CN109828265A - 一种多波束宽带剖面声呐及水下机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种多波束宽带剖面声呐及水下机器人，包括：PC显控终端向9基元发射声基阵发送工作指令，9基元发射声基阵根据工作指令向目标发射调频脉冲声信号；9基元接收声基阵接收目标返回的声信号；9通道接收放大滤波电路对声信号进行空间滤波，将滤波后的信号发送至9通道AD变换器；9通道AD变换器对滤波后的信号进行模拟‑数字转换，生成对应的数字信号；处理器根据接收到数字信号形成9个接收波束，并在空间波束形成后，对每个波束进行自相关计算，将计算得到的信号发送至PC显控终端进行图像显示。本发明通过加权多波束形成，提高了空间分辨率和信噪比；通过宽带自相关处理，进一步提高了处理增益，提高了剖面成像质量。
Description
技术领域
本发明涉及船舶与海洋工程技术领域，特别涉及一种多波束宽带剖面声呐及水下机器人。
背景技术
剖面声纳对于探测海底掩埋物体、水下结构物内部构成状态检查、海洋地质勘探等是必不可少的设备。国外称该类声纳为浅剖声纳。但目前国际市场流行的浅剖声纳产品都是单波束的，且由于主要针对海底地质调查为主要目标设计的，所以虽然其穿透深度比较深，但分辨率一般都比较低。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
为此，本发明的目的在于提出一种多波束宽带剖面声呐。
为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种多波束宽带剖面声呐，包括：PC显控终端、9基元发射声基阵、9基元接收声基阵、9通道接收放大滤波电路、9通道AD变换器和处理器，其中，所述PC显控终端向所述9基元发射声基阵发送工作指令，所述9基元发射声基阵根据所述工作指令向目标发射调频脉冲声信号；所述9基元接收声基阵接收目标返回的声信号，并将声信号发送至所述9通道接收放大滤波电路；所述9通道接收放大滤波电路对所述声信号进行空间滤波，将滤波后的信号发送至所述9通道AD变换器；所述9通道AD变换器对所述滤波后的信号进行模拟-数字转换，生成对应的数字信号，并将所述数字信号发送至所述处理器；所述处理器根据接收到数字信号形成9个接收波束，并在空间波束形成后，对每个波束进行自相关计算，将计算得到的信号发送至所述PC显控终端进行图像显示。
进一步，所述处理器采用FPGA处理器。
进一步，还包括总线开关，所述总线开关位于所述9通道AD变换器和所述处理器之间，用于将所述9通道AD变换器输出的数字信号分时发送至所述处理器的数据总线。
进一步，所述9基元发射声基阵和9基元接收声基阵构成T字型声基阵。
进一步，所述处理器形成的9个波束，每个波束束宽为5°，其总覆盖角为45°。
进一步，还包括：以太网芯片，所述以太网芯片位于所述处理器和PC显控终端之间，用于将处理器自相关计算后的信号发送至所述PC显控终端。
进一步，所述处理器还用于对自相关计算后，对信号的包络滤波进行分析，判断目标断层，然后将判断结果发送至所述PC显控终端。
进一步，所述9通道接收放大滤波电路中的每路电路采用2片集成运放OPA2822搭建两级差分放大电路。
进一步，所述9通道AD变换器中每路电路采用型号为ADS8323的AD采集芯片。
本发明还提出一种水下机器人，包括上述的多波束宽带剖面声呐。
根据本发明实施例的多波束宽带剖面声呐及机器人，9基元发射声基阵和9基元接收声基阵构成T字型声基阵，利用9通道接收放大滤波电路对目标返回信号进行滤波处理，再由AD变换器进行模数转换，将得到的数字信号发送至FPGA处理器形成波束，并进行自相关计算，将计算结果发送至PC端进行图像显示。本发明在保证一定剖入深度(1.5～8米)的前提下，将分辨率做到2.2cm的高分辨率，剖面声纳必须采用宽频相关处理技术并具有30kHz带宽。通过加权多波束形成，提高了空间分辨率和信噪比；通过宽带自相关处理，进一步提高了处理增益，提高了剖面成像质量；采用高速FPGA作中心处理器，使硬件处理速度大大提高，缩小了硬件规模。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的多波束宽带剖面声呐的结构图；
图2为根据本发明实施例的多波束宽带剖面声呐的工作流程图；
图3为根据本发明实施例的9通道接收放大滤波电路的电路图；
图4为根据本发明实施例的9通道AD变换器的电路图；
图5为根据本发明实施例的总线开关的电路图；
图6为根据本发明实施例的FPGA处理器的电路图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1和图2所示，本发明实施例的多波束宽带剖面声呐，包括：PC显控终端100、9基元发射声基阵200、9基元接收声基阵300、9通道接收放大滤波电路400、9通道AD变换器500和处理器600。其中，PC显控终端100可以采用计算机PC。
具体的，PC显控终端100在管理员的操作下，向9基元发射声基阵200发送工作指令。其中，工作指令中记录有目标的相关信息及发射控制指令。9基元发射声基阵200根据来自PC显控终端100的工作指令向目标发射调频脉冲声信号。9基元接收声基阵300接收目标返回的声信号，并将声信号发送至9通道接收放大滤波电路400。
需要说明的是，为保证预定的可剖入深度和剖面分辨率，本发明将信号中心频率设定为50kHz,而带宽设计为±30％中心频率，从而带宽达到35-65kHz。为保证系统这一带宽，其发射接收换能器声基阵、大功率发射机及其宽带匹配网路，都必须保证在范围内带内起伏不高于3dB。
在本发明的一个实施例中，9基元发射声基阵200和9基元接收声基阵300构成T字型声基阵。
9通道接收放大滤波电路400对接收到的声信号进行空间滤波，然后将滤波后的信号发送至9通道AD变换器500。9通道AD变换器500对滤波后的信号进行模拟-数字转换，生成对应的数字信号，并将数字信号发送至处理器600。如图3所示，9通道接收放大滤波电路400中的每路电路采用2片集成运放OPA2822搭建两级差分放大电路。
需要说明的是，在9通道AD变换器500和处理器600之间进一步设置有总线开关，用于将9通道AD变换器500输出的数字信号分时发送至处理器600的数据总线。如图4所示，9通道AD变换器500中每路电路采用型号为ADS8323的AD采集芯片，用于将模拟信号转换为数字信号。AD变换器输出的数字信号由总线开关SN74LVTH16374(如图5所示)分时送到数据总线，所有采集和分时共享总线由处理器600提供控制时序。
处理器600根据接收到数字信号形成9个接收波束。其中，处理器600形成的9个波束，每个波束束宽为5°，其总覆盖角为45°，在经过加权处理后，波束形成后取得的空间增益为20dB以上。本发明将剖面声纳做成多波束的，使其在水下机器人上应用时，能够对水下掩埋目标进行更有效、更快速的搜索，也能使机器人根据掩埋目标的探测结果，调整机器人航向，使其被探测目标始终保持在多波束的中心波束上。
处理器600在空间波束形成后，对每个波束进行自相关计算，将计算得到的信号发送至PC显控终端100进行图像显示。进一步提高检测增益，在进行空间波束形成后，对每个波束做自相关计算处理。使其分辨率达到2.2cm。
在本发明的一个实施例中，处理器600采用FPGA处理器600。为在35-65kHz宽带范围内实现多波束波束形成和各波束相关计算处理，需要高速信号处理器600，本系统核心处理器600选用高速FPGA芯片。如图6所示，采用型号为EP4CE15F22C8N的FPGA处理器600。
此外，在处理器600和PC显控终端100之间进一步设置有以太网芯片，用于将处理器600自相关计算后的信号发送至PC显控终端100。其中，以太网芯片采用型号为W5300以太网芯片，数据处理结束后，FPGA控制W5300把所有数据上传到PC单元显示。
在本发明的又一个实施例中，处理器600还用于对自相关计算后，对信号的包络滤波进行分析，判断目标断层，然后将判断结果发送至PC显控终端100。
本发明实施例还提出一种水下机器人，包括上述实施例提供的多波束宽带剖面声呐。将剖面声纳做成多波束的，使其在水下机器人上应用时，能够对水下掩埋目标进行更有效、更快速的搜索，也能使机器人根据掩埋目标的探测结果，调整机器人航向，使其被探测目标始终保持在多波束的中心波束上。
根据本发明实施例的多波束宽带剖面声呐及机器人，9基元发射声基阵和9基元接收声基阵构成T字型声基阵，利用9通道接收放大滤波电路对目标返回信号进行滤波处理，再由AD变换器进行模数转换，将得到的数字信号发送至FPGA处理器形成波束，并进行自相关计算，将计算结果发送至PC端进行图像显示。本发明在保证一定剖入深度(1.5～8米)的前提下，将分辨率做到2.2cm的高分辨率，剖面声纳必须采用宽频相关处理技术并具有30kHz带宽。通过加权多波束形成，提高了空间分辨率和信噪比；通过宽带自相关处理，进一步提高了处理增益，提高了剖面成像质量；采用高速FPGA作中心处理器，使硬件处理速度大大提高，缩小了硬件规模。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
Claims (10)
1.一种多波束宽带剖面声呐，包括：PC显控终端，其特征在于，还包括：9基元发射声基阵、9基元接收声基阵、9通道接收放大滤波电路、9通道AD变换器和处理器，其中，
所述PC显控终端向所述9基元发射声基阵发送工作指令，所述9基元发射声基阵根据所述工作指令向目标发射调频脉冲声信号；
所述9基元接收声基阵接收目标返回的声信号，并将声信号发送至所述9通道接收放大滤波电路；
所述9通道接收放大滤波电路对所述声信号进行空间滤波，将滤波后的信号发送至所述9通道AD变换器；
所述9通道AD变换器对所述滤波后的信号进行模拟-数字转换，生成对应的数字信号，并将所述数字信号发送至所述处理器；
所述处理器根据接收到数字信号形成9个接收波束，并在空间波束形成后，对每个波束进行自相关计算，将计算得到的信号发送至所述PC显控终端进行图像显示。
2.如权利要求1所述的多波束宽带剖面声呐，其特征在于，所述处理器采用FPGA处理器。
3.如权利要求1所述的多波束宽带剖面声呐，其特征在于，还包括总线开关，所述总线开关位于所述9通道AD变换器和所述处理器之间，用于将所述9通道AD变换器输出的数字信号分时发送至所述处理器的数据总线。
4.如权利要求1所述的多波束宽带剖面声呐，其特征在于，所述9基元发射声基阵和9基元接收声基阵构成T字型声基阵。
5.如权利要求1所述的多波束宽带剖面声呐，其特征在于，所述处理器形成的9个波束，每个波束束宽为5°，其总覆盖角为45°。
6.如权利要求1所述的多波束宽带剖面声呐，其特征在于，还包括：以太网芯片，所述以太网芯片位于所述处理器和PC显控终端之间，用于将处理器自相关计算后的信号发送至所述PC显控终端。
7.如权利要求1或2所述的多波束宽带剖面声呐，其特征在于，所述处理器还用于对自相关计算后，对信号的包络滤波进行分析，判断目标断层，然后将判断结果发送至所述PC显控终端。
8.如权利要求1所述的多波束宽带剖面声呐，其特征在于，所述9通道接收放大
滤波电路中的每路电路采用2片集成运放OPA2822搭建两级差分放大电路。
9.如权利要求1所述的多波束宽带剖面声呐，其特征在于，所述9通道AD变换器中每路电路采用型号为ADS8323的AD采集芯片。
10.一种水下机器人，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的多波束宽带剖面声呐。
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