CN114114319A - 一种水下激光探测的数据回传装置 - Google Patents

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邓雪薇
张祥金
刘仕林
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Abstract

本发明公开了一种水下激光探测的数据回传装置，包括激光发射单元，用于发生连续激光，作为探测障碍物的照射光源；回波接收单元，用于接收经障碍物反射回来的光信号，并进行光电转换得到模拟电信号，并进行滤波和放大后传输至信号发送单元；信号发送单元，用于将模拟电信号转换为数字信号，对数字信号进行并串转换后得到单比特串行信号，经编码和调制后生成驱动发射换能器的电平；发射换能器，用于将电信号转化为在水中传播的声信号；接收换能器，用于接收声信号，将其转换成电信号；信号处理单元，用于对接收换能器转换后的信号依次进行一级放大、滤波、二级放大，传输至波形显示单元进行显示。本发明能够实时观测和采集当前水下激光探测的结果。

Description

一种水下激光探测的数据回传装置
技术领域
本发明属于海洋水声通信技术领域，特别是一种水下激光探测的数据回传装置。
背景技术
随着我国对海洋资源的不断探索，带动了激光在水下探测技术中的广泛应用。
水下激光探测的工作原理是，激光信号发射出去后，遇到障碍物后会反射回来，然后采集并分析反射回来的激光回波信号。但是分析在水中的信号是十分困难的，最常用的解决方案是通过有线传输的方式将探测得到的信号传输到水上。水下激光探测采用有线传输时仍然存在许多不可忽略的问题，延迟高、实时性差、探测装置的灵活性差、探测距离有限，受到有限传输的媒质的长度和其他因素影响较大。
发明内容
针对水下激光探测采用有线传输的问题，本发明提供一种水下激光探测的数据回传装置。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种水下激光探测的数据回传装置，包括：
激光发射单元，用于发生连续激光，作为探测障碍物的照射光源；
回波接收单元，用于接收经障碍物反射回来的光信号，并进行光电转换得到模拟电信号，并进行滤波和放大后传输至信号发送单元；
信号发送单元，用于将模拟电信号转换为数字信号，对并行的数字信号进行并串转换后得到单比特串行信号，经编码和调制后生成驱动发射换能器的电平；
发射换能器，用于将电信号转化为在水中传播的声信号；
接收换能器，用于接收声信号，将其转换成电信号；
信号处理单元，用于对接收换能器转换后的信号依次进行一级放大、滤波、二级放大，传输至波形显示单元进行显示。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
本发明针对水下激光探测采用有线传输的这些问题，提出水下激光探测采用无线传输的解决方案，将探测得到的激光回波信号经过信号放大、编码和调制后通过声波形式无线传输到岸边，并且通过上位机软件能够实时观测和采集当前水下激光探测的结果。传输距离远、激光探测装置的活动范围大，使用声纳技术对采集到的数据进行传输，信号衰减小。
附图说明
图1为本发明水下激光探测的数据回传装置结构图。
图2为本发明回波接收单元的结构图。
图3为本发明信号发送单元结构图。
图4为本发明信号处理单元结构图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1，本实施例的一种水下激光探测的数据回传装置，包括激光发射单元、回波接收单元、信号发送单元、发射换能器、接收换能器、信号处理单元和波形显示单元、用于为上述各单元和器件供电的电源电路单元。
所述激光发射单元用于发生连续激光，作为探测障碍物的照射光源；所述回波接收单元前端用于接收经障碍物反射回来的光信号，所述光信号经过光电二极管进行光电转换得到电信号，并将电信号传输至所述信号发送单元；所述信号发送单元首先以10MHz的频率采样得到模拟电压信号并经过ADC模块得到对应的12比特数字信号，对并行的12比特数字信号进行并串转换后得到单比特串行信号，所述单比特串行信号经数字信号AMI编码和频率35KHz的2ASK数字幅度调制后发送给高压脉冲驱动模块；所述高压脉冲驱动模块采用变压器得到100V高电压，其中变压器的输入电压是10V，输入、输出的线圈匝数为10:100；所述发射换能器将电信号转化为声信号，声信号在水中进行传播。
所述接收换能器用于接收声信号，将其转换成电信号，所述接收换能器与所述发射换能器频率一致；直流电信号连接至信号处理单元的一级放大模块，对信号进行一级放大，经放大后的信号连接至带通滤波器，滤波后的信号连接至对数放大模块进行二级放大；经对数放大后的信号连接至终端，通过上位机软件(波形显示单元)进行显示。
在一些实施例中，如图2所示，回波接收单元包含三个模块：光电转换模块、滤波模块和电压放大模块。光电转换模块采用光电二极管将回波反射的光信号转换为电压信号，之后滤波模块对电压信号中所含的高频杂波信号和干扰进行滤除，最后电压放大模块对电压信号进行放大。
在一些实施例中，如图3所示，信号发送单元结构图。所述回波接收单元的输出的电压信号连接至ADC模块；ADC模块采用一片单通道的ADC芯片AD9226，输入-5～+5V的电压信号，输出12比特数字信号。系统上电后，等待一段时间，FPGA(编码和调制模块)给ADC模块一个采样开始的控制命令和采样频率；通过FPGA开发板控制ADC芯片的采样频率，产生符合ADC模块要求的时序波形，以一定的频率将外部的ADC模块的数据锁入，得到并行的12比特数字信号。同时通过FPGA编程实现每1秒输出一个Flag信号，当Flag信号有效时，选定当前的12比特数据存入FPGA内部的FIFO缓存器中；同时FPGA查询SD卡是否有容量，如果SD卡未满，那么由FPGA的SD卡接口控制逻辑将采样结果从FIFO缓存送入SD卡中。当SD卡的容量达到一定程度后，FPGA发出满信息，向ADC模块发送停止采集的命令。在此过程中，FPGA控制ADC模块采集以及把数据送往SD卡之间的过程不需要外部干预，从而保证了数据的传输速率。采样过程中FPGA的SD卡接口控制逻辑依次取走批量数据；在进行SD卡的数据存储时ADC模块仍然进行持续转换，FPGA内部FIFO也被持续写入转换结果。所述FIFO中的12比特数据进行串并转换后得到的信号进行二进制编码，选用交替极性编码(AMI)方式，所述交替极性编码(AMI)方式又称为双极方式码、平衡对称码、传号交替反转码等，其编码方式是把单极性方式二进制码中的“1”码用交替的正负电平代替，而“0”码与零对应。所述编码后的信号输出做信号调制，选择35KHz的方波作为载波，编码后的信号与载波相乘得到后的信号连接至高压脉冲驱动模块；所述高压脉冲驱动连接经过调制后的信号输出，将-5V～+5V的高低电平转换成-100V～+100V的电平，所述高压脉冲驱动模块用于驱动发射换能器。
在一些实施例中，如图4所示，接收模块信号处理结构图。所述声信号经过水域介质传输后，到达接收换能器；所述接收换能器将声信号转换为直流电信号。直流电信号进入一级放大模块后对信号进行放大，此时放大后的信号中含有高频杂波干扰，将所述放大后的信号连接至带通滤波器，滤除高频杂波干扰；滤波后的信号进入对数放大模块，对数放大模块对弱信号进行线性放大，得到较大的增益；对于较强的输入信号进行对数放大，以此实现二级放大；放大后的信号可以连接至终端，通过上位机软件(波形显示单元)进行显示。
作为一种优选实施方式，所述激光发射单元用于发生532nm的连续激光，532nm波段的蓝绿激光在水中的衰减最小；所述回波接收单元中的光电转换模块采用光电二极管APD，价格便宜，使用寿命长；滤波采用RC低通滤波器可去除高频噪声。所述ADC模块采用的模数转换芯片为AD9226芯片，AD9226芯片输入电压幅度-5V～5V，输出数字信号分辨率位数12位。所述FPGA单元采用XC7A35T型号芯片。所述发射换能器和接收换能器工作频率一致，均为35KHz。所述信号处理单元中的带通滤波器的中心频率35KHz，带宽4KHz。

Claims (9)

1.一种水下激光探测的数据回传装置，其特征在于，包括：
激光发射单元，用于发生连续激光，作为探测障碍物的照射光源；
回波接收单元，用于接收经障碍物反射回来的光信号，并进行光电转换得到模拟电信号，并进行滤波和放大后传输至信号发送单元；
信号发送单元，用于将模拟电信号转换为数字信号，对并行的数字信号进行并串转换后得到单比特串行信号，经编码和调制后生成驱动发射换能器的电平；
发射换能器，用于将电信号转化为在水中传播的声信号；
接收换能器，用于接收声信号，将其转换成电信号；
信号处理单元，用于对接收换能器转换后的信号依次进行一级放大、滤波、二级放大，传输至波形显示单元进行显示。
2.根据权利要求1所述的水下激光探测的数据回传装置，其特征在于，所述回波接收单元包括：
光电转换模块，用于将回波反射的光信号转换为电压信号；
滤波模块，用于对电压信号中所含的杂波信号和干扰进行滤除；
电压放大模块，用于对电压信号进行放大。
3.根据权利要求2所述的水下激光探测的数据回传装置，其特征在于，所述光电转换模块采用光电二极管。
4.根据权利要求1所述的水下激光探测的数据回传装置，其特征在于，所述信号发送单元包括：
ADC模块，用于将模拟电压信号转换得到12比特数字信号，对并行的12比特数字信号进行并串转换后得到单比特串行信号；
编码和调制模块，用于将单比特串行信号进行编码和调制后发送给高压脉冲驱动模块；
高压脉冲驱动模块，用于驱动发射换能器。
5.根据权利要求4所述的水下激光探测的数据回传装置，其特征在于，所述编码和调制模块给ADC模块一个采样开始的控制命令和采样频率，控制采样频率，产生时序波形，以设定的频率将外部的ADC模块的数据锁入，得到并行的12比特数字信号；同时编码和调制模块等时间间隔输出一个Flag信号，当Flag信号有效时，选定当前的12比特数据存入缓存器中，同时查询SD卡是否有容量，如果SD卡未满，由SD卡接口控制逻辑将采样结果从缓存器送入SD卡中；当SD卡的容量达到设定程度后，发出满信息，向ADC模块发送停止采集的命令。
6.根据权利要求5所述的水下激光探测的数据回传装置，其特征在于，所述缓存器中的12比特数据进行串并转换后得到的信号进行二进制编码，选用交替极性编码方式：把单极性方式二进制码中的“1”码用交替的正负电平代替，而“0”码与零对应，编码后的信号输出做信号调制，选择方波作为载波，编码后的信号与载波相乘得到后的信号连接至高压脉冲驱动模块。
7.根据权利要求1所述的水下激光探测的数据回传装置，其特征在于，所述发射换能器和接收换能器工作频率一致。
8.根据权利要求1所述的水下激光探测的数据回传装置，其特征在于，所述激光发射单元用于发生532nm的连续激光。
9.根据权利要求2所述的水下激光探测的数据回传装置，其特征在于，所述滤波模块采用RC低通滤波器。
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