CN1971305B - 智能深水应答器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型智能深水应答器，它是由水声信号处理单元1、连接水声信号处理单元1的电源管理单元2、外部接口5、声学换能器3和释放机构4五部分组成，水声信号处理单元1包括设置在底板9上的水声信号处理声学部分6、功放部分7和电容部分8；电源管理单元2包括电源板10和电池11，电源板10连接电池11通过底板9连接各个用电单元。本发明具有自校阵、自检、自释放、低功耗、耐高压、高可靠性、易操作等功能和特点，可以用于对水声收/发机发出的询问信号进行应答，并接收、执行和回复某些特定的水声遥控指令，实现长基线系统的定位导航功能。

Description

智能深水应答器

(一)技术领域

本发明涉及水声测量设备，具体涉及一种用于水下目标定位和导航的水声测量设备。

(二)背景技术

就目前的技术而言，水声定位技术仍然是水下目标定位导航的主流。在海底布设三个以上的水声应答器，构成一定的几何形状，各应答器(基元)的坐标位置要进行精密测量，各基元间的间距可以与海深比拟，被测定的载体一般位于应答器布放的范围内，通过对应答器的询问，测定应答器应答信号的时延或时延差来确定自身位置，从而实现导航定位的功能。这就是长基线(LBL)水声定位系统的原理，由于长基线水声定位系统定位精度高，可靠性好，因而得到广泛的应用。

水声应答器是长基线水声定位导航系统的重要组成部分，但受耐压壳体、换能器工艺、信号处理手段等因素限制，国内生产的应答器普遍存在功能单一、水声作用距离短、可控性差等缺点。

(三)发明内容

本发明提供了一种用于水下目标定位和导航的水声测量设备。

本发明的目的是这样实现的：它是由水声信号处理单元1、连接水声信号处理单元1的电源管理单元2、外部接口5、声学换能器3和释放机构4五部分组成，水声信号处理单元1包括设置在底板9上的水声信号处理声学部分6、功放部分7和电容部分8；电源管理单元2包括电源板10和电池11，电源板10连接电池11通过底板9连接各个用电单元；所述的水声信号处理声学部分6的组成包括连接声学换能器3的宽带接收机12、连接宽DA转换器16的低通滤波器17、连接低通滤波器17的光藕18、连接AD转换器13的DSP15、电源芯片122和电磁继电器123、连接DSP15的DA转换器16、电源芯片224、串口芯片21和FLASH闪存20、连接光藕18的光藕后级电路19；声学换能器3接收到的水声信号送入宽带接收机12，经滤波放大后送入单片机14的片内AD中，将模拟信号转换成为数字信号，单片机14对该数字信号进行处理，如果接收到的信号是水声收/发机对该应答器下达的指令，则单片机14进行相应的动作，DSP15在值班时是没有上电的，只有单片机14收到上电指令后，才控制电磁继电器123使DSP15上电，应答器进入工作状态；宽带接收机12送来的模拟信号经过AD转换器13转换成为数字信号送入到DSP15中进行处理，如果需要应答器发出声信号，则DSP15产生数字信号，经DA转换器16转换成模拟信号，再经低通滤波器17、光藕18及光藕后级电路19驱动功放，使换能器发出声信号；FLASH闪存20是用来存储程序源代码，在DSP15上电后将程序导入到DSP15的存储区中；串口芯片21用来实现DSP15与单片机14之间的通信；电源芯片122和电源芯片224是分别为单片机14和DSP15供电。

本发明还有这样一些结构特征：

1、所述的功放部分7接收电路的输出通过底板9连接声学部分6的宽带接收机12的输入端，声学部分6的DA后级放大电路的输出通过底板9连接功放部分7的发射电路的输入端；

2、所述的电源板10由电源芯片A31电源芯片B32电源芯片C34、电磁继电器2及晶体三级管35组成，电磁继电器2的开关连接单片机14，电源芯片A31连接单片机14，电源芯片B32连接宽带接收机12，电源芯片C34连接光藕后级电路19和晶体三极管35；

3、所述的声学换能器3由高频换能器和低频换能器组成，高频换能器的正负极接功放部分7的高频发射/接收电路，低频换能器的正负极接功放部分7的低频发射电路；

4、所述的释放机构4由连接单片机14的电机36和释放钩37组成；

5、所述的外部接口5主要包括一个12芯的水密接头38和电磁继电器3，水密接头38通过串口芯片21连接DSP15。

本发明的水声信号处理单元1包括水声信号处理声学板6、功放板7、电容板8和底板9，其中声学板6、功放板7和电容板8分别通过一对96管脚的接插件固定在底板9上。通过底板9的连接，功放板7接收电路的输出接到声学板6的宽带接收机12的输入端，声学板6的DA后级放大电路的输出接到功放板7的发射电路的输入端；本发明的应答器是由电池供电的，电池分为三组，分别为声学板板6、功放板7和释放机构4供电。电源管理单元2可以分为三部分，释放机构电源25、处理板电源26和功放电源27，主要包括电源板10和电池11，电源板10把电池11提供的电能转换为应答器工作所需的电源，通过底板为各个用电单元供电；声学换能器3由高频换能器和低频换能器组成，用于接收和发射水声信号。高频换能器的正负极接功放板7的高频发射/接收电路，低频换能器的正负极接功放板7的低频发射电路；释放机构4由电机36和释放钩37组成。释放机构4的开启与关闭都受单片机14控制，单片机14根据释放机构反馈信号判断电机旋转的位置；外部接口5主要包括一个12芯的水密接头38，电磁继电器3和串口芯片21。通过串口芯片21可以实现应答器的DSP15与PC机相互通信，同时应答器值班电路的上电与下电也是通过接口5来完成，利用接口5还可以给应答器充电。

本发明的有益效果有：

1、可以接收询问声信号并回复应答信号，与水声收/发机配合实现水声测距和导航定位作业；

2、可以向海底其它应答器发出测阵询问声信号并将测距数据等信息传送至水声收/发机，从而使系统能实现快速自校阵功能；

3、可以接收水声遥控指令，及时改变自身的工作状态，并将状态信息传送到水声收/发机和显控台。

4、可通过RS-232口和PC机相连，进行系统状态检测和参数设置，并将信息回传给主机。

5、两种工作模式，值班模式可长时间工作于海底，而不需要充电；工作模式可进行大量的数字信号处理，实时地响应各种控制指令，且能够实现多种复杂的工作。

6、具有电量不足和漏水报警功能，大大提高了应答器的回收率。

7、采用玻璃钢耐压壳体，工作深度大大提高，而且不用任何浮体，依靠本身的正浮力即可浮出水面。

本发明不仅克服了传统应答器的缺点，达到国外同类产品指标，而且还增加了一些新功能，例如该应答器可以实现快速自校阵功能，提高定位导航的精度；通过水声遥控指令可以调整应答器参数，减小了水声环境对系统的影响。这些功能的增加提高了长基线水声定位系统的性能，因此，本发明为水下目标定位和导航提供了一种新型的智能应答器。

(四)附图说明

图1是本发明智能深水应答器的总体组成示意图；

图2是本发明水声信号处理单元的结构框图；

图3是本发明释放机构结构框图；

图4是本发明电源管理的结构框图；

图5是本发明外部接口结构框图；

图6为本发明DSP外围电路图；

图7为本发明单片机的外围电路；

图8为本发明D/A后级电路。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明各个部分的构造和工作流程进行详细的说明：

结合图1，本发明是由水声信号处理单元1、连接水声信号处理单元1的电源管理单元2、外部接口5、声学换能器3和释放机构4五部分组成，其特征是：水声信号处理单元1包括设置在底板9上的水声信号处理声学部分6、功放部分7和电容部分8；电源管理单元2包括电源板10和电池11，电源板10连接电池11通过底板9连接各个用电单元。

结合图2-5，水声信号处理声学板6由宽带接收机12、AD转换器13、DSP15、DA转换器16、低通滤波器17、光藕18、光藕后级电路19、FLASH闪存20、串口芯片21、单片机14、电源芯片1、电源芯片2和电磁继电器1组成。声学换能器3接收到的水声信号送入宽带接收机12，经滤波放大后送入单片机14的片内AD中，将模拟信号转换成为数字信号，单片机14对该数字信号进行处理，如果接收到的信号是水声收/发机对该应答器下达的指令，则单片机14进行相应的动作。DSP15在值班时是没有上电的，只有单片机14收到上电指令后，才控制电磁继电器1使DSP上电，应答器进入工作状态。宽带接收机12送来的模拟信号经过AD转换器13转换成为数字信号送入到DSP15中进行处理，如果需要应答器发出声信号，则DSP15产生数字信号，经DA转换器16转换成模拟信号，再经低通滤波器17、光藕18及光藕后级电路19驱动功放，使换能器发出声信号。FLASH闪存20是用来存储程序源代码，在DSP15上电后将程序导入到DSP15的存储区中。串口芯片21是用来实现DSP15与PC机之间的通信。电源芯片1和电源芯片2是分别为单片机14和DSP15供电。

本发明工作带宽宽，所以功放板7采用高低频分别匹配的原则，将整个工作带宽划分成两个频带高频和低频，通过高、低频两套功率放大和匹配网络与声学换能器3相连，以更好的改善负载阻抗特性，提高系统匹配效率，拓宽系统工作频带。

同时，为了保证在发射水声信号时，电源能够提供足够大的功率，本实施例在电容板8上并联一组电容，用于存储大量电能，电容组的正负极通过96位接插件接到底板9上，进而与功放7相连。

本实施例的电源板10由电源芯片A31电源芯片B32电源芯片C34、电磁继电器2及晶体三级管35组成。单片机14控制电磁继电器2的开关，来实现释放机构电机36的旋转与停止，从而达到脱钩与挂钩的目的。电源芯片A31为处理板6的数字部分供电，电源芯片B32为处理板6模拟部分供电。电源芯片C34为光藕后级电路19供电，同时单片机14通过控制电源芯片C34来给控制晶体三极管35的导通与截止，从而间接控制功放板7和电容板8的上下电。此外单片机14通过电源板10采集电池11电压。

应答器电池11被分为三组，为别为释放机构4、处理板6和功放7供电。这样是为了减少这几部分的相互影响，更重要的是为了保证释放机构4的电源充足，在特殊情况下也可以保证应答器能释放，不会造成经济损失。电池11选用的是聚合物锂离子电池。聚合物锂离子电池是新一代锂离子电池，不仅具有液态锂离子电芯的高电压、长循环寿命、放电电压平稳以及清洁无污染等特点，而且改善了液态锂离子电池可能存在的不安全及漏液问题，是目前最先进的电池。

为了满足系统宽带接收和宽带发射的要求，声学换能器3由高频宽带换能器和低频宽带换能器组合而成，二者安装在同一个平台上，并通过电缆与功放板7相应的功率放大及匹配电路的输出端相连。当声学换能器3置于水或密度与水相近的液体介质中时，声学换能器3将功放板7传送过来的电信号转化成声信号，并通过介质向外辐射。

本实施例的释放机构4由电机36和释放钩37组成。单片机14通过控制电磁继电器2使电机36转动或停止，由于电机36的转动，释放钩37就会脱落重物，应答器浮出水面。在电机36转动的同时，单片机14会采集释放机构4的反馈信号，当电机转到合适角度时，单片机14就会使电机36停止。

外部接口5由水密接头38、串口芯片21和电磁继电器3组成。外部接口5有三个作用：首先，应答器值班电路的上下电，需要通过外部接口用专用开关控制电磁继电器3来实现；其次，PC机与应答器进行通信也是通过外部接口5的串口芯片21来实现；最后，给应答器电池11充电也要通过外部接口11。

结合图6，图6为本发明DSP外围电路图，本发明采用的DSP芯片是TI公司的TMS320VC5509A，该芯片具有功耗低，数据运算能力强的特点。U4为FLASH芯片，DSP通过EMIF总线与其相连，在DSP上电时，通过该芯片进行程序加载。U1为双路数/模转换器(DA)，该器件通过多通道缓冲串口McBSP与DSP相连，经过平滑滤波器和光藕与功放相连，为功放提供驱动信号，标号为jref的为跳线开关，通过这个开关来选择该器件的工作模式。U2为模/数转换器(AD)，该器件通过多通道缓冲串口McBSP与DSP相连，该器件有16bit的转换精度，而且是低功耗器件，更重要的是该器件具有SPI串行接口，可以与DSP的多通道缓冲串口进行无缝连接，省去外围接口芯片，降低功耗，增加了系统的可靠性。U3为串口芯片，该器件通过多通道缓冲串口McBSP与DSP相连，来实现DSP与PC机的RS-232串口之间的通信，该器件不仅要完成同步与异步通信方式的转换，而且还要完成两种通信方式的电平转换。DB9是一个标准的9针串口。

结合图7，图7为本发明单片机的外围电路，本发明采用的单片机是TI公司MSP430F1611，该单片机具有功耗低、数字处理能力强和具有丰富片内外设的特点。在本发明中，单片机主要负责对指令的解码、控制DSP上电、对电池电压的采集、漏水检测和释放应答器。换能器接收到的水声信号，经过接收机的滤波放大到达单片机，利用单片机的片内A/D对接收到的模拟信号进行采样，经量化后的数字信号送到单片机的处理单元进行处理。三组电池电压也是通过单片机的片内A/D进行采样的。单片机外围需要两个晶振来提供时钟源，这两个晶振分别为3.2768MHz和8MHz。SCL和SDA是I2C总线的两根线路，单片机就是利用这两根线路来与DSP进行通信的。

结合图8，图8为本发明D/A后级电路，运放U1A、U1B、U2A及其周围电路的电阻电容构成了一个二阶低通滤波器，将D/A输出的信号进行平滑滤波。运放U2B、U5A、PHOTO1芯片及其周围的电阻电容构成了线性光藕的典型电路，平滑滤波后的信号通过光藕驱动功放，而功放的噪声经光藕隔离也不会影响到处理板。DIOD1是一稳压二极管，将电压稳定到2.5伏，为DA后级电路提供参考电压，保证系统的正常工作。

Claims (5)

1.一种智能深水应答器，它是由水声信号处理单元(1)、连接水声信号处理单元(1)的电源管理单元(2)、外部接口(5)、声学换能器(3)和释放机构(4)五部分组成，水声信号处理单元(1)包括设置在底板(9)上的水声信号处理声学部分(6)、功放部分(7)和电容部分(8)；电源管理单元(2)包括电源板(10)和电池(11)，电源板(10)连接电池(11)通过底板(9)连接各个用电单元；其特征是：所述的水声信号处理声学部分(6)由连接声学换能器(3)的宽带接收机(12)、连接宽DA转换器(16)的低通滤波器(17)、连接低通滤波器(17)的光藕(18)、AD转换器(13)、连接AD转换器(13)的DSP(15)、电源芯片1(22)、电磁继电器1(23)、连接DSP(15)的DA转换器(16)、电源芯片2(24)、单片机(14)、串口芯片(21)、FLASH闪存(20)和连接光藕(18)的光藕后级电路(19)组成。

2.根据权利要求1所述的一种智能深水应答器，其特征是：所述的功放部分(7)接收电路的输出通过底板(9)连接声学部分(6)的宽带接收机(12)的输入端，声学部分(6)的DA后级放大电路的输出通过底板(9)连接功放部分(7)的发射电路的输入端。

3.根据权利要求1所述的一种智能深水应答器，其特征是：所述的电源板(10)由电源芯片A(31)电源芯片B(32)电源芯片C(34)、电磁继电器2(29)及晶体三级管(35)组成，电磁继电器2(29)的开关连接单片机(14)，电源芯片A(31)连接单片机(14)，电源芯片B(32)连接宽带接收机(12)，电源芯片C(34)连接光藕后级电路(19)和晶体三极管(35)。

4.根据权利要求1所述的一种智能深水应答器，其特征是：所述的声学换能器(3)由高频换能器和低频换能器组成，高频换能器的正负极接功放部分(7)的高频发射/接收电路，低频换能器的正负极接功放部分(7)的低频发射电路。

5.根据权利要求1所述的一种智能深水应答器，其特征是：所述的释放机构(4)由连接单片机(14)的电机(36)和释放钩(37)组成。

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