CN109884649A - 一种适用于auv多波束测深声纳的硬件装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高频声纳硬件设计领域，具体是一种适用于AUV多波束测深声纳的硬件装置。具体来说该装置由换能器基阵、声纳发射单元、声纳接收单元、预处理单元和电源单元组成。与传统的多波束声纳硬件装置相比，本发明的采用收、发换能器共形U阵设计、多通道的模拟、数字处理芯片和单片FPGA芯片+千兆以太网的实现方式，其有如下优点：硬件结构简单、连接使用方便、体积小、能耗低，不仅适用于AUV平台搭载的多波束测深声纳，也适用于UUV平台等，在国家海洋开发战略大力推进下，有着广泛应用前景。

Description

一种适用于AUV多波束测深声纳的硬件装置

技术领域

本发明涉及高频声纳硬件设计领域，主要是一种适用于AUV多波束测深声纳的硬件装置。

背景技术

AUV是一种自主式无人水下航行器，具有活动范围广、机动性好、安全、智能化、隐蔽性好等优点，在管线铺设、海洋调查、地形探测、侦查、布雷扫雷、水下救援等领域应用广泛。近年来，随着国家海洋开发战略的加快推行，对AUV的研制和应用十分迫切。多波束测深声纳作为是AUV平台上搭载重要声纳设备之一，是一种具有高精度、高效率、全覆盖等特点的水下地形地貌探测仪器，为AUV平台作业提供重要海底数据。受限于AUV的机动性、空间体积小、能源有限等特点，对其搭载的多波束声纳实现小型化、低能耗同样提出更高要求。

从目前公开专利看，涉及多波束声纳硬件方面相对较少。专利号为200710144563公开的“超宽覆盖多波束测深侧扫声纳装置”，是国内较早公开的多波束声纳方面专利。申请号201610177504.X专利申请文件“一种多波束侧扫声纳装置”，是近年的专利申请文件。从公开的这些文件中看，对多波束声纳的硬件方面也有相关阐述，总的来说，系统结构比较复杂，同等通道数下的电子器件多，硬件规模大；另一方面，现有的多波束声纳一般是收、发分开布阵设计，各自的硬件放置电子舱内，连接使用复杂，也增加硬件成本。这些势必造成多波束声纳在体积、重量和能耗等方面代价太高，是制约AUV总体设计的重要因素，不适用于AUV平台的多波束测深声纳。

由于多波束测深声纳的工作频率在195KHz，属于高频声纳范围，相比常见的舰壳声纳几百至几千赫兹的频率高；另一方面，其接收阵共有128个阵元，通道数较多，在有限的舱体空间内对硬件规模限制较大。基于此两点，市场上适用于此频段可选用的模拟调理、模拟信号采集、发射功放等多通道芯片范围很窄，是AUV多波束测深声纳的小型化、低能耗设计的难点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种适用于AUV平台的具有硬件结构简单、高度集成、连接使用方便、低能耗等特点的多波束测深声纳硬件装置。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种适用于AUV多波束测深声纳的硬件装置，该装置包括换能器基阵、声纳接收单元和声纳发射单元、电源单元和信号预处理单元，换能器基阵包括接收换能器和发射换能器，接收换能器连接声纳接收单元，发射换能器连接声纳发射单元。换能器基阵的接收换能器连接声纳接收单元，声纳接收单元连接信号预处理单元，信号预处理单元连接声纳发射单元，声纳发射单元连接换能器基阵的发射换能器，电源单元连接声纳接收单元、信号预处理单元和声纳发射单元。

声纳接收单元包括前级放大、TVG控制、滤波和后级放大等，接收换能器信号依次经过前级放大电路、TVG控制电路、滤波电路和后级放大电路连接至信号预处理单元。

声纳发射单元包括放大驱动、滤波和检测保护等，信号预处理单元产生的数字信号依次经过放大驱动电路及滤波电路连接至换能器基阵的发射换能器，检测保护电路连接放大驱动电路和电源单元。

信号预处理单元包括A/D，FPGA，千兆网和配置电路，声纳接收单元的信号依次经过A/D转换电路、FPGA和千兆网上传，配置电路对FPGA进行软件加载和配置及I/O控制。

电源单元包括待机电路及电源模块。待机电路连接预处理单元及电源模块，电源模块为声纳接收单元、信号预处理单元和声纳发射单元提供电源。

本发明的有益效果为：本发明公开的一种多波束测深声纳的硬件装置，由于采用以上技术方案，收、发换能器共形U阵设计、多通道的模拟、数字处理芯片和单片FPGA芯片+千兆以太网的实现方式，其有如下优点：硬件结构简单、连接使用方便、体积小、能耗低，适用于AUV平台搭载的多波束声纳，也适用于UUV平台等，在国家海洋开发战略大力推进下，有着广泛应用前景。

附图说明

图1为本发明所述的AUV多波束测深声纳硬件装置的系统功能框图。

图2为本发明所述的AUV多波束测深声纳硬件装置的组成框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

本发明采用收、发换能器的共性U阵设计；多通道的模拟、数字处理芯片；单片FPGA芯片的强大处理能力和丰富灵活应用的片上资源+千兆以太网方式控制多波束声纳的待机或者工作状态。基于以上几点，实现适用于AUV多波束测深声纳硬件装置的小型化、低能耗要求。

本发明的目的是这样实现的：一种适用于AUV多波束测深声纳的硬件装置，包括换能器基阵1、声纳接收单元4和声纳发射单元2、电源单元5和信号预处理单元3。所述的换能器基阵1包括接收换能器102和发射换能器101，接收换能器102连接声纳接收单元4，发射换能器101连接声纳发射单元2。所述的换能器基阵1的接收换能器102连接声纳接收单元4，声纳接收单元4连接信号预处理单元3，信号预处理单元3连接声纳发射单元2，声纳发射单元2连接换能器基阵1的发射换能器101，电源单元5连接声纳接收单元4、信号预处理单元3和声纳发射单元2。

本发明公开的一种适用于AUV多波束测深声纳的硬件装置，其基本原理为预处理单元一旦收到AUV平台发出的启动命令和参数，即按照设定的参数，生成发射信号，以一定的脉宽和功率驱动发射换能器发射声波。同时，由FPGA生成各电路协同运行的同步信号和实时计算生成TVG曲线。多通道的接收换能器收到海底回波信号，经声纳接收单元的模拟调理后进行A/D转换，数字信号经过预处理单元的处理后进行网络封装打包，通过千兆网上传至AUV平台，其中的同步信号对信号发射、TVG控制、AD采集和网络数据打包进行同步控制。随着AUV的航行作业，不断地多条带扫描海底地形地貌，采集得到海底的数据，经处理后形成海底地形地貌图像。

作为本发明的一种优选实施例，该AUV多波束测深声纳硬件装置，采用U型宽覆盖发射换能器101与接收换能器102的共形设计换能器基阵1，内置声纳电子舱，换能器布阵在水平圆柱体的下半部分，其发射换能器101位于圆柱体换能器基阵1的右侧，接收换能器102位于圆柱体换能器基阵1的左侧。接收换能器102声学中心工作频率195KHz，发射换能器101和接收换能器102阵都采用PZT5A颗粒，发射换能器101的陶瓷颗粒尺寸为5.4mm×3.3mm×6.5mm，由40片发射模块组成，每片间距为7.6mm，接收换能器102的陶瓷颗粒尺寸为5.4mm×3.3mm×9.2mm，共128个阵元。

作为本发明的一种优选实施例，该AUV多波束测深声纳硬件装置，所述的声纳接收单元4包括前级放大、TVG控制、滤波和后级放大等，接收换能器信号依次经过前级放大电路401、TVG控制电路402、滤波电路403和后级放大电路404连接至信号预处理单元3。前级放大401和后级放大404电路采用低功耗低噪声的双通道仪表放大器INA2128，TVG控制电路402采用八通道同步控制独立输入输出的芯片CS3308，可以通过预处理单元FPGA控制待机或者工作状态，滤波电路403采用集成化的四通道滤波专用芯片LTC1562。最终单块电路板设计尺寸100mm*200mm*20mm，共4块电路板。

作为本发明的一种优选实施例，该AUV多波束测深声纳硬件装置，所述的信号预处理单元3包括A/D，FPGA，千兆网和配置电路，声纳接收单元的信号依次经过A/D转换电路301、FPGA302和千兆网303上传，配置电路304对FPGA进行软件加载和配置及I/O控制。声纳预处理单元3以现场可编程门阵列(FPGA)302Altera公司的Arria V系列作为核心部件，A/D转换电路301选择欠采样的工作方式，有效降低了采样速率，使得ADC芯片的选择范围更加宽广，对多通道模拟信号采集的小型化、低功耗起到关键作用，选用具有八通道同步转换最大支持600Kbps的ADS8568芯片，单颗芯片尺寸只有9mm*9mm，共16片设计在单块电路板上，同时可以根据命令控制待机或者工作模式。控制逻辑+物理层88E1111芯片的设计方式实现千兆以太网303，不仅保证了数据高速传输，也使得实现方式极大简化。最终单块电路板尺寸在100mm*250mm*20mm左右，共1块电路板。

作为本发明的一种优选实施例，该AUV多波束测深声纳硬件装置，所述的声纳发射单元2包括放大驱动、滤波和检测保护等，信号预处理单元产生的数字信号依次经过放大驱动电路201及滤波电路202连接至换能器基阵1的发射换能器101，检测保护电路203连接放大驱动电路201和电源单元5。声纳发射单元2的发射信号源由声纳预处理单元3根据AUV控制单元命令参数实时生成，FPGA 302直接驱动D类功放实现可变功率相控发射放大驱动电路201，功率管采用贴片焊装的，采用印制板铺铜导热的方式，取消安装散热片，缩小空间和重量。滤波电路202采用LC实现方式；检测保护电路203包含电压、电流和温度三部分分别采用迟滞比较器、采样变压器调理滤波后与基准比较和温敏电阻与基准比较实现方式。印制板以最终单块电路板尺寸在100mm*140mm*70mm左右，共1块电路板。

本发明公开的一种适用于AUV多波束测深声纳的硬件装置，所述的电源单元5包括待机电路501和电源模块502，待机电路501连接预处理单元3及电源模块502，电源模块502为声纳接收单元4、信号预处理单元3和声纳发射单元2提供电源。通过预处理单元3收到的控制命令，采用继电器控制电源的开通和关断，从而实现多波束测深声纳硬件电路的待机或者工作模式。最终整机经过测试，待机状态功耗在10瓦左右，工作状态在60瓦左右。

由于AUV空间尺寸限制，最终本发明的多波束测深声纳硬件装置的声纳发射单元2、预处理单元3、声纳接收单元4和电源单元5是安装在内径320mm、高460mm的AUV圆柱形腔体内。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，而非对其限制，除上述实施例外，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案和结构设计，均落在发明要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种适用于AUV多波束测深声纳的硬件装置，其特征在于：该装置包括换能器基阵(1)、声纳接收单元(4)和声纳发射单元(2)、电源单元(5)和信号预处理单元(3)，换能器基阵(1)包括接收换能器(102)和发射换能器(101)，接收换能器(102)连接声纳接收单元(4)，发射换能器(101)连接声纳发射单元(2)；换能器基阵(1)的接收换能器(102)连接声纳接收单元(4)，声纳接收单元(4)连接信号预处理单元(3)，信号预处理单元(3)连接声纳发射单元(2)，声纳发射单元(2)连接换能器基阵(1)的发射换能器(101)，电源单元(5)连接声纳接收单元(4)、信号预处理单元(3)和声纳发射单元(2)。

2.根据权利要求1所述的适用于AUV多波束测深声纳的硬件装置，其特征在于：所述声纳接收单元(4)主要包括前级放大、TVG控制、滤波和后级放大，接收换能器信号依次经过前级放大电路(401)、TVG控制电路(402)、滤波电路(403)和后级放大电路(404)连接至信号预处理单元(3)。

3.根据权利要求1所述的适用于AUV多波束测深声纳的硬件装置，其特征在于：所述的声纳发射单元(2)包括放大驱动、滤波和检测保护，信号预处理单元产生的数字信号依次经过放大驱动电路(201)及滤波电路(202)连接至换能器基阵(1)的发射换能器(101)，检测保护电路(203)连接放大驱动电路(201)和电源单元(5)。

4.根据权利要求1所述的适用于AUV多波束测深声纳的硬件装置，其特征在于：所述的信号预处理单元(3)包括A/D，FPGA，千兆网和配置电路，声纳接收单元的信号依次经过A/D转换电路(301)、FPGA(302)和千兆网(303)上传，配置电路(304)对FPGA进行软件加载和配置及I/O控制。

5.根据权利要求1所述的适用于AUV多波束测深声纳的硬件装置，其特征在于：所述的电源单元(5)主要包括待机电路(501)及电源模块(502)，待机电路(501)连接预处理单元(3)及电源模块(502)，电源模块(502)为声纳接收单元(4)、信号预处理单元(3)和声纳发射单元(2)提供电源。