CN117805831A - 一种全数字化船用测深系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全数字化船用测深系统，包括显示控制单元、测深单元和压电陶瓷测深探头，显示控制单元用于为用户提供测深参数的交互，并对测深单元进行参数配置，还接收并显示来自测深单元处理后的回波信号，实现测深波形和数据的可视化；测深单元用于根据显示控制单元的配置参数产生激发电信号，同时对回波电信号进行信号处理，并将处理后的回波电信号传输至显示控制单元；测深单元与压电陶瓷测深探头连接，压电陶瓷测深探头用于将激发电信号转换成机械能形式的超声波，还用于接收传声介质反射的超声波，并将反射的超声波转换成回波电信号。本发明将显示控制单元和测深单元分离设计，实用性较高。

Description

一种全数字化船用测深系统

技术领域

本发明涉及船用探测技术领域，尤其是指一种全数字化船用测深系统。

背景技术

船用测深仪(ECHO SOUNDER)是利用超声波在水介质中传播/反射线性物理特性而制成的一种测量水深的仪器，是船舶通信导航系统中必不可少的一部分，其主要作用在于发现水中障碍物，或在其他导航仪器失效的情况下提供局部水文信息，以保证船舶安全航行；除此之外，测深仪还可实现水下地形勘测、鱼群探测等功能。

海洋自始至终都是人类资源的宝库，蕴含丰富的海洋环境产物和类目繁复的能源，自大航海时代至今，海洋发展被赋予了更多的意义，不止于探索和利用，更加赋予了战略和发展的意义。随着国家海洋强国战略的推进和海洋经济的蓬勃发展，我国对海洋测量设备国产化提出了迫切的要求。然而，目前我国海洋测绘软硬件装备主要依赖进口，国产化程度低，严重影响我国海洋测量技术发展和信息安全。除此以外，传统船用测深仪方案均为一体化的模拟方案，电路结构十分复杂，使得设备无论在调试和量产过程中都会存在不可预测的潜在风险，方案成本也较高，且模拟电路实现的测深仪普遍存在低频测淤效果差，中深水测深能力不足的问题。

因此，设计一种自主可控、低成本、模块化、全数字化的船用测深仪系统意义重大。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中船用测深仪设备复杂、深水探测能力不足的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种全数字化船用测深系统，包括显示控制单元、测深单元和压电陶瓷测深探头，其中，

所述显示控制单元用于为用户提供测深参数的交互，并对测深单元进行参数配置，还接收并显示来自测深单元处理后的回波电信号，实现测深波形和数据的可视化；

所述测深单元用于根据显示控制单元的配置参数产生激发电信号，同时对回波电信号进行数字量化、数字变频、数字滤波、非均匀抽样信号处理，并将处理后的回波电信号传输至显示控制单元；

所述测深单元与压电陶瓷测深探头连接，所述压电陶瓷测深探头用于将激发电信号转换成机械能形式的超声波，所述压电陶瓷测深探头还用于接收传声介质反射的超声波，并将反射的超声波转换成回波电信号。

在本发明的一个实施例中，所述显示控制单元包括：

核心板，用于管理显示控制单元的各类模组扩展和相关信号；

GPS扩展，用于扩展全球地理位置定位；

BLE/WiFi扩展，用于提供蓝牙和无线网/局域网通信；

4G通信扩展，用于提供蜂窝网络通信拓展；

显示屏触摸屏，用于对系统信息、波形、应用数据进行显示，并提供触控交互操作；

HDMI接口扩展，用于连接外部显示器，进行同屏复制/异屏扩展；

USB接口扩展，用于提供系统外部USB交互/存储设备扩展；

串口阵列扩展，用于提供RS232/RS422串行通信接口扩展；

继电器阵列扩展，用于提供对外的I/O控制，实现继电器闭合/断开；

百/千兆网扩展，用于提供百兆/千兆以太网通信；

开关机管理模块，用于管理系统工作状态，对电源进行相应控制；

按键旋钮，用于实现开关机管理模块的实体按键交互，实体按键包括开关机、方向键、旋钮；

SDR模块扩展，用于船用GMDSS通信拓展。

在本发明的一个实施例中，所述测深单元包括：

FPGA数字信号处理单元，用于产生测深的激发信号，并对回波信号进行数字化处理；

千兆网通信电路，用于使测深单元具备以太网通信；

USB通信电路，用于实现与显示控制单元的USB总线通信；

供电管理，用于控制测深单元内各类电源的状态；

降压电路，用于对输入电压进行降压稳压；

数字/模拟电源拓扑，用于产生各种数字/模拟电源；

DA调节电路，用于生成反馈基准电源，控制高压升压模块电压幅度；

高压升压模块，用于通过BOOST升压技术产生第一预设电压；

AD采样电路阵列，用于对测深的电信号形式的回波信号进行数字化采样；

PWM激发阵列，用于产生瞬态高能电信号，激发压电陶瓷测深探头；

收/发耦合阵列，用于耦合测深单元的发射和接收。

在本发明的一个实施例中，所述PWM激发阵列包括：

晶体管驱动阵列，用于增强PWM激发信号的驱动力；

MOS管阵列，用于反激式变压的预设电流泄放；

高压逆止电路，用于防止反激第二预设电压逆向传播，保护高压升压模块；

储能电容阵列，用于提供足够的瞬时电流泄放功能；

变压匹配阵列，用于反激升压，匹配压电陶瓷测深探头。

在本发明的一个实施例中，所述FPGA数字信号处理单元包括：

USB/千兆网通信模块，用于与外部通信电路进行时序握手，按照自定义协议实现数据的上/下行通信；

控制数据下行模块，用于接收下行的控制数据，并根据参数配置时序控制模块、高压控制模块、增益控制模块和通道采样模块；

时序控制模块，用于生成控制数据下行模块、回波数据上行模块和通道采样模块的时序控制逻辑；

回波数据上行模块，用于对通道采样处理后的数据进行缓存、组包和上传；

高压控制模块，用于产生DA调节电路的控制时序；

增益控制模块，用于根据16点增益表，生成增益补偿曲线；

通道采样模块，用于对AD采样电路阵列的采样数据进行数字变频、数字滤波、非均匀抽样处理。

在本发明的一个实施例中，所述控制数据下行模块包括：

基准计数器，用于循环计数生成全局时间基准；

参数写入控制逻辑，用于以参考时间基准，对下行参数进行解析；

控制参数RAM，用于分区暂存各控制参数，并向时序控制模块、高压控制模块、增益控制模块和通道采样模块进行数据分发。

在本发明的一个实施例中，所述的时序控制模块包括：

PWM频率生成，用于产生对应频率的周期信号；

激发使能，用于参考时间基准和测深时长产生使能信号；

与门逻辑，用于将周期信号和使能信号进行信号合成。

在本发明的一个实施例中，所述增益控制模块包括：

精细增益步进位置计算，用于参考时间基准，生成下个增益点位置；

增益点计数，用于标记当前的增益点，对增益数值进行索引；

16点增益表，用于暂存下行数据中的十六个增益值参数；

计算使能，用于生成加法器和减法器的控制信号；

下一点增益，用于暂存下个增益点的参数值；

当前增益，用于对应当前增益点计数的增益值参数；

加法器，用于在精细插值滑动窗口尾部添加数据；

减法器，用于剔除精细插值滑动窗口头部的无效数据；

总增益，用于暂存当前精细插值计算总和；

精细增益截取，用于对计算结果进行截取，生成增益数值。

在本发明的一个实施例中，所述通道采样模块包括：

DDS合成，用于生成下变频的数字正/余弦交变本征信号；

乘法器和乘法器，用于对AD采样的测深回波信号进行数字下变频；

加法器，用于实现数字下变频信号的正交合成，消除本征相位差引入的随机损耗；

CIC抽值，用于对正交合成信号进行抽取滤波，降低数字信号处理的数据吞吐量；

FIR滤波，用于对抽值信号进行多阶数字带通滤波，获取所需频段内的有用信号；

增益曲线，用于根据增益曲线对FIR滤波信号进行数字化补偿；

基线调整，用于计算AD采样量化引入的共模误差，对增益补偿的数据进行调整；

数字检波/噪声抑制，用于对数据进行检波，根据抑制设定值对检波数据进行剔除；

提取使能/抽点位置计算，用于根据参数产生采样和抽点使能信号；

主通道数据提取，用于对采样周期内的数据进行非均匀抽值，以保证数据轮廓不失真，并对设定区间内的信号进行检测，提取回波的最大信号幅度及位置信息；

副通道数据提取，用于对采样周期内的数据进行非均匀抽值，以获得回波信号的细部特征。

在本发明的一个实施例中，所述回波数据上行模块包括：

主通道双端RAM，用于对主通道抽点数据和区间峰值/位置信息进行缓存，采用乒乓读取/写方式，实现较高的数据吞吐率；

副通道双端RAM，用于暂存副通道抽点数据，采用乒乓方式对数据进行读取/写入；

写入计数，用于参考时间基准和抽点信号，以脉冲间隔方式更新主通道双端RAM或副通道双端RAM的数据写入地址；

读出计数，用于以时间基准为参考，一次性连续生成主通道双端RAM或副通道双端RAM的数据读出地址；

奇偶标志位，用于实现乒乓交替读取标识，确保读取/写入地址的互斥性；

选择器，用于根据读出计数对主通道双端RAM或副通道双端RAM的读出数据进行连续拼接，实现数据组包；

FIFO缓冲，用于作为数据上行缓冲区域，以适配不同接口、不同协议的数据上行方式。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明的全数字化船用测深仪采用了显示控制单元和测深单元分离的模块化设计方式，在有效降低船用测深系统复杂度的同时，提高了系统的可扩展性。在发射功能上，能够可控生成任意频率、频次、功率、时长的瞬态高能激发信号，更好的发挥压电陶瓷测深探头的最优性能，以适应不同的工况需求。在接收性能上，全数字化船用测深仪系统采用数字下变频、数字滤波、数字化精细插值增益、数字化基线调整以及数字化非均匀抽取等技术，减少了外部模拟硬件的使用，降低了模拟量引入的随机干扰，从而使得系统的接收灵敏度在有一定提升的同时，也具备较高的一致性。除此以外，全数字化船用测深仪系统接收采用了主/副双通道结构，既可以实现全局数据的概览，又能够更细节的对局部区域回波信号监视，进一步拓展了系统的应用场景。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例中全数字化船用测深仪系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中全数字化船用测深仪系统中显示控制单元的具体实施方式示意图；

图3是本发明实施例中全数字化船用测深仪系统中测深单元的具体实施方式示意图；

图4是本发明实施例中全数字化船用测深仪系统中测深单元的PWM激发阵列的结构示意图；

图5是本发明实施例中全数字化船用测深仪系统中测深单元的FPGA数字信号处理单元的结构示意图；

图6是本发明实施例中FPGA数字信号处理单元的控制数据下行模块的实施示意图；

图7是本发明实施例中FPGA数字信号处理单元的时序控制模块的实施示意图；

图8是本发明实施例中FPGA数字信号处理单元的增益控制模块的实施示意图；

图9是本发明实施例中FPGA数字信号处理单元的通道采样模块的实施示意图；

图10是本发明实施例中FPGA数字信号处理单元的回波数据上行模块的实施示意图；

图11是本发明实施例中增益控制模块进行16×2N精细插值的实施示意图；

图12是本发明实施例中增益控制模块的精细插值的效果对比图；

图13是本发明实施例中控制数据下行模块中控制参数RAM的分区定义表图；

图14是本发明实施例中回波数据上行模块中回波暂存双端RAM的分区定义表图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例一

参照图1所示，本发明涉及一种全数字化船用测深系统，包括：显示控制单元101、测深单元102(包括测深激发/接收单元)以及对应的压电陶瓷测深探头103(包括激发/接收压电陶瓷测深探头)。

所述显示控制单元101用于为用户提供测深参数的交互，并对测深单元102进行参数配置，还接收并显示来自测深单元102处理后的回波电信号，实现测深波形和数据的可视化；

所述测深单元102用于根据显示控制单元101的配置参数产生相应频率和时长的激发电信号，同时对回波电信号进行数字量化、数字变频、数字滤波、非均匀抽样信号处理，并将处理后的回波电信号传输至显示控制单元101；

所述测深单元102与压电陶瓷测深探头103连接，所述压电陶瓷测深探头103用于将将激发电信号转换成机械能形式的超声波，所述压电陶瓷测深探头103还用于还用于接收传声介质反射的超声波，并将反射的超声波转换成回波电信号。

以下对本实施例进行详细介绍：

显示控制单元101，通过USB或千兆网口，对测深单元102进行配置，并接收来自于测深单元102的回波信号及数据。例如，显示控制单元101通过旋钮、按键等设置测深量程、增益、频率、功率等参数，通过USB端口或千兆网口向测深单元102传输控制参数；从USB端口或千兆网口接收来自于测深单元102的测深回波抽样数据、区域内峰值及位置等信息，并由显示控制单元101进行处理、显示绘图等。

测深单元102，接收来自USB端口或千兆网口的控制参数，产生相应频率和时长的电信号对压电陶瓷测深探头103进行激发，实现电能到超声波机械能的转换，并通过压电陶瓷测深探头103接收传声介质(如水，淤泥等)内的超声回波，实现超声波机械能到电信号的转换，进一步的对电信号进行数字量化、数字变频、数字滤波、非均匀抽样等信号处理，并将处理所得数据通过USB端口或千兆网口回传给显示控制单元101。例如，接收到来自USB端口或千兆网口的测深量程参数，测深单元102将改变激发/接收压电陶瓷测深探头103的周期，同时数据处理和回传周期也相应延长；当接收到来自USB端口或千兆网口的频率参数，测深单元102将改变激发信号频率，同时改变数字变频参数等。

图2为本发明提供的一种新型全数字化船用测深仪系统中显示控制单元的具体实施方式示意图。

如图2所示，一种新型全数字化船用测深仪系统的显示控制单元101，进一步包括：核心板(ARM处理器)201、GPS扩展202、BLE/WiFi扩展203、4G通信扩展204、显示屏触摸屏205、HDMI接口扩展206、USB接口扩展207、串口阵列扩展208、继电器阵列扩展209、百/千兆网扩展210、开关机管理模块211、按键旋钮212和SDR模块扩展213。

其中，核心板201，用于管理显示控制单元101的各模组扩展和相关信号，包括GPS数据接收解析，蓝牙无线网络数据交互，外部有线通信数据交互，界面图形显示，触控信号采集，外部通用控制等。例如，当核心板201检测到显示屏触摸屏205有相应触摸操作时，核心板201会在显示屏触摸屏205上进行相应的可视化反馈；当从USB接口扩展207或百/千兆网扩展210接收测深回波数据，核心板201会在显示屏触摸屏205上绘制波形等信息；当从BLE/WiFi扩展203、4G通信扩展204检测到链路建立和数据交互，则核心板201对相应的数据流进行处理、分发、显示等操作；当从开关机管理模块211接收到按键/旋钮动作，核心板201生成对应事件等。

GPS扩展202，扩展用于接收GPS/BDS/GLONASS等信号的模块，提供全球地理位置信息。

BLE/WiFi扩展203，扩展用于蓝牙通信及无线网络通信的模块，提供短距离通信/局域网内通信能力。

4G通信扩展204，扩展用于4G蜂窝网络通信的模块，提供蜂窝无线网络通信能力。

显示屏触摸屏205，用于触控操作交互，并对系统内容、交互信息和待显示数据等进行显示。例如，通过显示屏触摸屏205调整测深控制参数的数值并进行显示；通过显示屏触摸屏205显示测深回波数据，并形成纵向C扫剖面图像等。

HDMI接口扩展206，提供高分辨率的同屏/异屏图像输出。例如，通过HDMI接口扩展206，进行屏幕复制实现同屏输出到外部显示器，以获取更大的可视面积；通过HDMI接口扩展206，进行屏幕扩展实现异屏扩展输出给外部显示器，展现多任务窗口，以获取更大的可视范围。

USB接口扩展207，提供更丰富的通用USB总线连接能力。例如，通过USB接口扩展207实现测深单元102的拓展连接；通过USB接口扩展207可进一步获得鼠标/键盘/U盘等交互设备和存储设备的拓展能力。

串口阵列扩展208，用于拓展RS-232/422等低速串行通信接口，同时实现船用设备BAM等通信协议接口。

继电器阵列扩展209，用于拓展常规I/O控制，实现包括常开/常闭的继电器触点报警输出。

百/千兆网扩展210，扩展用于有线网络通信的模块，以提供百兆/千兆网络通信能力，可用于实现450协议以及自定义的网络报文协议。

开关机管理模块211，对显示控制单元200进行开关机管理，同时用于检测来自于按键旋钮212的动作，并连接至SDR模块扩展213以拓展船用GMDSS通信能力。

按键旋钮212，实现物理按键和机械旋转式编码器的交互。例如，用于系统开关机的开关机按键；用于调整播放音量的音量旋钮；用于对功能列表进行选择和查看的上/下/左/右和确定按键等。

SDR模块扩展213，扩展用于实现船用GDMSS无线通信的模块。例如，扩展用于DGNSS高精定位的差分基站信号接收模块，并由GPS扩展202进行解算，可实现更高精度的全球地理位置信息；扩展用于FSK信号的接收解调模块，可实现NAVTEX航行警告的接收等。

图3为本发明提供的一种新型全数字化船用测深仪系统中测深单元的具体实施方式示意图。

如图3所示，一种新型全数字化船用测深仪系统中的测深单元102，进一步包括：FPGA数字信号处理单元301、千兆网通信电路302、USB通信电路303、供电管理304、降压电路305、数字/模拟电源拓扑306、DA调节电路307、高压升压模块308、AD采样电路阵列309、PWM激发阵列310和收/发耦合阵列311。

其中，FPGA数字信号处理单元301，通过DA调节电路307控制高压升压模块308实现不同的激发功率，通过PWM激发阵列310产生不同频率、频次、时长的激发电信号，通过AD采样电路阵列309采集回波电信号，进行数字量化、数字变频、数字滤波、非均匀抽样等信号处理，并经由千兆网通信电路302或USB通信电路303将测深回波抽样数据、区域内峰值及位置等信息传输至显示控制单元101。例如，接收到来自显示控制单元101的测深功率控制参数为50％，则通过数据总线向DA调节电路307写入为512的数据，使DA调节电路307输出一个0.625V的电压值，反馈控制高压升压模块308输出30V的电压，来自显示控制单元101的测深功率控制参数变化范围为0～100％，FPGA数字信号处理单元301写入DA调节电路307的数据范围为0～1023，DA调节电量307的电压输出范围为0～1.25V，相应的高压升压模块308输出电压范围为12V～60V；当接收来自显示控制单元101测深频率为200KHz、频次为10次/秒、时长为300us的参数时，FPGA数字信号处理单元301控制PWM激发阵列310产生一个周期为100ms、占空比为0.3％的200KHz调制波形，同时FPGA数字信号处理单元301控制AD采样电路阵列309对电信号回波进行数字化采集，并进行处理后经由千兆网通信电路302或USB通信电路303将回波信号和区域峰值信息传输给显示控制单元101。

千兆网通信电路302，用于实现FPGA数字信号处理单元301和显示控制单元101之间控制参数的下行及回波数据的上行。例如，使用RTL8211F芯片实现百/千兆网络的数据上/下行通信。

USB通信电路303，同样用于实现FPGA数字信号处理单元301和显示控制单元101之间控制参数的下行和回波数据的上行。例如，使用FT2232HL芯片进行高速USB数据的上/下行通信。

供电管理304，用于控制测深单元102内各类电源的通断状态。例如，控制降压电路305通断以实现数字/模拟电源拓扑306的电源供给控制；通过控制数字/模拟电源拓扑306，实现FPGA数字信号处理单元301的初始化和工作等；通过控制高压升压模块308，控制PWM激发阵列310的高压源供给通断。

降压电路305，用于对输入宽压直流电源进行降压稳压。例如，输入电源电压范围为9～36V时，使用SY8113ADC/TPS54X28芯片进行DC-DC降压，输出固定为5V的电压。

数字/模拟电源拓扑306，产生测深单元102内各种数字电源和模拟电源。例如，使用TPS650250电源管理芯片，产生FPGA数字信号处理单元301的3.3V、1.8V和1.0V的数字电源；产生用于DA调节电路307的3V模拟电源；以及用于AD采样电路阵列309的3V模拟电源。

DA调节电路307，接收来自FPGA数字信号处理单元301的控制数据信号，用于生成基准反馈电压，来调节高压升压模块308的输出电压。例如，使用DA904E或AD5312等芯片实现模数转换；当DA调节电路307的输出为0.625V时，高压则为30V；当DA调节电路307的输出为1.25V时，高压则为60V。

高压升压模块308，用于通过BOOST升压技术产生第一预设电压(可调高电压)，对PWM激发阵列310进行充电，以补充发射过程中的能量损失。例如，使用XL6009芯片对输入的9～36V电源进行可控动态升压，变压范围可以从12V～60V。

AD采样阵列电路309，对回波电信号进行数字量化，完成模拟信号到数字信号的转换。例如，使用AD9245/B9245/AD9649/AD9266等芯片实现回波电信号的模数转换。

PWM激发阵列310，产生激发压电陶瓷测深探头103的瞬态电信号，实现电能到超声波机械能的转换。例如，在60V的高压下，通过线圈变压，激发生成一组峰峰值为960V的脉冲序列；在12V的电压下，生成一组192V的连续脉冲等。

收/发耦合阵列311，用于耦合压电陶瓷的发射和接收电路。例如，使用高压隔离电容和TVS保护对管，实现AD采样电路阵列309和PWM激发阵列310的耦合，对低压侧形成保护，以防止高压损坏接收链路中的精密器件。

图4为本发明提供的一种新型全数字化船用测深仪系统中测深单元的一个具体实施实例中PWM激发阵列的结构示意图。

如图4所示，PWM激发阵列310，进一步包括：晶体管驱动阵列401、MOS管阵列402、高压逆止电路403、储能电容阵列404和变压匹配阵列405。

其中，晶体管驱动阵列401，用于增大PWM激发信号的带载电流，以驱动后级的MOS管阵列402。例如，利用PWM激发信号驱动UCC27323GDN芯片，从而增强激发信号带载能力。

MOS管阵列402，用于建立大电流泄放通道，配合储能电容阵列404和变压匹配阵列405，实现高压直流电到更高压交变电转换。例如，使用HSH200N02/VBZL80N03/CND40N20等大功率NMOS管，建立泄放通道，并配合使用功率电阻对泄放电流进行限制，以防止对大功率NMOS造成热损坏。

高压逆止电路403，逆止大电流泄放过程中的第二预设电压(产生的交变高电压)反激，防止损坏高压升压模块308。例如，可以使用SS210二极管和2SA1013搭建的限流逆止电路，防止高压逆向传播，在保护电路的同时，降低了电源的设计功率，对测深单元的小型化起到了关键性作用。

储能电容阵列404，用于存储电荷，在电源侧以提供足够的瞬时电流泄放能力。例如，可由多个耐压值为100V的1000uF电容搭建而成。

变压匹配阵列405，对PWM激发形成的瞬时泄放电流进行逆变，以形成更高压的瞬态电信号。例如，使用4:4:32的变压器，可将60V的高压逆变成峰峰值为960V的交变信号，当需要提升测深发射功率时，则可以进一步的提高变压器的线圈匝数比。

图5为本发明提供的一种新型全数字化船用测深仪系统中测深单元的一个具体实施实例中FPGA数字信号处理单元的结构示意图。

如图5所示，FPGA数字信号处理单元301，进一步包括：USB/千兆网通信模块501、控制数据下行模块502、时序控制模块503、回波数据上行模块504、高压控制模块505、增益控制模块506和通道采样模块507。

其中，USB/千兆网通信模块501，用于自定义协议数据的进行上/下行通信。例如，可通过千兆网通信电路下发测深量程、增益、频率、功率等相关控制参数给FPGA数字信号处理单元500；FPGA数字信号处理单元500将回波信号和区域峰值等信息经由千兆网通信电路进行数据回传；同时，也可通过USB通信电路下发控制参数，并通过USB通信电路进行回传。

控制数据下行模块502，接收下行的控制数据，并根据参数值生成其他模块(包括时序控制模块503、高压控制模块505、增益控制模块506和通道采样模块507)的控制信号。例如，初始默认进行10次/秒的测深频次，则根据主时钟100MHz产生一个10,000,000的循环计数器；当下行频率、频次、时长控制参数时，计数器重置，并生成时序控制模块503的参数重新加载控制信号；功率控制参数改变时，则生成高压控制模块505的控制信号；当下行新的增益控制参数时，使能增益控制模块506进行按照新增益曲线进行时间动态补偿；同时，根据下行的频率等参数，控制通道采样模块507按照相应方式对数字化信号进行数据处理。

时序控制模块503，用于产生各个模块(包括控制数据下行模块502、回波数据上行模块504和通道采样模块507)的主时序控制逻辑。例如，当以10次/秒的频次进行测深时，计数器在10,000,000以内循环增加；在计数的前段，生成下行数据的加载信号，告知控制数据下行模块502从USB/千兆网通信模块501中读取下行控制参数；紧接着，生成PWM激发序列，实现测深瞬态电信号的激发；并使能通道采样模块507对回波电信号进行数字量化、数字变频、数字滤波、非均匀抽样等处理；最后，控制回波数据上行模块504缓存处理后的数据，并按照自定协议对数据进行组包回传。

回波数据上行模块504，根据时序控制信号，对数据进行缓存、组包和回传。例如，当设置10次/秒的测深频次，进行抽点数量为800的射频检波时，根据通道采样模块507的输出信号，接收400个最大值和最小值，进行缓存组包，并告知USB/千兆网通信模块501进行有效数据的上行过程；当进行抽点数量为800的全波/半波检波时，则缓存800个最大值数据，并进行组包回传。

高压控制模块505，根据设定的测深功率参数控制DA调节电路，从而控制高压的幅度。例如，当USB/千兆网通信模块501有数据传输至控制数据下行模块502，且测深功率设置为50％时，则使能高压控制模块505，并向DA调节电路写入数据512，从而使得高压输出为30V。

增益控制模块506，根据下行增益参数(即16点增益表803)，生成补偿增益曲线。例如，设定增益点数值和增益步进距离，当增益步进距离大于测深量程，则采用静态增益补偿；当增益步进小于测深量程，则根据多点增益数值和步进距离，动态计算生成增益补偿曲线。

通道采样模块507，接收来自AD采样的数字信号，进行数字变频、数字滤波、非均匀抽样等处理。例如，当主时钟为100MHz，在200KHz频率下以10次/秒的频次测深，并进行800个抽样的全波检波时，通道采样模块507先将200KHz回波电信号下变频到30KHz，而后数字滤波，且每间隔12500个时钟周期抽取区间内的最大值；在50KHz频率下，同样将回波电信号下变频到30KHz后，进行数字滤波、非均匀抽取等处理。

图6为本发明提供的一个FPGA数字信号处理单元具体实施实例中控制数据下行模块的实施示意图。

如图6所示，控制数据下行模块502，进一步包括：基准计数器601、参数写入控制逻辑602和控制参数RAM 603。

其中，基准计数器601，根据测深频次设定上限值，作为FPGA信号处理单元301的时间基准，对各模块(包括时序控制模块503、高压控制模块505、增益控制模块506和通道采样模块507)进行同步。例如，当以10次/秒的频次测深时，基准计数器601在10,000,000以内循环增加；以4次/秒的频次进行测深时，计数器上限则为25,000,000；当USB/千兆网通信模块501下行新的控制参数时，基准计数器则被重置，以使得测深单元按照新参数进行测深。

参数写入控制逻辑602，以时间基准为参考，解析下行控制参数。例如，当USB/千兆网通信模块下行新的控制参数时，按照自定义的数据协议，分别对测深频率、频次、功率、增益等控制参数进行解析。

控制参数RAM 603，分区存储下行控制参数，当参数变化时，负责向各受控模块进行数据分发。例如，当发射频率、时长等参数发生变化，则向时序控制模块更新相关参数，并生成参数加载信号；当发射功率参数改变时，则向高压控制模块更新相关参数，并生成参数加载信号；当增益点数值或增益步进距离发生变化，则更新增益控制模块的各参数；当检波模式等参数改变时，则对通道采样模块进行相应的配置。

图7为本发明提供的一个FPGA数字信号处理单元具体实施实例中时序控制模块的实施示意图。

如图7所示，时序控制模块503，进一步包括：PWM频率生成701、激发使能702和一个用于合成PWM激发信号的与门逻辑。

其中PWM频率生成701，用于生成对应频率的周期方波信号。例如，设定测深频率为200KHz时，生成周期为5us占空比为50％的方波序列；当设定测深频率为50KHz时，则生成周期为20us占空比为50％的方波序列。

激发使能702，以时间基准为参考，根据测深激发时长，产生使能信号，与PWM频率生成701进行与操作，生成PWM激发信号，进一步驱动PWM激发阵列310。例如，测深频次为10次/秒、激发时长为300us时，则产生一个周期为100ms、占空比为0.3％的周期脉冲信号。

上述的时序控制方式，可以实现任意频率、频次、时长的PWM激发信号，能够更好的发挥压电陶瓷测深探头103的最优性能。

图8为本发明提供的一个FPGA数字信号处理单元具体实施实例中增益控制模块的实施示意图。

如图8所示，增益控制模块506，进一步包括：精细增益步进位置计算801、增益点计数802、16点增益表803、计算使能804、下一点增益805、当前增益806、加法器807、减法器808、总增益809和精细增益截取810。

其中，精细增益步进位置计算801，根据基准计数和增益点间隔，计算下一增益点位置。例如，当以10次/秒的频次测深时，基准计数则在10,000,000内循环，同时增益点间隔为666,666，当不对增益间隔区间内进行进一步划分时，则可计算16个不同的增益点位置；而将增益间隔内的数据划分为2N更小窗口时，可计算16×2N个增益点位置，采用滑动窗口的模式可实现扩充插值计算，以获取更精细的增益曲线。

增益点计数802，用于标记当前的增益点，从而索引增益值。例如，当前增益计数点为0，则索引第一个增益值；当前增益计数点为15，则索引第十六个增益值。

16点增益表803，用于暂存下行的16个增益数值(即16个用于对信号进行分段增益的数值，对应于图13中的11N6)，以地址作为索引。例如，增益步进大于测深量程，则仅地址为0的增益值被使用；当增益步进小于测深量程，根据增益点计数802对增益值进行索引。

计算使能804，产生各计算模块(包括加法器807和减法器808)的使能信号，仅在基准计数到达精细增益步进位置时才有效。例如，增益点间隔为666,666时，则在基准计数为666,666的整数倍时，使能加法器807和减法器808。

下一点增益805，暂存当前增益计数点的下一个增益值。例如，当前增益计数点为0，则索引第二个增益值；当前增益计数点为10，则索引第十二个；而当前增益计数超过13，则均索引第十六个增益值。

当前增益806，暂存当前增益计数点对应的增益值。例如，当前增益计数点为0，索引第一个增益值；当前增益计数点为15，则索引第十六个增益值。

加法器807，对下一点增益805和总增益809和进行加法操作，等同于在滑动窗口的尾部添加数据。

减法器808，对当前增益806和加法器807的输出进行减法操作，等同于在滑动窗口的头部剔除数据。

总增益809，用于暂存插值计算的总结果，等同于滑动窗口内所有数据的和。

精细增益截取810，舍弃后N位数据，等同于将总增益809除以2N。

上述精细增益步进位置计算，更符合实际应用场景下的传播衰减特性，在有限个数的增益值参数内，能获得更细腻的曲线，可为时间增益提供更为平滑的补偿；同时，全数字化的增益补偿方式也进一步降低了引入噪声的可能性，使时间增益曲线补偿的性能和稳定性得到了很好的提升。

图9为本发明提供的一个FPGA数字信号处理单元具体实施实例中通道采样模块的实施示意图。

如图9所示，通道采样模块507，进一步包括：DDS合成901、乘法器902/903、加法器904、CIC抽值905、FIR滤波906、增益曲线907、基线调整908、数字检波/噪声抑制909、提取使能/抽点位置计算910、主通道提取911和副通道提取912。

其中，DDS合成901，根据测深频率生成下变频本征信号。例如，当测深频率为200KHz时，则产生170KHz的正/余弦交变信号；当测深频率为50KHz时，则产生20KHz的正/余弦交变信号。

乘法器902/903，根据DDS合成901的本征信号，对AD采样量化后的回波数据进行下变频。

加法器904，实现数字下变频数据的正交合成，以消除本征相位差引入的随机损耗。

CIC抽值905，用于对正交合成的数据进行抽取滤波，以降低信号处理的数据吞吐量。例如，采用200次抽取，输入的射频采样信号的基准时钟为100MHz，则输出抽取滤波后信号的基准时钟为500KHz。

FIR滤波906，用于对CIC抽值后的信号进行带通滤波，获取所需对应滤波频段内的有用信号。例如，可以选用512点的数字FIR滤波器，使用带通范围为28KHz～32KHz，带外衰减设计为-80dB，以满足接收系统的带外性能相关要求。

增益曲线907，根据增益控制模块506的值，索引对数线性增益对应的数值。例如，当增益曲线907上的点为32dB时，则对应数值为40。

基线调整908，计算AD采样量化引入的共模偏移值，并对增益后的数据进行调整，使得无回波信号采样值偏移至数据正中央。例如，当AD采样基准为2.048V，且存在0.03V共模偏移时，可在基准计数的前512个取样周期计算增益后的数据平均采样值作为基线值，其余的取样周期内，对将增益后的数据减去基线值以消除共模干扰引入的误差。

数字检波/噪声抑制909，按照选择的模式对增益后的数据进行检波，并根据设置的抑制幅度剔除回波数据。例如，当模式设置为全波检波时，则以基线值为参考，将小于基线值的数据向上翻折；当模式设置为正半波检波时，则以基线值为参考，剔除小于基线值的数据；当模式设置为负半波检波时，则以基线值为参考，剔除大于基线值的数据；模式为射频检波时，直接输出；另外，当回波抑制设定为50％时，则对检波后低于该幅度的值进行剔除。

提取使能/抽点位置计算910，根据抽点间隔等参数，产生等长的使能信号。例如，当主时钟为100MHz，以10次/秒的频次测深，进行800点抽值时，则以12500个时钟周期为间隔形成800个抽值区间，各区间内生成不同的提取使能和抽点位置，供主通道提取911和副通道提取912进行参考，对数据进行非均匀抽取，以及对指定区间内的峰值/位置进行提取。

主通道提取911，根据使能信号进行不同等级的非均匀抽点，以保证数据轮廓的不失真，对指定区间内的信号进行检测，提取相应的最大信号幅度和位置信息。例如，当检波模式为射频方式，进行800点抽样时，则形成400个抽值区间，分别对区间内的最大值和最小值进行抽样；当检波模式为全波、正半波、负半波方式时，则对800个抽值区间内的最大值进行抽样；并且，区间1～3内的数据峰值/位置信息，在基准计数周期内保持不变。

副通道提取912，仅根据使能信号进行不同等级的非均匀抽点。

上述通道采样方式，采用了数字下变频、数字滤波、数字化增益、数字化基线调整以及数字化非均匀抽取技术，减少了外部模拟硬件的使用，也降低了模拟量引入的随机干扰，从而使得系统的接收灵敏度在有一定提升的同时，也具备较高的一致性。除此以外，主通道提取911既可以实现回波信号的完整提取，也可实现三个不同区间内的最大值监测，可以满足测深、探鱼、计程等多用途场景；副通道提取912的扩充，能够更细节的对局部区域回波信号监视，能提供更丰富的细部特征，可进一步拓展水文、河床探测等应用。

图10为本发明提供的一个FPGA数字信号处理单元具体实施实例中回波数据上行模块的实施示意图。

如图10所示，回波数据上行模块504，进一步包括：主通道双端RAM 1001、副通道双端RAM 1002、写入计数1003、读出计数1004、奇偶标志位1005、选择器1006和FIFO缓冲1007。

其中，主通道双端RAM 1001，用于暂存主通道的抽点数据和区间峰值/位置信息，采用奇偶交替写入/读取的方式，实现了数据的高速吞吐。

副通道双端RAM 1002，用于暂存副通道的抽点数据，同样采用奇偶交替写入/读取的方式。

写入计数1003，根据基准计数和通道采样模块的信号，以脉冲间隔方式生成主通道双端RAM 1001和副通道双端RAM 1002数据写入地址。

读出计数1004，根据基准计数，一次性连续生成主通道双端RAM 1001和副通道双端RAM 1002数据读出地址，数据读取速率远大于写入速率，因此，双端RAM的深度仅取决于最大的抽样点数。

奇偶标志位1005，用于控制写入计数1003和读出计数1004的生成，以确保写入/读取地址的互斥性。

选择器1006，根据读出计数1004对主通道双端RAM 1001和副通道双端RAM 1002的数据进行乒乓读出，以实现主/副通道数据的拼接。

FIFO缓冲1007，作为与USB/千兆网通信模块501的上行数据缓冲，其存储深度取决于两个双端RAM的大小，FIFO缓冲1007的加入，可以更好的适配USB和千兆网两种自定义协议的通信方式。

图11为本发明提供的一个增益控制模块506具体实施实例中进行16×2N精细插值的实施示意图。

如图11所示，为16点无精细插值的增益曲线计算过程和16×2N精细插值的增益曲线计算过程示意，可以看出精细插值方式，引入了一个长度为2N的滑动窗口，对比无精细插值方式，仅增加了少量计算硬件。

图12为本发明提供的一个增益控制模块506具体实施实例中精细插值的效果对比图。

如图12所示，为16点无精细插值的增益曲线和16×2N精细插值的增益曲线的效果对比。16点无精细插值的增益曲线为离散线段，存在明显的阶跃突变；而16×2N精细插值方式很明显获得了平滑的曲线，更符合实际增益补偿的使用情况。

图13为本发明提供的一个控制数据下行模块502具体实施实例中控制参数RAM的分区定义。

如图13所示，为控制数据下行模块502中控制参数RAM的分区示意图。控制参数被分成了两类，包含了系统参数和通道参数。系统参数进一步包括了：发射功率控制参数1101、发射频次控制参数1102、通道1～N使能参数1103、通道1～N激发频率参数1104和通道1～N检波模式参数1105。而通道参数则进一步包括了：通道(主/副)抽点间隔参数1111、通道激发脉宽参数1112、通道(主/副)采样延时参数1113、通道(主/副)采样长度参数1114、通道的三个峰值区间参数1115、通道16点增益曲线参数1116和通道增益补偿参数1117。由于FPGA数字信号处理单元中的通道采样模块和以任意扩展，故在控制参数RAM分区中预留了多个通道参数备用。

图14为本发明提供的一个回波数据上行模块504具体实施实例中回波暂存双端RAM的分区定义。

如图14所示，为回波数据上行模块504中主通道双端RAM1001和副通道双端RAM1002分区示意图。奇偶首地址作为图中地址范围的首位扩充，共形成了16KB×2的交替存储区域。

参考上述本发明的描述，本领域技术人员可以了解本发明具有以下的几个优越性：

本发明提供的一种新型全数字化船用测深系统，采用了显示控制单元和测深单元分离的模块化设计方式，在有效降低船用测深系统复杂度的同时，提高了系统的可扩展性。在发射功能上，能够可控生成任意频率、频次、功率、时长的瞬态高能激发信号，更好的发挥压电陶瓷测深探头的最优性能，以适应不同的工况需求。在接收性能上，系统采用数字下变频、数字滤波、数字化精细插值增益、数字化基线调整以及数字化非均匀抽取等技术，减少了外部模拟硬件的使用，降低了模拟量引入的随机干扰，从而使得系统的接收灵敏度在有一定提升的同时，也具备较高的一致性。除此以外，接收采用了主/副双通道结构，既可以实现全局数据的概览，又能够更细节的对局部区域回波信号监视，进一步拓展了系统的应用场景。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种全数字化船用测深系统，其特征在于：包括显示控制单元(101)、测深单元(102)和压电陶瓷测深探头(103)，其中，

所述显示控制单元(101)用于为用户提供测深参数的交互，并对测深单元(102)进行参数配置，还接收并显示来自测深单元(102)处理后的回波电信号，实现测深波形和数据的可视化；

所述测深单元(102)用于根据显示控制单元(101)的配置参数产生激发电信号，同时对回波电信号进行数字量化、数字变频、数字滤波、非均匀抽样信号处理，并将处理后的回波电信号传输至显示控制单元(101)；

所述测深单元(102)与压电陶瓷测深探头(103)连接，所述压电陶瓷测深探头(103)用于将激发电信号转换成机械能形式的超声波，所述压电陶瓷测深探头(103)还用于接收传声介质反射的超声波，并将反射的超声波转换成回波电信号。

2.根据权利要求1所述的全数字化船用测深系统，其特征在于：所述显示控制单元(101)包括：

核心板(201)，用于管理显示控制单元(101)的各类模组扩展和相关信号；

GPS扩展(202)，用于扩展全球地理位置定位；

BLE/WiFi扩展(203)，用于提供蓝牙和无线网/局域网通信；

4G通信扩展(204)，用于提供蜂窝网络通信拓展；

显示屏触摸屏(205)，用于对系统信息、波形、应用数据进行显示，并提供触控交互操作；

HDMI接口扩展(206)，用于连接外部显示器，进行同屏复制/异屏扩展；

USB接口扩展(207)，用于提供系统外部USB交互/存储设备扩展；

串口阵列扩展(208)，用于提供RS232/RS422串行通信接口扩展；

继电器阵列扩展(209)，用于提供对外的I/O控制，实现继电器闭合/断开；

百/千兆网扩展(210)，用于提供百兆/千兆以太网通信；

开关机管理模块(211)，用于管理系统工作状态，对电源进行相应控制；

按键旋钮(212)，用于实现开关机管理模块(211)的实体按键交互，实体按键包括开关机、方向键、旋钮；

SDR模块扩展(213)，用于船用GMDSS通信拓展。

3.根据权利要求1所述的全数字化船用测深系统，其特征在于：所述测深单元(102)包括：

FPGA数字信号处理单元(301)，用于产生测深的激发信号，并对回波信号进行数字化处理；

千兆网通信电路(302)，用于使测深单元(102)具备以太网通信；

USB通信电路(303)，用于实现与显示控制单元(101)的USB总线通信；

供电管理(304)，用于控制测深单元(102)内各类电源的状态；

降压电路(305)，用于对输入电压进行降压稳压；

数字/模拟电源拓扑(306)，用于产生各种数字/模拟电源；

DA调节电路(307)，用于生成反馈基准电源，控制高压升压模块(308)电压幅度；

高压升压模块(308)，用于通过BOOST升压技术产生第一预设电压；

AD采样电路阵列(309)，用于对测深的回波电信号进行数字化采样；

PWM激发阵列(310)，用于产生瞬态高能电信号，激发压电陶瓷测深探头(103)；

收/发耦合阵列(311)，用于耦合测深单元(102)的发射和接收。

4.根据权利要求3所述的全数字化船用测深系统，其特征在于：所述PWM激发阵列(310)包括：

晶体管驱动阵列(401)，用于增强PWM激发信号的驱动力；

MOS管阵列(402)，用于反激式变压的预设电流泄放；

高压逆止电路(403)，用于防止反激第二预设电压逆向传播，保护高压升压模块(308)；

储能电容阵列(404)，用于提供足够的瞬时电流泄放功能；

变压匹配阵列(405)，用于反激升压，匹配压电陶瓷测深探头(103)。

5.根据权利要求3所述的全数字化船用测深系统，其特征在于：所述FPGA数字信号处理单元(301)包括：

USB/千兆网通信模块(501)，用于与外部通信电路进行时序握手，按照自定义协议实现数据的上/下行通信；

控制数据下行模块(502)，用于接收下行的控制数据，并根据参数配置时序控制模块(503)、高压控制模块(505)、增益控制模块(506)和通道采样模块(507)；

时序控制模块(503)，用于生成控制数据下行模块(502)、回波数据上行模块(504)和通道采样模块(507)的时序控制逻辑；

回波数据上行模块(504)，用于对通道采样处理后的数据进行缓存、组包和上传；

高压控制模块(505)，用于产生DA调节电路(307)的控制时序；

增益控制模块(506)，用于根据16点增益表(803)，生成增益补偿曲线；

通道采样模块(507)，用于对AD采样电路阵列(309)的采样数据进行数字变频、数字滤波、非均匀抽样处理。

6.根据权利要求3所述的全数字化船用测深系统，其特征在于：所述控制数据下行模块(502)包括：

基准计数器(601)，用于循环计数生成全局时间基准；

参数写入控制逻辑(602)，用于以参考时间基准，对下行参数进行解析；

控制参数RAM(603)，用于分区暂存各控制参数，并向时序控制模块(503)、高压控制模块(505)、增益控制模块(506)和通道采样模块(507)进行数据分发。

7.根据权利要求3所述的全数字化船用测深系统，其特征在于：所述的时序控制模块(503)包括：

PWM频率生成(701)，用于产生对应频率的周期信号；

激发使能(702)，用于参考时间基准和测深时长产生使能信号；

与门逻辑，用于将周期信号和使能信号进行信号合成。

8.根据权利要求3所述的全数字化船用测深系统，其特征在于：所述增益控制模块(506)包括：

精细增益步进位置计算(801)，用于参考时间基准，生成下个增益点位置；

增益点计数(802)，用于标记当前的增益点，对增益数值进行索引；

16点增益表(803)，用于暂存下行数据中的十六个增益值参数；

计算使能(804)，用于生成加法器(807)和减法器(808)的控制信号；

下一点增益(805)，用于暂存下个增益点的参数值；

当前增益(806)，用于对应当前增益点计数的增益值参数；

加法器(807)，用于在精细插值滑动窗口尾部添加数据；

减法器(808)，用于剔除精细插值滑动窗口头部的无效数据；

总增益(809)，用于暂存当前精细插值计算总和；

精细增益截取(810)，用于对计算结果进行截取，生成增益数值。

9.根据权利要求3所述的全数字化船用测深系统，其特征在于：所述通道采样模块(507)包括：

DDS合成(901)，用于生成下变频的数字正/余弦交变本征信号；

乘法器(902)和乘法器(903)，用于对AD采样的测深回波信号进行数字下变频；

加法器(904)，用于实现数字下变频信号的正交合成，消除本征相位差引入的随机损耗；

CIC抽值(905)，用于对正交合成信号进行抽取滤波，降低数字信号处理的数据吞吐量；

FIR滤波(906)，用于对抽值信号进行多阶数字带通滤波，获取所需频段内的有用信号；

增益曲线(907)，用于根据增益曲线对FIR滤波信号进行数字化补偿；

基线调整(908)，用于计算AD采样量化引入的共模误差，对增益补偿的数据进行调整；

数字检波/噪声抑制(909)，用于对数据进行检波，根据抑制设定值对检波数据进行剔除；

提取使能/抽点位置计算(910)，用于根据参数产生采样和抽点使能信号；

主通道数据提取(911)，用于对采样周期内的数据进行非均匀抽值，以保证数据轮廓不失真，并对设定区间内的信号进行检测，提取回波的最大信号幅度及位置信息；

副通道数据提取(912)，用于对采样周期内的数据进行非均匀抽值，以获得回波信号的细部特征。

10.根据权利要求3所述的全数字化船用测深系统，其特征在于：所述回波数据上行模块(504)包括：

主通道双端RAM(1001)，用于对主通道抽点数据和区间峰值/位置信息进行缓存，采用乒乓读取/写方式，实现较高的数据吞吐率；

副通道双端RAM(1002)，用于暂存副通道抽点数据，采用乒乓方式对数据进行读取/写入；

写入计数(1003)，用于参考时间基准和抽点信号，以脉冲间隔方式更新主通道双端RAM(1001)或副通道双端RAM(1002)的数据写入地址；

读出计数(1004)，用于以时间基准为参考，一次性连续生成主通道双端RAM(1001)或副通道双端RAM(1002)的数据读出地址；

奇偶标志位(1005)，用于实现乒乓交替读取标识，确保读取/写入地址的互斥性；

选择器(1006)，用于根据读出计数对主通道双端RAM(1001)或副通道双端RAM(1002)的读出数据进行连续拼接，实现数据组包；

FIFO缓冲(1007)，用于作为数据上行缓冲区域，以适配不同接口、不同协议的数据上行方式。