连，用于处理上位机端调制器613输出的信号，提高信息的转换率和传输效率；
所述铅鱼端信号发送处理电路204包括：
铅鱼端功率放大电路2041，所述其输入端电性连接铅鱼端调制器（203）的输出端，电路由电压放大电路和电流放大电路两部分组成，并且电压放大部分可以通过改变滑动电阻的值得到需要的放大倍数，此电路用于驱动超声波换能器并提高超声波传输距离；
铅鱼端阻抗匹配电路2042，其输入端电性连接铅鱼端功率放大电路2041的输出端，电路由匹配变压器组成，并通过改变变压器的匝数实现理想匹配；此电路使经过阻抗变换后的换能器的等效阻抗与功放输出阻抗相等，确保功率利用最大化。
所述的铅鱼端信号接收处理电路211包括：
铅鱼端前置放大电路2111，此电路由高电压运算放大器CA3140级联而成，第1块CA3140的CA3140的+IN管脚接铅鱼端超声波换能器3的输出端，第1块CA3140的OUT管脚接到相邻CA3140的+IN管脚，最后一块CA3140的OUT管脚接下一个电路的输入端，放大倍数可以通过调整CA3140级联的块数改变，此电路为了放大接收到的微弱有用信号；
铅鱼端带通滤波电路2112，其输入端电性连接铅鱼端前置放大电路2111的输出端，使用LM358P二阶低通滤波器和LM358P二阶高通滤波器级联成四阶带通滤波器；，此电路利用有用信号和噪声占用不同频带的特性，滤除噪声，传输有用信号；
铅鱼端自动增益控制电路2113，其输入端电性连接铅鱼端带通滤波电路2112的输出端，电路由两片AD603并联组成，AD603的COMM管脚与输入信号的地线相连，铅鱼端自动增益控制电路2113的输出端与铅鱼端解调器212的输入端电性连接。
所述上位端信号接收处理电路601包括：
上位机端前置放大电路6011，此电路由高电压运算放大器CA3140级联而成，第1块CA3140的CA3140的+IN管脚接上位机端超声波换能器5的输出端，第1块CA3140的OUT管脚接到相邻CA3140的+IN管脚，最后一块CA3140的OUT管脚接下一个电路的输入端，放大倍数可以通过调整CA3140级联的块数改变，此电路为了放大接收到的微弱有用信号；
上位机端带通滤波电路6012，其输入端电性连接上位机端前置放大电路6011的输出端，使用LM358P二阶低通滤波器和LM358P二阶高通滤波器级联成四阶带通滤波器；，此电路利用有用信号和噪声占用不同频带的特性，滤除噪声，传输有用信号；
上位机端自动增益控制电路6013，其输入端电性连接上位机端带通滤波电路6012的输出端，电路由两片AD603并联组成，AD603的COMM管脚与输入信号的地线相连，上位机端自动增益控制电路6013的输出端与上位机端解调器602的输入端电性连接。
所述上位机端信号发送处理电路614包括：
上位机端功率放大电路6141，所述其输入端电性连接上位机端调制器（613）的输出端，电路由电压放大电路和电流放大电路两部分组成，并且电压放大部分可以通过改变滑动电阻的值得到需要的放大倍数，此电路用于驱动超声波换能器并提高超声波传输距离；
所述上位机端阻抗匹配电路6142的输入端电性连接上位机端功率放大电路6141的输出端，电路由匹配变压器组成，并通过改变变压器的匝数实现理想匹配；此电路使经过阻抗变换后的换能器的等效阻抗与功放输出阻抗相等，确保功率利用最大化。
本发明的有益效果是：本发明对于目前水文通信有以下几个方面的改善：
1、本发明以钢缆为介质实现超声波水下半双工通信，克服了电磁波通信无法在水下远距离传输的缺点；
2、本发明功耗较低，成本低，安装方便，可靠性强，安全性高，并且可以在不改变现有结构的情况下提高水下信号的接收灵敏度，增加水下通信的距离。
附图说明
图1是本发明的整体电路框图；
图2是本发明中铅鱼端信号调制/解调模块框图；
图3是本发明中上位机端信号解调/调制模块框图；
图4是本发明中铅鱼端发起的信息通信结构图；
图5是本发明中上位机端发起的信息通信结构图；
图6是本发明的功率放大电路、阻抗匹配电路图；
图7是本发明的前置放大电路图；
图8是本发明的带通滤波电路图；
图9是本发明的自动控制增益电路图；
图10是本发明的铅鱼端发起的信息通信流程图；
图11是本发明的上位机端发起的信息通信流程图。
图1-11中各标号：1-铅鱼上的信号桶，2-铅鱼端信号调制/解调模块，3-铅鱼端超声波换能器，4-钢缆，5-上位机端超声波换能器，6-上位机端信号解调/调制模块，7-上位机，20-铅鱼端信号调制模块，21-铅鱼端信号解调模块，201-铅鱼端数据接口，202-铅鱼端编码器，203-铅鱼端调制器，204-铅鱼端信号发送处理电路，211-铅鱼端信号接收处理电路，212-铅鱼端解调器，213-铅鱼端解码器，214-铅鱼端数据输出接口，60-上位机端信号解调模块，61-上位机端信号调制模块，601-上位端信号接收处理电路，602-上位机端解调器，603-上位机端解码器，604-上位机端数据输出接口，611-上位机端数据接口，612-上位机端编码器，613-上位机端调制器，614-上位机端信号发送处理电路，2041-铅鱼端功率放大电路，2042-铅鱼端阻抗匹配电路，2111铅鱼端前置放大电路-，2112-铅鱼端带通滤波电路，2113-铅鱼端自动增益控制电路，6011-上位机端前置放大电路，6012-上位机端带通滤波电路，6013-上位机端自动增益控制电路，6141-上位机端功率放大电路，6142-上位机端阻抗匹配电路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1-9所示，一种应用于水文铅鱼的水下超声波通信装置，包括铅鱼上的信号桶1、铅鱼端信号调制/解调模块2、铅鱼端超声波换能器3、钢缆4、上位机端超声波换能器5、上位机端信号解调/调制模块6、上位机7；铅鱼上的信号桶1与铅鱼端信号调制/解调模块2相连，铅鱼端信号调制/解调模块2与铅鱼端超声波换能器3相连，铅鱼端超声波换能器3与钢缆4相连，钢缆4与上位机端超声波换能器5相连，上位机端超声波换能器5与上位机端信号解调/调制模块6相连，上位机端信号解调/调制模块6与上位机7相连。
进一步的，所述钢缆4用于超声波的传输介质，铅鱼端超声波换能器3与钢缆4接头固定连接，上位机端超声波换能器5固定安装在岸上收放钢缆4的电机支架的钢板臂上。
进一步的，所述铅鱼端超声波换能器3与钢缆4之间用超声匹配材料的耦合剂连接，所述上位机端超声波换能器5与收放钢缆4的电机支架的钢板臂安装时，中间加超声匹配材料的耦合剂。
进一步的，所述的铅鱼端信号调制/解调模块2包括：铅鱼端信号调制模块20和铅鱼端信号解调模块21；
所述的铅鱼端信号调制模块20包括：铅鱼端数据接口201、铅鱼端编码器202、铅鱼端调制器203、铅鱼端信号发送处理电路204；
所述的铅鱼端信号解调模块21包括：铅鱼端信号接收处理电路211、铅鱼端解调器212、铅鱼端解码器213、铅鱼端数据输出接口214；
所述的上位机端信号解调/调制模块6包括：上位机端信号解调模块60和上位机端信号调制模块61；
所述的上位机端信号解调模块60包括：上位端信号接收处理电路601、上位机端解调器602、上位机端解码器603、上位机端数据输出接口604；
所述的上位机端信号调制模块61包括：上位机端数据接口611、上位机端编码器612、上位机端调制器613、上位机端信号发送处理电路614；
如图4所示，是铅鱼端发起的信息通信装置，该装置分为发射部分和接收部分。发射部分由铅鱼端数据接口201、铅鱼端编码器202、铅鱼端调制器203、铅鱼端功率放大电路2041、铅鱼端阻抗匹配电路2042、铅鱼端超声波换能器3组成；接收部分由上位机端超声波换能器5、上位机端前置放大电路6011、上位机带通滤波电路6012、上位机端自动增益控制电路6013、上位机端解调器602、上位机端解码器603、上位机端数据输出接口604、上位机7组成。在此中的传输介质是钢缆4；
所述铅鱼上的信号桶1、铅鱼端数据接口201、铅鱼端编码器202、铅鱼端调制器203、铅鱼端信号发送处理电路204、铅鱼端超声波换能器3、钢缆4、上位机端超声波换能器5、上位端信号接收处理电路601、上位机端解调器602、上位机端解码器603、上位机端数据输出接口604、上位机7依次顺序相连；
如图5所示，是上位机端发起的信息通信装置，该装置分为发射部分和接收部分。发射部分由上位机端数据接口611、上位机端编码器612、上位机端调制器613、上位机端功率放大电路6141、上位机端阻抗匹配电路6142、上位机端超声波换能器5组成；接收部分由铅鱼端超声波换能器3、铅鱼端前置放大电路2111、铅鱼端带通滤波电路2112、铅鱼端自动增益控制电路2113、铅鱼端解调器212、铅鱼端解码器213、铅鱼端数据输出接口214、铅鱼上的信号桶1 。在中的传输介质是钢缆4。
所述上位机7、上位机端数据接口611、上位机端编码器612、上位机端调制器613、上位机端信号发送处理电路614、上位机端超声波换能器5、钢缆4、铅鱼端超声波换能器3、铅鱼端信号接收处理电路211、铅鱼端解调器212、铅鱼端解码器213、铅鱼端数据输出接口214、铅鱼上的信号桶1依次顺序相连。
进一步的，所述铅鱼端信号发送处理电路204包括：铅鱼端功率放大电路2041、铅鱼端阻抗匹配电路2042；所述的铅鱼端信号接收处理电路211包括：铅鱼端前置放大电路2111、铅鱼端带通滤波电路2112、铅鱼端自动增益控制电路2113；
所述铅鱼端功率放大电路2041的输入端电性连接铅鱼端调制器203的输出端，电路由电压放大电路和电流放大电路两部分组成，并且电压放大部分通过改变滑动电阻的值得到需要的放大倍数；
所述铅鱼端阻抗匹配电路2042的输入端电性连接铅鱼端功率放大电路2041的输出端，电路由匹配变压器组成，并通过改变变压器的匝数实现理想匹配；
所述铅鱼端前置放大电路2111由电压运算放大器级联而成，第1块电压运算放大器的+IN管脚接铅鱼端超声波换能器3的输出端，第1块电压运算放大器的OUT管脚接到相邻电压运算放大器的+IN管脚，最后一块电压运算放大器的OUT管脚接下一个电路的输入端，放大倍数通过调整电压运算放大器级联的块数而改变；
所述铅鱼端带通滤波电路2112的输入端电性连接铅鱼端前置放大电路2111的输出端，使用二阶低通滤波器和二阶高通滤波器级联成四阶带通滤波器；
所述铅鱼端自动增益控制电路2113的输入端电性连接铅鱼端带通滤波电路2112的输出端，电路由两片电压控制型放大器并联组成，电压控制型放大器的COMM管脚与输入信号的地线相连，铅鱼端自动增益控制电路2113的输出端与铅鱼端解调器212的输入端电性连接。
进一步的，所述上位机端信号接收处理电路601包括：上位机端前置放大电路6011、上位机端带通滤波电路6012、上位机端自动增益控制电路6013；所述上位机端信号发送处理电路614包括：上位机端功率放大电路6141、铅鱼端阻抗匹配电路6142；
所述上位机端前置放大电路6011由电压运算放大器级联而成，第1块电压运算放大器的+IN管脚接上位机端超声波换能器5的输出端，第1块电压运算放大器的OUT管脚接到相邻电压运算放大器的+IN管脚，最后一块电压运算放大器的OUT管脚接下一个电路的输入端，放大倍数通过调整电压运算放大器级联的块数而改变；
所述上位机端带通滤波电路6012的输入端电性连接上位机端前置放大电路6011的输出端，使用二阶低通滤波器和二阶高通滤波器级联成四阶带通滤波器；
所述上位机端自动增益控制电路6013的输入端电性连接上位机端带通滤波电路6012的输出端，电路由两片电压控制型放大器并联组成，电压控制型放大器的COMM管脚与输入信号的地线相连，上位机端自动增益控制电路6013的输出端与上位机端解调器602的输入端电性连接；
所述上位机端功率放大电路6141的输入端电性连接上位机端调制器613的输出端，电路由电压放大电路和电流放大电路两部分组成，并且电压放大部分通过改变滑动电阻的值得到需要的放大倍数；
所述上位机端阻抗匹配电路6142的输入端电性连接上位机端功率放大电路6141的输出端，电路由匹配变压器组成，并通过改变变压器的匝数实现理想匹配。
进一步的，所述电压运算放大器采用高电压运算放大器CA3140；所述铅鱼端带通滤波电路2112或上位机端带通滤波电路6012使用LM358P二阶低通滤波器和LM358P二阶高通滤波器级联成四阶带通滤波器；所述电压控制型放大器采用AD603。
一种应用于水文铅鱼的水下超声波通信方法，包括铅鱼端发起的信息通信方法和上位机端发起的信息通信方法；
所述铅鱼端发起的信息通信方法的步骤包括如下：
StepA1、铅鱼入水后，采集到流速、水深等信息并存储在铅鱼上的信号桶1内，然后把所需发送的信息发送到铅鱼端信号调制/解调模块2调制，铅鱼端信号调制/解调模块2把所需发送的信息调制成以标准量为基准的模拟信号；
StepA2、铅鱼端超声波换能器3把模拟信号转换为超声波信号，并将产生的超声波信号发送出去，传递到钢缆4上；
StepA3、上位机端超声波换能器5接收到钢缆4上的超声波，并把超声波信号转换为以标准量为基准的模拟信号；
StepA4、上位机端信号解调/调制模块6把模拟信号解调成数据信息，再把数据信息传送给上位机7；
StepA5、上位机7处理、分析铅鱼采集的信息，得出实时的流速和水深信息。
所述上位机端发起的信息通信方法的步骤包括如下：
StepB1、上位机7把所需发送的指令或数据包发送到上位机端信号解调/调制模块6调制，上位机端信号解调/调制模块6把所需发送的信息调制成以标准量为基准的模拟信号；
StepB2、上位机端超声波换能器5把模拟信号转换为超声波信号，并将产生的超声波信号发送到钢缆4上；
StepB3、铅鱼端超声波换能器3接收到来自钢缆4的超声波信号，并把超声波信号转换为以标准量为基准的模拟信号；
StepB4、铅鱼端信号调制/解调模块2再把这种模拟信号解调成数据包，最后把数据包传送到铅鱼上的信号桶1内；
StepB5、铅鱼上的信号桶1再根据所接收的上位机指令，完成相应的动作。
进一步的，如图10所示，是本发明铅鱼端发起的信息通信流程图，所述铅鱼端发起的信息通信方法的步骤具体包括如下：
Step1.1、铅鱼入水后，采集到流速、水深信息并存储在铅鱼上的信号桶1内部模块，铅鱼上的信号桶1的内部模块把所需发送的信息发送到铅鱼端数据接口201，铅鱼端数据接口201提取到所需发送的信息；
Step1.2、铅鱼端编码器202把提取到的信息变换为二进制的或者多进制的数字信号，并进行压缩；
Step1.3、铅鱼端调制器203把铅鱼端编码器202输出的数字信号调制成以标准量为基准的模拟信号；
Step1.4、铅鱼端信号发送处理电路204对铅鱼端调制器203输出的模拟信号进行处理用于提高信息的转换率和传输效率；
Step1.5、铅鱼端超声波换能器3把处理过的模拟信号转换为超声波信号，并将产生的超声波信号发送到钢缆4上；
Step1.6、上位机端超声波换能器5接收到来自钢缆4的超声波信号，并把超声波信号转换为以标准量为基准的模拟信号；
Step1.7、上位机端信号接收处理电路601处理上位机端超声波换能器5转换出来的模拟信号用于防止信号失真；
Step1.8、处理过的信号会被上位机端解调器602解调为二进制或者多进制的数字信号；
Step1.9、数字信号会通过上位机端解码器603解压和解码成原始的信息；
Step1.10、解码出来的信息通过上位机端数据输出接口604传送到上位机7上，上位机7处理、分析铅鱼采集的信息；
进一步的，如图11所示，是本发明上位机端发起的信息通信流程图，所述上位机端发起的信息通信方法的步骤具体包括如下：
Step2.1、上位机7把所需发送的指令或数据包发送到上位机端数据接口611，上位机端数据接口611提取到所需发送的信息；
Step2.2、提取到的信息通过上位机端编码器612变换为的二进制或者多进制的数字信号，并进行压缩；
Step2.3、上位机端调制器613把上位机端编码器612输出的数字信号调制成以标准量为基准的模拟信号；
Step2.4、上位机端信号发送处理电路614对上位机端调制器613输出的模拟信号进行处理用于提高信息的转换率和传输效率；
Step2.5、上位机端超声波换能器5把处理过的模拟信号转换为超声波信号，并将产生的超声波信号发送到钢缆4上；
Step2.6、铅鱼端超声波换能器3接收到来自钢缆4的超声波信号，并把超声波信号转换为以标准量为基准的模拟信号；
Step2.7、铅鱼端信号接收处理电路211处理模拟信号用于防止信号失真；
Step2.8、处理过的模拟信号会被铅鱼端解调器212解调为二进制或者多进制的数字信号；
Step2.9、解调出来的数字信号会通过铅鱼端解码器213解压和解码成原始的信息；
Step2.10、解码出来的信息通过铅鱼端数据输出接口214传送到铅鱼上的信号桶1内部模块，铅鱼上的信号桶1内部模块完成相应的动作。
所述铅鱼端超声波换能器3和上位机端超声波换能器5完全相同，超声波换能器的中心频率为80kHz。作用是把以标准量为基准的模拟信号转换为超声波信号，并将产生的超声波信号发送到钢缆4上，或者用于接收钢缆4上的超声波信号，并把接收到的超声波信号转换为以标准量为基准的模拟信号。
所述铅鱼端超声波换能器3与钢缆4接头固定连接，上位机端超声波换能器5的与岸上收放钢缆4的电机支架的钢板臂固定连接。
所述铅鱼端超声波换能器3与钢缆4之间用超声匹配材料的耦合剂连接，所述上位机超声波换能器5安装在岸上收放钢缆4的电机支架的钢板臂时，中间加超声匹配材料的耦合剂，使用耦合剂是使介质的声阻抗特性变化，提高超声波从铅鱼端超声波换能器3交换到钢缆4的透射率，或者提高超声波从钢缆4交换到上位机端超声波接收器5的透射率,超声波透射系数t的计算公式如下
Z1为超声波换能器的声阻抗率，Z2为是钢缆的声阻抗率。
进一步的，所述的铅鱼端信号调制模块20包括：
铅鱼端数据接口201，其输入端和铅鱼上的信号桶1的输出端连接，用于提取所需发送的数据；
铅鱼端编码器202，其输入端和铅鱼端数据接口201的输出端连接，把提取到的信息变换为的二进制或者多进制的数字信号，并进行压缩，提高信息传输的有效性和可靠性；
铅鱼端调制器203，其输入端和铅鱼端编码器202输出端连接，把铅鱼端编码器202输出的信号变换为以标准量为基准的模拟信号；
铅鱼端信号发送处理电路204，其输入端与铅鱼端调制器203的输出端相连，用于处理铅鱼端调制器203输出的信号，提高信息的转换率和传输效率；
所述铅鱼端信号解调模块21包括：
铅鱼端信号接收处理电路211，其输入端与铅鱼端超声波换能器3的输出端相连，用于处理铅鱼端超声波换能器3传出的模拟信号，防止信号失真；
铅鱼端解调器212，其输入端与铅鱼端信号接收处理电路211的输出端相连，用于把处理过的模拟信号转换为数字信号；
铅鱼端解码器213，其输入端与铅鱼端解调器212的输出端相连，通过解压和解码把二进制或者多进制的数字信号变换为原始的信息；
铅鱼端数据输出接口214，与铅鱼上信号桶1连接，用于把铅鱼端解码器213输出的信息传送到铅鱼上信号桶1内；
所述的上位机端信号解调模块60包括：
上位端信号接收处理电路601，其输入端与上位机端超声波换能器5的输出端相连，用于处理上位机端超声波换能器5传出的模拟信号，防止信号失真；
上位机端解调器602，其输入端与上位端信号接收处理电路601的输出端相连，用于把处理过的模拟信号转换为数字信号；
上位机端解码器603，其输入端与上位机端解调器602的输出端相连，通过解压和解码把二进制或者多进制的数字信号变换为原始的信息；
上位机端数据输出接口604，与上位机连接，用于把上位机端解码器603输出的信息传送到上位机；
所述的上位机端信号调制模块61包括：
上位机端数据接口611，其输入端和上位机7的串口连接，用于提取所需发送的数据包；
上位机端编码器612，其输入端和上位机端数据接口611的输出端连接，用于把提取到的信息变换为的二进制或者多进制的数字信号，并进行压缩，提高信息传输的有效性和可靠性；
上位机端调制器613，其输入端和上位机端编码器612输出端连接，把上位机端编码器612输出的信号变换为以标准量为基准的模拟信号；
上位机端信号发送处理电路614，其输入端与上位机端调制器613的输出端相连，用于处理上位机端调制器613输出的信号，提高信息的转换率和传输效率；
所述铅鱼端信号发送处理电路204包括：
铅鱼端功率放大电路2041，所述其输入端电性连接铅鱼端调制器（203）的输出端，电路由电压放大电路和电流放大电路两部分组成，并且电压放大部分可以通过改变滑动电阻的值得到需要的放大倍数，此电路用于驱动超声波换能器并提高超声波传输距离；
铅鱼端阻抗匹配电路2042，其输入端电性连接铅鱼端功率放大电路2041的输出端，电路由匹配变压器组成，并通过改变变压器的匝数实现理想匹配；此电路使经过阻抗变换后的换能器的等效阻抗与功放输出阻抗相等，确保功率利用最大化。
所述的铅鱼端信号接收处理电路211包括：
铅鱼端前置放大电路2111，此电路由高电压运算放大器CA3140级联而成，第1块CA3140的CA3140的+IN管脚接铅鱼端超声波换能器3的输出端，第1块CA3140的OUT管脚接到相邻CA3140的+IN管脚，最后一块CA3140的OUT管脚接下一个电路的输入端，放大倍数可以通过调整CA3140级联的块数改变，此电路为了放大接收到的微弱有用信号；
铅鱼端带通滤波电路2112，其输入端电性连接铅鱼端前置放大电路2111的输出端，使用LM358P二阶低通滤波器和LM358P二阶高通滤波器级联成四阶带通滤波器；，此电路利用有用信号和噪声占用不同频带的特性，滤除噪声，传输有用信号；
铅鱼端自动增益控制电路2113，其输入端电性连接铅鱼端带通滤波电路2112的输出端，电路由两片AD603并联组成，AD603的COMM管脚与输入信号的地线相连，铅鱼端自动增益控制电路2113的输出端与铅鱼端解调器212的输入端电性连接。
所述上位端信号接收处理电路601包括：
上位机端前置放大电路6011，此电路由高电压运算放大器CA3140级联而成，第1块CA3140的CA3140的+IN管脚接上位机端超声波换能器5的输出端，第1块CA3140的OUT管脚接到相邻CA3140的+IN管脚，最后一块CA3140的OUT管脚接下一个电路的输入端，放大倍数可以通过调整CA3140级联的块数改变，此电路为了放大接收到的微弱有用信号；
上位机端带通滤波电路6012，其输入端电性连接上位机端前置放大电路6011的输出端，使用LM358P二阶低通滤波器和LM358P二阶高通滤波器级联成四阶带通滤波器；，此电路利用有用信号和噪声占用不同频带的特性，滤除噪声，传输有用信号；
上位机端自动增益控制电路6013，其输入端电性连接上位机端带通滤波电路6012的输出端，电路由两片AD603并联组成，AD603的COMM管脚与输入信号的地线相连，上位机端自动增益控制电路6013的输出端与上位机端解调器602的输入端电性连接。
所述上位机端信号发送处理电路614包括：
上位机端功率放大电路6141，所述其输入端电性连接上位机端调制器（613）的输出端，电路由电压放大电路和电流放大电路两部分组成，并且电压放大部分可以通过改变滑动电阻的值得到需要的放大倍数，此电路用于驱动超声波换能器并提高超声波传输距离；
所述上位机端阻抗匹配电路6142的输入端电性连接上位机端功率放大电路6141的输出端，电路由匹配变压器组成，并通过改变变压器的匝数实现理想匹配；此电路使经过阻抗变换后的换能器的等效阻抗与功放输出阻抗相等，确保功率利用最大化。
所述的铅鱼端调制器203和上位机端解调器602可以分别采用数字频率调制器和数字频率解调器，采用数字频率调制FSK方法对信号进行调制解调；
所述的上位机端调制器613和铅鱼端解调器212可以分别采用数字频率调制器和数字频率解调器，采用数字频率调制FSK方法对信号进行调制解调；
在本发明中，铅鱼端功率放大电路2041和上位机端功率放大电路6141完全相同，电路由电压放大电路和电流放大电路两部分组成，并且电压放大部分可以通过改变滑动电阻的值得到需要的放大倍数，此电路用于驱动超声波换能器并提高超声波传输距离；铅鱼端阻抗匹配电路2042和上位机端阻抗匹配电路6142也完全相同，电路由匹配变压器组成，并通过改变变压器的匝数实现理想匹配；此电路使经过阻抗变换后的换能器等效阻抗与功放输出阻抗相等，确保功率利用最大化。电路图如图6所示，
在本发明中，铅鱼端前置放大电路2111和上位机端前置放大电路6011完全相同，电路由高电压运算放大器CA3140级联而成，第1块CA3140的CA3140的+IN管脚接超声波换能器的输出端，第1块CA3140的OUT管脚接到相邻CA3140的+IN管脚，最后一块CA3140的OUT管脚接下一个电路的输入端，放大倍数可以通过调整CA3140级联的块数改变，电路如图7所示。
在本发明中，铅鱼端带通滤波电路2112和上位机带通滤波电路6012完全相同，电路使用LM358P二阶低通滤波器和LM358P二阶高通滤波器级联成四阶带通滤波器，电路如图8所示。
在本发明中，铅鱼端自动增益控制电路2113和上位机端自动增益控制电路6013完全相同，电路由两片AD603并联组成，AD603的COMM管脚与输入信号的地线相连，自动增益控制电路（5013）的输出端与下一个模块的输入端电性连接，电路如图9所示。
在本发明中，所述铅鱼端超声波换能器3和上位机端超声波换能器5完全相同，超声波换能器的中心频率为80kHz。作用是把以标准量为基准的模拟信号转换为超声波信号，并将产生的超声波信号发送到钢缆4上，或者用于接收钢缆4上的超声波信号，并把接收到的超声波信号转换为以标准量为基准的模拟信号。
所述铅鱼端超声波换能器3与钢缆4接头固定连接，上位机端超声波换能器5的与岸上收放钢缆4的电机支架的钢板臂固定连接。
所述铅鱼端超声波换能器3与钢缆4之间用超声匹配材料的耦合剂连接，所述上位机超声波换能器5安装在岸上收放钢缆4的电机支架的钢板臂时，中间加超声匹配材料的耦合剂，使用耦合剂是使介质的声阻抗特性变化，提高超声波从铅鱼端超声波换能器3交换到钢缆4的透射率，或者提高超声波从钢缆4交换到上位机端超声波接收器5的透射率。
本发明的工作原理是：
铅鱼端发起的信息通信：铅鱼入水后，采集到流速、水深等信息，这些信息存储在铅鱼上的信号桶1的内部模块中，铅鱼上的信号桶1的内部模块把所需发送的信息发送到铅鱼端数据接口201，铅鱼端数据接口201提取到所需发送的信息，提取到的信息通过铅鱼端编码器202变换为的二进制或者多进制的数字信号，并进行压缩，提高信息传输的有效性和可靠性，铅鱼端编码器202输出的数字信号经过铅鱼端调制器203调制后变换为以标准量为基准的模拟信号，紧接着铅鱼端信号发送处理电路204对铅鱼端调制器203输出的模拟信号进行处理，提高信息的转换率和传输效率，经过铅鱼端信号发送处理电路204处理过的模拟信号被铅鱼端超声波换能器3转换为超声波信号，并将产生的超声波信号发送到钢缆4上，上位机端超声波换能器5接收到来自钢缆4的超声波信号，并把超声波信号转换为以标准量为基准的模拟信号，模拟信号接着就会被上位机端信号接收处理电路601处理，防止信号的失真，上位机端信号接收处理电路601处理过的模拟信号会被上位机端解调器602解调为二进制或者多进制的数字信号，上位机端解调器602解调出来的数字信号会通过上位机端解码器603解压和解码成原始的信息，最后把解码出来的信息通过上位机端数据输出接口604传送到上位机7上，上位机7处理、分析铅鱼采集的信息。
上位机端发起的信息通信：上位机7把所需发送的指令或数据包发送到上位机端数据接口611，上位机端数据接口611提取到所需发送的信息，提取到的信息通过上位机端编码器612变换为的二进制或者多进制的数字信号，并进行压缩，提高信息传输的有效性和可靠性，上位机端编码器612输出的数字信号经过上位机端调制器613调制后变换为以标准量为基准的模拟信号，上位机端信号发送处理电路614对上位机端调制器613输出的模拟信号进行处理，提高信息的转换率和传输效率，经过上位机端信号发送处理电路614处理过的模拟信号被上位机端超声波换能器5转换为超声波信号，并将产生的超声波信号发送到钢缆4上，铅鱼端超声波换能器3接收到来自钢缆4的超声波信号，并把超声波信号转换为以标准量为基准的模拟信号，模拟信号接着就会被铅鱼端信号接收处理电路211处理，防止信号的失真，经过铅鱼端信号接收处理电路211处理过的模拟信号会被铅鱼端解调器212解调为二进制或者多进制的数字信号，铅鱼端解调器212解调出来的数字信号会通过铅鱼端解码器213解压和解码成原始的信息，最后解码器输出的信息通过铅鱼端数据输出接口214传送到铅鱼上的信号桶1内部模块，铅鱼上的信号桶1内部模块完成相应的动作。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (7)
1.一种应用于水文铅鱼的水下超声波通信装置，其特征在于：包括铅鱼上的信号桶(1)、铅鱼端信号调制/解调模块(2)、铅鱼端超声波换能器(3)、钢缆(4)、上位机端超声波换能器(5)、上位机端信号解调/调制模块(6)、上位机(7)；铅鱼上的信号桶(1)与铅鱼端信号调制/解调模块(2)相连，铅鱼端信号调制/解调模块(2)与铅鱼端超声波换能器(3)相连，铅鱼端超声波换能器(3)与钢缆(4)相连，钢缆(4)与上位机端超声波换能器(5)相连，上位机端超声波换能器(5)与上位机端信号解调/调制模块(6)相连，上位机端信号解调/调制模块(6)与上位机(7)相连；
所述的铅鱼端信号调制/解调模块(2)包括：铅鱼端信号调制模块(20)和铅鱼端信号解调模块(21)；
所述的铅鱼端信号调制模块(20)包括：铅鱼端数据接口(201)、铅鱼端编码器(202)、铅鱼端调制器(203)、铅鱼端信号发送处理电路(204)；
所述的铅鱼端信号解调模块(21)包括：铅鱼端信号接收处理电路(211)、铅鱼端解调器(212)、铅鱼端解码器(213)、铅鱼端数据输出接口(214)；
所述的上位机端信号解调/调制模块(6)包括：上位机端信号解调模块(60)和上位机端信号调制模块(61)；
所述的上位机端信号解调模块(60)包括：上位端信号接收处理电路(601)、上位机端解调器(602)、上位机端解码器(603)、上位机端数据输出接口(604)；
所述的上位机端信号调制模块(61)包括：上位机端数据接口(611)、上位机端编码器(612)、上位机端调制器(613)、上位机端信号发送处理电路(614)；
所述铅鱼上的信号桶(1)、铅鱼端数据接口(201)、铅鱼端编码器(202)、铅鱼端调制器(203)、铅鱼端信号发送处理电路(204)、铅鱼端超声波换能器(3)、钢缆(4)、上位机端超声波换能器(5)、上位端信号接收处理电路(601)、上位机端解调器(602)、上位机端解码器(603)、上位机端数据输出接口(604)、上位机(7)依次顺序相连；
所述上位机(7)、上位机端数据接口(611)、上位机端编码器(612)、上位机端调制器(613)、上位机端信号发送处理电路(614)、上位机端超声波换能器(5)、钢缆(4)、铅鱼端超声波换能器(3)、铅鱼端信号接收处理电路(211)、铅鱼端解调器(212)、铅鱼端解码器(213)、铅鱼端数据输出接口(214)、铅鱼上的信号桶(1)依次顺序相连；
所述铅鱼端信号发送处理电路(204)包括：铅鱼端功率放大电路(2041)、铅鱼端阻抗匹配电路(2042)；所述的铅鱼端信号接收处理电路(211)包括：铅鱼端前置放大电路(2111)、铅鱼端带通滤波电路(2112)、铅鱼端自动增益控制电路(2113)；
所述铅鱼端功率放大电路(2041)的输入端电性连接铅鱼端调制器(203)的输出端，电路由电压放大电路和电流放大电路两部分组成，并且电压放大部分通过改变滑动电阻的值得到需要的放大倍数；
所述铅鱼端阻抗匹配电路(2042)的输入端电性连接铅鱼端功率放大电路(2041)的输出端，电路由匹配变压器组成，并通过改变变压器的匝数实现理想匹配；
所述铅鱼端前置放大电路(2111)由电压运算放大器级联而成，第1块电压运算放大器的+IN管脚接铅鱼端超声波换能器(3)的输出端，第1块电压运算放大器的OUT管脚接到相邻电压运算放大器的+IN管脚，最后一块电压运算放大器的OUT管脚接下一个电路的输入端，放大倍数通过调整电压运算放大器级联的块数而改变；
所述铅鱼端带通滤波电路(2112)的输入端电性连接铅鱼端前置放大电路(2111)的输出端，使用二阶低通滤波器和二阶高通滤波器级联成四阶带通滤波器；
所述铅鱼端自动增益控制电路(2113)的输入端电性连接铅鱼端带通滤波电路(2112)的输出端，电路由两片电压控制型放大器并联组成，电压控制型放大器的COMM管脚与输入信号的地线相连，铅鱼端自动增益控制电路(2113)的输出端与铅鱼端解调器(212)的输入端电性连接；
所述上位机端信号接收处理电路(601)包括：上位机端前置放大电路(6011)、上位机端带通滤波电路(6012)、上位机端自动增益控制电路(6013)；所述上位机端信号发送处理电路(614)包括：上位机端功率放大电路(6141)、铅鱼端阻抗匹配电路(6142)；
所述上位机端前置放大电路(6011)由电压运算放大器级联而成，第1块电压运算放大器的+IN管脚接上位机端超声波换能器(5)的输出端，第1块电压运算放大器的OUT管脚接到相邻电压运算放大器的+IN管脚，最后一块电压运算放大器的OUT管脚接下一个电路的输入端，放大倍数通过调整电压运算放大器级联的块数而改变；
所述上位机端带通滤波电路(6012)的输入端电性连接上位机端前置放大电路(6011)的输出端，使用二阶低通滤波器和二阶高通滤波器级联成四阶带通滤波器；
所述上位机端自动增益控制电路(6013)的输入端电性连接上位机端带通滤波电路(6012)的输出端，电路由两片电压控制型放大器并联组成，电压控制型放大器的COMM管脚与输入信号的地线相连，上位机端自动增益控制电路(6013)的输出端与上位机端解调器(602)的输入端电性连接；
所述上位机端功率放大电路(6141)的输入端电性连接上位机端调制器(613)的输出端，电路由电压放大电路和电流放大电路两部分组成，并且电压放大部分通过改变滑动电阻的值得到需要的放大倍数；
所述上位机端阻抗匹配电路(6142)的输入端电性连接上位机端功率放大电路(6141)的输出端，电路由匹配变压器组成，并通过改变变压器的匝数实现理想匹配。
2.根据权利要求1所述的应用于水文铅鱼的水下超声波通信装置，其特征在于：所述钢缆(4)用于超声波的传输介质，铅鱼端超声波换能器(3)与钢缆(4)接头固定连接，上位机端超声波换能器(5)固定安装在岸上收放钢缆(4)的电机支架的钢板臂上。
3.根据权利要求2所述的应用于水文铅鱼的水下超声波通信装置，其特征在于：所述铅鱼端超声波换能器(3)与钢缆(4)之间用超声匹配材料的耦合剂连接，所述上位机端超声波换能器(5)与收放钢缆(4)的电机支架的钢板臂安装时，中间加超声匹配材料的耦合剂。
4.根据权利要求1所述的应用于水文铅鱼的水下超声波通信装置，其特征在于：所述电压运算放大器采用高电压运算放大器CA3140；所述铅鱼端带通滤波电路(2112)或上位机端带通滤波电路(6012)使用LM358P二阶低通滤波器和LM358P二阶高通滤波器级联成四阶带通滤波器；所述电压控制型放大器采用AD603。
5.根据权利要求1所述的应用于水文铅鱼的水下超声波通信装置，其特征在于：
所述铅鱼端数据接口(201)，其输入端和铅鱼上的信号桶(1)的输出端连接，用于提取所需发送的数据；
铅鱼端编码器(202)，其输入端和铅鱼端数据接口(201)的输出端连接，把提取到的信息变换为的二进制或者多进制的数字信号，并进行压缩，用于提高信息传输的有效性和可靠性；
铅鱼端调制器(203)，其输入端和铅鱼端编码器(202)输出端连接，把铅鱼端编码器(202)输出的信号变换为以标准量为基准的模拟信号；
铅鱼端信号发送处理电路(204)，其输入端与铅鱼端调制器(203)的输出端相连，用于处理铅鱼端调制器(203)输出的信号，提高信息的转换率和传输效率；
铅鱼端信号接收处理电路(211)，其输入端与铅鱼端超声波换能器(3)的输出端相连，用于处理铅鱼端超声波换能器(3)传出的模拟信号，防止信号失真；
铅鱼端解调器(212)，其输入端与铅鱼端信号接收处理电路(211)的输出端相连，用于把处理过的模拟信号转换为数字信号；
铅鱼端解码器(213)，其输入端与铅鱼端解调器(212)的输出端相连，通过解压和解码把二进制或者多进制的数字信号变换为原始的信息；
铅鱼端数据输出接口(214)，与铅鱼上信号桶(1)连接，用于把铅鱼端解码器(213)输出的信息传送到铅鱼上信号桶(1)内；
上位端信号接收处理电路(601)，其输入端与上位机端超声波换能器(5)的输出端相连，用于处理上位机端超声波换能器(5)传出的模拟信号，防止信号失真；
上位机端解调器(602)，其输入端与上位端信号接收处理电路(601)的输出端相连，用于把处理过的模拟信号转换为数字信号；
上位机端解码器(603)，其输入端与上位机端解调器(602)的输出端相连，通过解压和解码把二进制或者多进制的数字信号变换为原始的信息；
上位机端数据输出接口(604)，与上位机连接，用于把上位机端解码器(603)输出的信息传送到上位机；
上位机端数据接口(611)，其输入端和上位机(7)的串口连接，用于提取所需发送的数据包；
上位机端编码器(612)，其输入端和上位机端数据接口(611)的输出端连接，用于把提取到的信息变换为的二进制或者多进制的数字信号，并进行压缩，提高信息传输的有效性和可靠性；
上位机端调制器(613)，其输入端和上位机端编码器(612)输出端连接，把上位机端编码器(612)输出的信号变换为以标准量为基准的模拟信号；
上位机端信号发送处理电路(614)，其输入端与上位机端调制器(613)的输出端相连，用于处理上位机端调制器(613)输出的信号，提高信息的转换率和传输效率。
6.根据权利要求1所述的应用于水文铅鱼的水下超声波通信装置进行应用于水文铅鱼的水下超声波通信方法，其特征在于：包括铅鱼端发起的信息通信方法和上位机端发起的信息通信方法；
所述铅鱼端发起的信息通信方法的步骤包括如下：
StepA1、铅鱼入水后，采集到流速、水深等信息并存储在铅鱼上的信号桶1内，然后把所需发送的信息发送到铅鱼端信号调制/解调模块2调制，铅鱼端信号调制/解调模块2把所需发送的信息调制成以标准量为基准的模拟信号；
StepA2、铅鱼端超声波换能器3把模拟信号转换为超声波信号，并将产生的超声波信号发送出去，传递到钢缆4上；
StepA3、上位机端超声波换能器5接收到钢缆4上的超声波，并把超声波信号转换为以标准量为基准的模拟信号；
StepA4、上位机端信号解调/调制模块6把模拟信号解调成数据信息，再把数据信息传送给上位机7；
StepA5、上位机7处理、分析铅鱼采集的信息，得出实时的流速和水深信息；
所述上位机端发起的信息通信方法的步骤包括如下：
StepB1、上位机7把所需发送的指令或数据包发送到上位机端信号解调/调制模块6调制，上位机端信号解调/调制模块6把所需发送的信息调制成以标准量为基准的模拟信号；
StepB2、上位机端超声波换能器5把模拟信号转换为超声波信号，并将产生的超声波信号发送到钢缆4上；
StepB3、铅鱼端超声波换能器3接收到来自钢缆4的超声波信号，并把超声波信号转换为以标准量为基准的模拟信号；
StepB4、铅鱼端信号调制/解调模块2再把这种模拟信号解调成数据包，最后把数据包传送到铅鱼上的信号桶1内；
StepB5、铅鱼上的信号桶1再根据所接收的上位机指令，完成相应的动作。
7.根据权利要求6所述的应用于水文铅鱼的水下超声波通信方法，其特征在于：所述铅鱼端发起的信息通信方法的步骤具体包括如下：
Step1.1、铅鱼入水后，采集到流速、水深信息并存储在铅鱼上的信号桶(1)内部模块，铅鱼上的信号桶(1)的内部模块把所需发送的信息发送到铅鱼端数据接口(201)，铅鱼端数据接口(201)提取到所需发送的信息；
Step1.2、铅鱼端编码器(202)把提取到的信息变换为二进制的或者多进制的数字信号，并进行压缩；
Step1.3、铅鱼端调制器(203)把铅鱼端编码器(202)输出的数字信号调制成以标准量为基准的模拟信号；
Step1.4、铅鱼端信号发送处理电路(204)对铅鱼端调制器(203)输出的模拟信号进行处理用于提高信息的转换率和传输效率；
Step1.5、铅鱼端超声波换能器(3)把处理过的模拟信号转换为超声波信号，并将产生的超声波信号发送到钢缆(4)上；
Step1.6、上位机端超声波换能器(5)接收到来自钢缆(4)的超声波信号，并把超声波信号转换为以标准量为基准的模拟信号；
Step1.7、上位机端信号接收处理电路(601)处理上位机端超声波换能器(5)转换出来的模拟信号用于防止信号失真；
Step1.8、处理过的信号会被上位机端解调器(602)解调为二进制或者多进制的数字信号；
Step1.9、数字信号会通过上位机端解码器(603)解压和解码成原始的信息；
Step1.10、解码出来的信息通过上位机端数据输出接口(604)传送到上位机(7)上，上位机(7)处理、分析铅鱼采集的信息；
所述上位机端发起的信息通信方法的步骤具体包括如下：
Step2.1、上位机(7)把所需发送的指令或数据包发送到上位机端数据接口(611)，上位机端数据接口(611)提取到所需发送的信息；
Step2.2、提取到的信息通过上位机端编码器(612)变换为的二进制或者多进制的数字信号，并进行压缩；
Step2.3、上位机端调制器(613)把上位机端编码器(612)输出的数字信号调制成以标准量为基准的模拟信号；
Step2.4、上位机端信号发送处理电路(614)对上位机端调制器(613)输出的模拟信号进行处理用于提高信息的转换率和传输效率；
Step2.5、上位机端超声波换能器(5)把处理过的模拟信号转换为超声波信号，并将产生的超声波信号发送到钢缆(4)上；
Step2.6、铅鱼端超声波换能器(3)接收到来自钢缆(4)的超声波信号，并把超声波信号转换为以标准量为基准的模拟信号；
Step2.7、铅鱼端信号接收处理电路(211)处理模拟信号用于防止信号失真；
Step2.8、处理过的模拟信号会被铅鱼端解调器(212)解调为二进制或者多进制的数字信号；
Step2.9、解调出来的数字信号会通过铅鱼端解码器(213)解压和解码成原始的信息；
Step2.10、解码出来的信息通过铅鱼端数据输出接口(214)传送到铅鱼上的信号桶(1)内部模块，铅鱼上的信号桶(1)内部模块完成相应的动作。
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