CN109799509A - 一种用于潜器的避碰声纳系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于潜器的避碰声纳系统，属于声纳技术领域。所述用于潜器的避碰声纳系统包括电源电路和测深系统，所述电源电路对所述测深系统供电；其中，所述测试系统包括依次双向连接的DSP电路、收发电路、通道选择电路和换能器；所述DSP电路与所述通道选择电路连接。原来需用4路收发电路、4路电源电路、4路DSP电路现在均只需1路，产品成本下降约为原来的4分之一，体积及功耗都大幅度减小，如果需要更多方向的检测，使用此发明也能够很容易地将通道扩展至更多的通道。另外此避碰声呐结构简单，控制容易，价格也比较便宜，可灵活运用于多种场合，为潜器提供了一种很好的避碰解决方案。

Description

一种用于潜器的避碰声纳系统

技术领域

本发明涉及声纳技术领域，特别涉及一种用于潜器的避碰声纳系统。

背景技术

随着陆地资源的日益枯竭，海洋资源的调查与开发日益得到重视，我国把开发海洋资源作为一项重大决策。越来越多的海洋探测设备，如AUV、ROV、水下机器人等水下集成化拖体或潜器得到应用。

当潜器在水下行进过程中，由于水下环境的不可预知性，需要实时通过避碰声呐对行进航路上的障碍物进行勘察，这样在遇到障碍物时采取规避策略。目前避碰声呐有三种，分别为常规测距声呐、二维成像声呐和三维图像声呐。其中，二维成像声呐和三维图像声呐均能根据获取到的回波信息形成能量图像，通过对图像的处理获取目标更多的信息，但因此开发的难度较大，对硬件要求较高，价格比较昂贵，市场需求量相对较小。而常规测距声呐根据某一方向回波信息来获取目标障碍物的距离和方位参数，由于其结构简单，控制容易，价格也比较便宜，可灵活运用于多种场合。

采用四个常规测距声呐12分别布放在潜器11的前端、左右两端及下端，如图1所示，这样四个常规测距声呐就可以得到潜器四个方向的障碍物信息，再通过各自配置的换能器得到距障碍物的距离信息。如果采用传统的方式，用四个测距声呐来安装，这样就会造成体积大、成本高、功耗大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于潜器的避碰声纳系统，以解决现有避碰声呐体积大、成本高的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于潜器的避碰声纳系统，包括：

电源电路和测深系统，所述电源电路对所述测深系统供电；其中，

所述测试系统包括依次双向连接的DSP电路、收发电路、通道选择电路和换能器；所述DSP电路与所述通道选择电路连接。

可选的，所述电源电路包括防反接器件和若干个DCDC电源模块；所述防反接器为肖特基二极管，所述若干个DCDC电源模块分别产生不同的电压供给所述测试系统中的各个部件。

可选的，所述DSP电路包括电源芯片、DSP芯片、通讯芯片、AD芯片/DA芯片和FLASH芯片；所述电源芯片将所述电源电路提供的电压转换成适用不同芯片的电压。

可选的，所述收发电路包括发射电路和接收电路；其中，

所述发射电路包括依次相接的波形处理器、桥式功放器、阻抗匹配电路；

所述接收电路包括依次相接的收发转换电路、隔离耦合电路、前置放大电路、第一带通滤波电路、自动增益控制电路、第二带通滤波电路、后置放大电路和检波电路。

可选的，所述通道选择电路包括若干个光耦隔离继电器。

可选的，所述光耦隔离继电器的数量为所述换能器数量的两倍。

在本发明中提供了一种用于潜器的避碰声纳系统，包括电源电路和测深系统，所述电源电路对所述测深系统供电；其中，所述测试系统包括依次双向连接的DSP电路、收发电路、通道选择电路和换能器；所述DSP电路与所述通道选择电路连接。原来需用4路收发电路、4路电源电路、4路DSP电路现在均只需1路，产品成本下降约为原来的4分之一，体积及功耗都大幅度减小，如果需要更到方向的检测，使用此发明也能够很容易地将通道扩展至更多的通道。另外此避碰声呐结构简单，控制容易，价格也比较便宜，可灵活运用于多种场合，为潜器提供了一种很好的避碰解决方案。

附图说明

图1是目前具有四个常规测距声呐的潜器的结构示意图；

图2是本发明提供的用于潜器的避碰声纳系统的结构示意图；

图3是本发明提供的电源电路的结构示意图；

图4是本发明提供的DSP电路的结构示意图；

图5是本发明提供的发射电路的结构示意图；

图6是本发明提供的接收电路的结构示意图；

图7是本发明提供的通道选择电路的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种用于潜器的避碰声纳系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

本发明提供了一种用于潜器的避碰声纳系统，其结构如图2所示。所述用于潜器的避碰声纳系统包括电源电路1和测深系统2，所述电源电路1对所述测深系统2供电；具体的，所述测试系统2包括依次双向连接的DSP电路21、收发电路22、通道选择电路23和换能器24；所述DSP电路与所述通道选择电路连接。进一步的，所述收发电路22包括发射电路221和接收电路222。具体的，所述电源电路1采用宽范围输入，能够在外部电源输入范围在10V到36V情况下，产生稳定的足够功率的电源供给所述测深系统2中的各个电路使用；所述DSP电路21是所述测深系统2的运算中心，担负着系统同步、测深跟踪，控制发射机的功率和脉宽，控制接收增益，采集接收机输出的包络信号并通过串口送出到外部设备；所述收发电路22是测深能力强弱的关键。采用了所述通道选择电路23，当选择其中一个换能器24工作时，相应的换能器进入工作状态，完成测量，其他三个换能器处于开路状态，对该换能器的工作不产生影响。从而在保证性能的同时，减低了体积、功耗，也减小了体积。

具体的，请参阅图3，所述电源电路1包括防反接器件10和若干个DCDC电源模块；所述若干个DCDC电源模块分别产生不同的电压供给所述测试系统中的各个部件。考虑到整机性能，选用的DCDC电源模块均为体积小、功耗低、噪声小的电源模块。外部电源进入所述电源电路1后，首先通过一个防反接器件11，所述防反接器件11优选为肖特基二极管，其型号可以为二极管IN5819，它的反向耐压为40V，额定正向电流1A，它的反向恢复时间极短，性能满足设计要求。当外部电源正确输入时，所述防反接器件11导通，后端的DCDC电源模块工作，给其他电路供电，整个系统正常工作；当外部电源反接时，这时所述防反接器件11不导通，电源不会流入后端电路，从而实现了电源输入反接保护，不会对后端的DCDC电源模块造成损坏。

为了实现宽范围电源输入，则选择的DCDC电源模块的输入电源范围应为为9～36V。在所述测深系统2中需要提供5V电源给所述DSP电路21；5V、15V、24V电源给所述发射电路221，±5V电源给所述接收电路222。如果都选用宽范围电源输入的DCDC电源模块，则所述电源电路1的体积会增加很多，考虑所述DSP电路21的5V功耗较大，所以选择一个3W的5V电源模块，其电源输入范围为9～36V，产生的5V仅供给所述DSP电路21使用；由于所述发射电路221和所述接收电路222上的电源功耗都很小，所以在这里采用了将外部电路电源先经过一个3W的24V的电源模块，它的电源输入范围为9～36V，它产生的24V一方面供给所述发射电路221使用，另外经过一个窄范围电源输入的15V电源模块产生15V供给所述发射电路221使用，经过一个窄范围电源输入的5V电源模块产生5V供给所述发射电路221和所述接收电路222使用，经过一个窄范围电源输入的－5V电源模块产生－5V供给所述接收电路使用。通过这样的方式既能实现避碰在电源宽范围输入下能正常工作，同时又实现了电源电路的小型化。

如图4所示为所述DSP电路21的结构示意图。所述DSP电路21是避碰声呐的控制中心，包括电源芯片211、DSP芯片212、通讯芯片213、AD芯片/DA芯片214和FLASH芯片215。由于所述DSP电路21内部的芯片较多，需要5V，3.3V和1.5V三种电源，所述电源电路1提供了5V电源，所述电源芯片211将所述电源电路1提供的电压转换成适用不同芯片的电压。

具体的，所述通讯芯片213采用的是MAX3160EAP芯片，是一种高性能管脚可编程的多协议收发器件，这里通过引脚设置为RS232收发器，这样设备可以通过所述RS232收发器与外部设备进行通讯，主要为接收外部控制命令，发送测量值，以及进行内部程序升级等功能。

所述AD芯片/DA芯片214包括AD芯片和DA芯片。所述AD芯片采用的是THS1206IDA，是THS1206是TI公司开发的一款基于流水线结构的12位高速A／D转换器。这种A／D转换器采用流水线结构，能够并行处理多路模拟信号，因而可以得到较高的转换速度；并且可以通过其内部的校正电路对内部误差进行校正，得到更高的精度。在这里通过THS1206IDA芯片将接收电路中的模拟回波信号转换成数字信号从而给DSP信号进行后续处理。

所述DA芯片采用的是 TLV5614， TLV5614是一款由四个部分组成的12位电压输出模数转换器(DAC)，带有灵活的串行接口，从而可以无缝连接至TMS320™、SPI™、QSPI™及Microwire™串行端口。在这里主要是用来接收DSP的数字信号，转换为模拟信号，从而来控制接收电路上自动增益的大小。

所述FLASH芯片215采用的是29LV400，FLASH与EPROM相比，集成度高，功耗低，可电擦写，而且3.3V的FLASH可直接与DSP接口，接口电路设计方便。29LV400具有单电源操作，存取速度快，读写寿命长，低功耗等优点，所以我们用它来进行存储程序和数据。

所述DSP芯片212采用TI公司的TMS320VC5416定点DSP，其内部采用一种改进型的哈佛总线结构，数据总线宽度为16 b，最大寻址空间为64 K×16 b。程序总线宽度为23 b，最大寻址空间为8 M ×16 b。片内有128 M×16 b的RAM，6通道DMA传输控制器，3个带缓冲器的串行通信接口(McBSP)。分开的数据和指令空间使该芯片具有高度的并行操作能力，在单周期内允许指令和数据同时存取，再加上其高度优化的指令集，使得该芯片具有很高的运算速度，最高可达160 MIPS。所述DSP芯片212是整个设备的运算中心，担负着系统同步、测深跟踪，控制发射机的功率和脉宽，切换四个换能器工作，控制接收增益，采集接收机输出的包络信号并通过电缆将测量值送出到外部设备。

所述收发电路22包括发射电路221和接收电路222。其中，如图5所示，所述发射电路221包括依次相接的波形处理器2211、桥式功放器2212、阻抗匹配电路2213。所述波形处理器2211优选UC2706进行波形处理，将所述DSP电路21给出的低压驱动信号进行分频处理，经过分频处理后，产生两路PWM波，分别来驱动桥式功放器2212对角线上的两个MOSFET管，同时通过UC2706进行波形处理后，也保证了桥式功放器2212上、下桥臂间不会发生直通现象，从而避免了因全桥直通烧毁电路的现象。另外由于功率比较低，MOSFET管优选型号为IRFL4610PBF，其VDSS=100V，RDS(ON)=0.2Ω，ID=1.6A，封装为SOT-223，体积比较小。

所述阻抗匹配电路2213作用为：一是调谐匹配，即调节换能器阻抗，使发射负载尽量接近纯阻状态，减少无功分量；二是阻抗匹配，即改变换能器电路的阻抗，使之与电源达到阻抗匹配，保证换能器获得最大的电功率。同时采用串并联匹配电路也能防止因为换能器短路而引起仪器损坏。

由于发射功率要求低，去除了传统发射电路中需要采用的变压器，这样也降低了发射电路的重量和体积。

如图6所示，所述接收电路222包括依次相接的收发转换电路2221、隔离耦合电路2222、前置放大电路2223、第一带通滤波电路2224、自动增益控制电路2225、第二带通滤波电路2226、后置放大电路2227和检波电路2228。由于避碰声呐的换能器采用的是收发一体的方式，所以接收电路222首先要经过一个收发转换电路2221和隔离耦合电路2222。通过所述收发转换电路2221，当发射的时候，收发转换电路2221相当于短路，不会烧坏接收电路。当换能器接收的时候，微小的信号能通过所述收发转换电路2221，由后续接收电路222进行后续放大处理。

所述前置放大电路2223和所述后置放大电路2227都是将微弱信号进行放大。

声信号在水中传播会引起扩散损失和吸收损失，扩散损失与传播距离的平方成正比，通过信号处理电路对接收电路222进行时间增益控制（TVG），以补偿声信号的传播损失，抑制近区干扰和混响，这就是TVG电路的功能。

所述自动增益控制电路2225，就是要使接收电路222的增益随输入量的强弱自动改变，使其输出基本保持恒定。所述自动增益控制电路2225由信号处理板进行控制，当信号处理板检测到接收电路222输出电压变大时，控制所述自动增益控制电路2225的增益下降，当信号处理板检测到接收电路222输出电压变小时，控制所述自动增益控制电路2225的增益增大，这样就由输入信号的强弱，自动调节了接收电路222的系统增益。

所述第一带通滤波电路2224和所述所述第二带通滤波电路2226主要实现的功能是将所需要的特定频率范围内的信号传输过去，而阻断这个频率范围以外的信号，达到选择性传输的目的。

由于信号处理板需要的是脉冲信号来进行后续处理，所以在接收电路222将水底接收到的信号放大滤波后，还需要进行所述检波电路2228。

图7是所述通道选择电路23的电路原理图。所述通道选择电路23包括若干个光耦隔离继电器。所述光耦隔离继电器的数量为所述换能器数量的两倍。

由于避碰声呐电路的特殊需要，控制的多路电子开关，不仅要承受高频，大电流，大电压的发射电路的冲击，而且在接收微弱信号时要有良好的抗干扰性。接收电路222最小信号只有几十微伏甚至几微伏，在此条件下，要保证电子开关不受电子开关的外接电源影响。在这里我们采用的继电器型号为AQY277AX，是一款光耦隔离继电器，广泛应用于测量测试设备、IC测试仪以及高速检测机器。它具有体积小，支持各种类型的负载控制及高灵敏特点。其输出端最大峰峰值为200V，输出端的平均电流为0.65A，输出端的峰值电流为2.0A，平均导通电阻为0.7Ω，能够满足我们的设计要求。

外部设备通过RS232串口给出选择换能器通道的命令，根据此命令，所述DSP电路21向所述通道选择电路23提供对应四个换能器的选择信号，这四个选择信号平时为低电平，四个换能器均不工作，由于换能器有正负极，所以用两个光耦隔离继电器对应其中的一个换能器。当接收到外部串口命令时，DSP电路21每个时刻只会选择一个换能器工作，当所述DSP电路21根据外部命令选择通道1的换能器时，则给通道1的信号为高，其他三个通道为低，此时将光耦隔离继电器231、光耦隔离继电器232打开，换能器241经过光耦隔离继电器231、232后接入所述收发电路22，换能器241进行工作状态，其他三个换能器不工作。当DSP电路21根据外部命令选择通道2的换能器时，则将给通道2的信号为高，此时光耦隔离继电器233、光耦隔离继电器234打开，换能器2经过光耦隔离继电器233、234后接入收发电路22，换能器242进行工作，其他三个换能器不工作。当DSP电路21根据外部命令选择通道3的换能器时，则将给通道3的信号为高，此时光耦隔离继电器235、236打开，换能器243经过光耦隔离继电器235、236后接入收发电路22，换能器243进行工作，其他三个换能器不工作。当DSP电路21根据外部命令选择通道4的换能器时，则将给通道4的信号为高，此时光耦隔离继电器237、238打开，换能器244经过继电器237、238后接入收发电路22，换能器244进行工作，其他三个换能器不工作。

采用该通道选择电路，利用传统的测深仪原理，构成了能测四个方向的避碰声呐。使用通道选择电路后，原来需用4路收发电路、4路电源电路、4路DSP电路现在均只需1路，产品成本下降约为原来的4分之一，体积及功耗都大幅度减小，如果需要更到方向的检测，使用此发明也能够很容易地将通道扩展至更多的通道。另外此避碰声呐结构简单，控制容易，价格也比较便宜，可灵活运用于多种场合，为潜器提供了一种很好的避碰解决方案。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于潜器的避碰声纳系统，其特征在于，包括：

电源电路和测深系统，所述电源电路对所述测深系统供电；其中，

所述测试系统包括依次双向连接的DSP电路、收发电路、通道选择电路和换能器；所述DSP电路与所述通道选择电路连接。

2.如权利要求1所述的用于潜器的避碰声纳系统，其特征在于，所述电源电路包括防反接器件和若干个DCDC电源模块；所述防反接器为肖特基二极管，所述若干个DCDC电源模块分别产生不同的电压供给所述测试系统中的各个部件。

3.如权利要求1所述的用于潜器的避碰声纳系统，其特征在于，所述DSP电路包括电源芯片、DSP芯片、通讯芯片、AD芯片/DA芯片和FLASH芯片；所述电源芯片将所述电源电路提供的电压转换成适用不同芯片的电压。

4.如权利要求1所述的用于潜器的避碰声纳系统，其特征在于，所述收发电路包括发射电路和接收电路；其中，

所述发射电路包括依次相接的波形处理器、桥式功放器、阻抗匹配电路；

所述接收电路包括依次相接的收发转换电路、隔离耦合电路、前置放大电路、第一带通滤波电路、自动增益控制电路、第二带通滤波电路、后置放大电路和检波电路。

5.如权利要求1所述的用于潜器的避碰声纳系统，其特征在于，所述通道选择电路包括若干个光耦隔离继电器。

6.如权利要求5所述的用于潜器的避碰声纳系统，其特征在于，所述光耦隔离继电器的数量为所述换能器数量的两倍。