CN109921859A - 一种具有应答功能的水下发射声源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有应答功能的水下发射声源，包括换能器、换能器控制系统和电源系统，所述换能器包括发射换能器和收发合置换能器，用于水声信号的发射和应答；所述换能器控制系统包括声源子系统、应答子系统以及USB接口芯片和FLASH高速存储器，用于控制和驱动对应的发射换能器和收发合置换能器；所述电源系统包括电池组和电源转换模块，用于给换能器和换能器控制系统供电，本发明所公开的水下发射声源具有连续发声和应答发声两种发声模式，能够通过相关参数的设定发射具有一定频带范围和声源级的声学信号，充分满足水声探测设备性能测试的要求。

Description

一种具有应答功能的水下发射声源

技术领域

本发明涉及一种水下发射声源，特别涉及一种具有应答功能的水下发射声源。

背景技术

近年来，随着水声探测设备智能化程度的提高，要求鱼雷、探测声纳及水下对抗设备等具有更加细致的目标探测及分类识别能力。水下声源是一种水声探测设备开发的辅助工具，能够逼真地模拟水中舰艇等水下目标的声学特征，可以作为标靶供水声探测设备进行性能测试和试验。

水中舰艇等水下目标的声学特性主要表现为辐射噪声和散射回声两个方面。这就要求作为标靶的水下声源既能够通过连续发射声信号来模拟水下目标的辐射噪声，同时还能够接收和识别主动声纳的探测信号并进行应答发声来模拟散射回声。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种具有应答功能的水下发射声源，具有连续发声和应答发声两种发声模式，能够通过相关参数的设定发射具有一定频带范围和声源级的声学信号，充分满足水声探测设备性能测试的要求。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种具有应答功能的水下发射声源，包括换能器、换能器控制系统和电源系统，所述换能器包括发射换能器和收发合置换能器，用于水声信号的发射和应答；所述换能器控制系统包括声源子系统、应答子系统以及USB接口芯片和FLASH高速存储器，用于控制和驱动对应的发射换能器和收发合置换能器；所述电源系统包括电池组和电源转换模块，用于给换能器和换能器控制系统供电。

上述方案中，所述声源子系统分别与发射换能器、USB接口芯片和FLASH高速存储器连接，所述应答子系统分别与发射换能器、USB接口芯片和FLASH高速存储器连接。

上述方案中，所述声源子系统包括第一信号生成单元和第一功率放大单元；其中，第一信号生成单元包括依次连接的第一DSP、第一D/A转换模块和第一低通滤波器，第一功率放大单元包括依次连接的第一功率放大模块、第一变压器和第一匹配网络，所述第一匹配网络与发射换能器连接。

上述方案中，所述应答子系统包括依次循环连接的第二信号生成单元、第二功率放大单元、收发转换电路和信号解析单元，所述收发转换电路与所述收发合置换能器连接；所述信号解析单元包括依次连接的前置放大模块、带通滤波模块、线性放大模块、抗混叠滤波模块和A/D转换模块。

上述方案中，所述第二信号生成单元包括依次连接的第二DSP、第二D/A转换模块和第二低通滤波器，第二功率放大单元包括依次连接的第二功率放大模块、第二变压器和第二匹配网络。

上述方案中，所述FLASH高速存储器通过USB接口芯片与外设连接，用户通过外设将系统配置文件写入FLASH高速存储器。

上述方案中，所述第一DSP和第二DSP分别通过SPI总线与FLASH高速存储器连接，用于读取FLASH高速存储器中的系统配置文件。第一DSP一方面控制USB接口芯片获取外设发送的系统配置参数，并将参数写入FLASH高速存储器，另一方面读取FLASH高速存储器内的配置参数，生成声源发射所需的数字信号。第二DSP一方面控制USB接口芯片获取外设发送的系统配置参数，并将参数写入FLASH高速存储器，另一方面读取FLASH高速存储器内的配置参数，获取问询信号的相关参数和应答规则，并生成相应的应答信号。

应答子系统信号生成单元中的第二DSP需要配置带通滤波模块的上、下限截止频率和线性放大的放大倍数等参数，还需要检测A/D转换模块的输出端是否存在有效的声问询信号。当存在有效问询信号时，第二DSP将根据系统设定控制D/A转换模块发出应答信号。

收发转换电路根据收发合置换能器的工作模式配置相应的驱动电路。当收发合置换能器处于发射模式时，收发转换电路接通收发合置换能器和功率放大单元，并断开信号解析单元；当收发合置换能器处于接收模式时，收发转换电路同时接通收发合置换能器、功率放大单元和信号解析单元。

更进一步的，收发转换电路采用无触点二极管开关结构。

上述方案中，所述换能器控制系统和电源系统均安装于水密电子舱内，水密电子舱两端设有活动端盖，一个端盖设有挂环，另一个端盖设有三个水密接头，其中两个水密接头分别连接所述发射换能器和收发合置换能器，另一个水密接头用于连接外设进行系统工作参数设置以及给电源系统充电。

上述方案中，所述发射换能器和收发合置换能器均为压电陶瓷换能器，通过支架固定并与水密电子舱连接。

通过上述技术方案，本发明提供的具有应答功能的水下发射声源兼具连续发声和应答两种工作模式，一方面能够以设定的声源级连续发射具有一定频段范围的连续波脉冲信号，另一方面能够对一定频段范围内的问询信号进行接收、识别并应答。通过该声源系统的应用，可以更加逼真的模拟水下目标的声学特征，进而作为标靶用于水声探测设备的性能测试和试验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本发明所提出的具有应答功能的水下发射声源的一种实施例的整体结构示意图；

图2是具有应答功能的水下发射声源的声源子系统结构图；

图3是具有应答功能的水下发射声源的应答子系统结构图；

图4是具有应答功能的水下发射声源的系统组装结构图。

图中，1、水密电子舱；2、挂环；3、水密接头；4、发射换能器；5、收发合置换能器；6、支架。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供了一种应答功能的水下发射声源，如图4所示的结构，该声源既能够连续发射声信号，也能够接收有效的问询信号并进行应答。

下面结合图，对所述水下发射声源的各功能单元的工作原理及流程进行详细说明。

如图1所示，水下发射声源由换能器、换能器控制系统和电源系统三部分组成。其中，换能器包括发射换能器和收发合置换能器，分别用于水下声信号的连续发射和应答。换能器控制系统包括声源子系统、应答子系统、USB接口芯片和FLASH高速存储器，用于控制和驱动对应的发射换能器和收发合置换能器。电源系统包括电池组和电源转换模块，用于给换能器和换能器控制系统供电。在本实施例中，发射换能器和收发合置换能器均为压电陶瓷换能器，电池组选用可充电聚合物锂电池，电源转换模块用于将电池组输出的电压转换为各个芯片所需的不同电压，且应具备过流、过压保护功能。声源子系统分别与发射换能器、USB接口芯片和FLASH高速存储器连接，应答子系统分别与发射换能器、USB接口芯片和FLASH高速存储器连接。

如图2所示，声源子系统包括第一信号生成单元和第一功率放大单元；其中，第一信号生成单元包括依次连接的第一DSP、第一D/A转换模块和第一低通滤波器，第一功率放大单元包括依次连接的第一功率放大模块、第一变压器和第一匹配网络，所述第一匹配网络与发射换能器连接。在连续发声工作模式下，第一DSP一方面控制USB接口芯片获得外设设置的系统配置参数，并将参数写入FLASH高速存储器；另一方面也能够读取FLASH高速存储器内的配置参数，生成声源发射所需的数字信号。数字信号再经过第一D/A转换模块和第一低通滤波器转换为可驱动第一功率放大模块的模拟信号。在本实施例中，第一DSP与FLASH高速存储器通过SPI总线连接。由于系统的工作频段属于音频范围，而数字音频功率放大模块2016只输出大电流驱动信号，因此需要通过第一变压器将其转换为高电压驱动信号，以适应由压电陶瓷片制造的发射换能器。

通过声源子系统和发射换能器，本发明所述的水下发射声源能够根据设定的参数，连续发射具有一定频带范围和声源级的连续波脉冲信号。在本实施例中，发射声信号的频率范围为750～4000Hz，发射声源级为160～170dB。

如图3所示，应答子系统包括依次循环连接的第二信号生成单元、第二功率放大单元、收发转换电路和信号解析单元，收发转换电路与所述收发合置换能器连接；信号解析单元包括依次连接的前置放大模块、带通滤波模块、线性放大模块、抗混叠滤波模块和A/D转换模块。

第二信号生成单元包括依次连接的第二DSP、第二D/A转换模块和第二低通滤波器，第二功率放大单元包括依次连接的第二功率放大模块、第二变压器和第二匹配网络。第二信号生成单元和第二功率放大单元与前述声源子系统具有相同的结构，只需根据发射换能器和收发合置换能器电声指标的区别配置相应的低通滤波、变压器和匹配网络的设计参数。

由于应答子系统用于驱动收发合置换能器，因此需设置收发转换电路。收发转换电路在发射信号时，接通收发合置换能器、第二信号生成单元和第二功率放大单元，同时断开信号解析单元；在信号发射完毕后，信号解析单元重新转入正常工作状态。在本实施例中，收发转换电路采用无触点二极管开关结构。

当应答子系统检测问询信号时，收发合置换能器输出的电信号经由收发转换电路接入前置放大模块，再经带通滤波模块、线性放大模块和抗混叠滤波模块，进入到A/D转换模块。其中，带通滤波模块的上、下限截止频率、线性放大模块的放大倍数等参数能够在第二DSP的控制下借助USB接口芯片由外设进行配置。在本实施例中，前置放大模块的放大倍数是10倍，输入阻抗高于20MΩ，线性放大模块分为三级，每级放大10倍，因此本系统对输入信号的最大放大能力为10000倍。第二DSP接收A/D转换模块输出的数字信号，从中检测问询信号，若检测到声问询信号，则在指定延时后控制第二信号生成单元中的第二D/A转换模块发出电应答信号，电应答信号再通过第二信号生成单元中的低通滤波、第二功率放大单元和收发转换电路驱动收发合置换能器向水中发射水声应答信号。

通过应答子系统和收发合置换能器，本发明所述的水下发射声源能够根据设定的接收和发射参数对有效的问询信号进行接收和识别，并发射相应的应答信号。在本实施例中，问询信号的工作频率范围为5～15kHz，应答信号频率范围为10～20kHz，声源级为180dB。

如图4所示，换能器控制系统和电源系统均安装于圆柱形水密电子舱1内，水密电子舱1两端设有活动端盖，一个端盖设有挂环2，用于系统的吊放和回收，另一个端盖设有三个水密接头3，其中两个水密接头用于连接发射换能器4和收发合置换能器5，另一个水密接头用于连接外设进行系统工作参数设置以及给电源组充电。发射换能器4和收发合置换能器5均通过支架6固定，并与水密电子舱1连接。

在实际使用时，该声源系统既可固定在水下单独使用，亦可搭载在水下机器人上或由船只拖曳使用。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种具有应答功能的水下发射声源，其特征在于，包括换能器、换能器控制系统和电源系统，所述换能器包括发射换能器和收发合置换能器，用于水声信号的发射和应答；所述换能器控制系统包括声源子系统、应答子系统以及USB接口芯片和FLASH高速存储器，用于控制和驱动对应的发射换能器和收发合置换能器；所述电源系统包括电池组和电源转换模块，用于给换能器和换能器控制系统供电。

2.根据权利要求1所述的一种具有应答功能的水下发射声源，其特征在于，所述声源子系统分别与发射换能器、USB接口芯片和FLASH高速存储器连接，所述应答子系统分别与发射换能器、USB接口芯片和FLASH高速存储器连接。

3.根据权利要求1所述的一种具有应答功能的水下发射声源，其特征在于，所述声源子系统包括第一信号生成单元和第一功率放大单元；其中，第一信号生成单元包括依次连接的第一DSP、第一D/A转换模块和第一低通滤波器，第一功率放大单元包括依次连接的第一功率放大模块、第一变压器和第一匹配网络，所述第一匹配网络与发射换能器连接。

4.根据权利要求3所述的一种具有应答功能的水下发射声源，其特征在于，所述应答子系统包括依次循环连接的第二信号生成单元、第二功率放大单元、收发转换电路和信号解析单元，所述收发转换电路与所述收发合置换能器连接；所述信号解析单元包括依次连接的前置放大模块、带通滤波模块、线性放大模块、抗混叠滤波模块和A/D转换模块。

5.根据权利要求4所述的一种具有应答功能的水下发射声源，其特征在于，所述第二信号生成单元包括依次连接的第二DSP、第二D/A转换模块和第二低通滤波器，第二功率放大单元包括依次连接的第二功率放大模块、第二变压器和第二匹配网络。

6.根据权利要求1所述的一种具有应答功能的水下发射声源，其特征在于，所述FLASH高速存储器通过USB接口芯片与外设连接，用户通过外设将系统配置文件写入FLASH高速存储器。

7.根据权利要求5所述的一种具有应答功能的水下发射声源，其特征在于，所述第一DSP和第二DSP分别通过SPI总线与FLASH高速存储器连接，用于读取FLASH高速存储器中的系统配置文件。

8.根据权利要求1所述的一种具有应答功能的水下发射声源，其特征在于，所述换能器控制系统和电源系统均安装于水密电子舱内，水密电子舱两端设有活动端盖，一个端盖设有挂环，另一个端盖设有三个水密接头，其中两个水密接头分别连接所述发射换能器和收发合置换能器，另一个水密接头用于连接外设进行系统工作参数设置以及给电源系统充电。

9.根据权利要求8所述的一种具有应答功能的水下发射声源，其特征在于，所述发射换能器和收发合置换能器均为压电陶瓷换能器，通过支架固定并与水密电子舱连接。