CN201397137Y - 集成gps定位的双频超声波水下地形测量仪 - Google Patents

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张辉
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Abstract

本实用新型涉及一种集成GPS定位的双频超声波水下地形测量仪。它具有计算控制简单、元器件成本低等特点以及足够的响应速度和控制精度，应用灵活、安全可靠、维修简单及使用方便等诸多优点。其结构为：它包括一个控制电路，该电路与超声波收发电路连接，超声波收发电路与超声波换能器连接；控制电路通过接口电路分别与上位机和GPS模块连接；控制电路还分别与键盘输入端口、显示装置、打印输出端口、水温测量装置、报警装置和电源连接。

Description

集成GPS定位的双频超声波水下地形测量仪
技术领域
本实用新型涉及一种水下地形测量仪，尤其涉及一种集成GPS定位的双频超声波水下地形测量仪。
背景技术
在航道测量、水上运输、江河湖泊的水文调查以及港口、码头、大桥等的建设中都需要对水深及水下地形进行准确的测量，但是水下的地形是起伏看不见的，不能像陆地上测图那样根据地形特征逐点进行测绘。现代的测深方法主要靠超声波测深仪进行。利用水声换能器垂直向下发射声波并接收水底回波，根据回波时间和声速来确定被测点的水深，通过水深的变化就可以了解水下地形的情况。20世纪60年代，出现了侧扫声纳，可探测船一侧(或两侧)一定面积海域内的水下障碍物和水底地貌，可以取得类似于航摄效果的水底表面声学图像。20世纪70年代，又出现了多波束测深系统，它能一次给出与航线垂直的平面内几十个甚至几百个海底被测点的水深值，形成一定宽度的全覆盖的水深条带，可以比较可靠的反映出水下地形的细微起伏，比单一测点的水深测量确定水下地形更真实。目前，多波束水深测量系统正向小型化发展，适用浅水海域和简单船只的新产品已经有售。20世纪80年代以后，又推出了高效率的机载激光测深系统，激光光束的高分辨率能获得海底传真图像，从而可以详细调查海底地质和底质。美国国防制图局于1990年研制ABS机载水深测量系统，除包括一台激光测深仪外，还有一台多普扫描仪和一台电磁剖面仪，能够在各种环境下，在飞机上利用激光，光谱和电磁测量几种方法互补快速测绘沿海的水下地形图，这些手段一般可以测深30~50米左右，精度在0.3米左右。目前还可以利用卫星上安装合成孔径雷达等设备对海面遥感摄影，通过对照片处理确定水深。国外少数国家，在水下工程施工前，还利用潜水器携带水下立体摄影机获取水下地形的立体相片，或者利用高分辨率声学系统采取全息摄影技术测量水下地形。在特殊地区还可利用水下经纬仪、水下激光测距仪、水下气压水准仪和水下液体比重水准仪、水下电视摄影系统测量水下地形。目前，水下地形测量过程已逐步实现自动化，数字产品也已多见。
在水深测量领域，人类已经取得了长足的进步，但是很多高精尖的设备十分复杂。例如水下地形自动测量系统，它的测量系统的组成包括：调制解调器及电台，超声波回声测深仪，专用计算机及测量控制软件，内置自动成像软件。这种设备操作复杂，价格较高，不利于大规模推广使用，尤其是在中小船只上更是不利于普及。
将GPS技术与超声波测深技术相结合应用于水下地形测量，必会使人们认识水下世界变得更简便、直观。随着换能器技术、微电子技术、数字信号处理技术及软件技术的发展，超声波仪器设备的实时信号处理能力、测量精度、分辨率、作用距离及智能化方面都取得了很大进展，超声波测深技术正在从模拟向数字化方向发展。GPS技术可独立确定待求点的绝对坐标。将GPS定位技术和超声波水深测量技术相结合，使所测得的数据不但包含水深信息，而且还包含有定位信息。集成GPS定位的双频超声波水下地形测量仪是一种水下地形测量经济有效的解决方案。
发明内容
本实用新型的目的针对目前水深测量设备存在的不足，提供一种集成GPS定位的双频超声波水下地形测量仪，此测量仪具有计算控制简单、元器件成本低等特点及足够的响应速度和控制精度，具有应用灵活、安全可靠、维修简单及使用方便等诸多优点，可适应中小型船舶的广泛需要。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种集成GPS定位的双频超声波水下地形测量仪，它包括一个控制电路，该电路与超声波收发电路连接，超声波收发电路与超声波换能器连接；控制电路通过接口电路分别与上位机和GPS模块连接；控制电路还分别与键盘输入端口、显示装置、打印输出端口、水温测量装置、报警装置和电源连接。
所述控制电路为C8051F020微处理器。
所述超声波收发电路由高频超声波收发电路和低频超声波收发电路组成。
所述显示装置为LCD显示模块。
所述接口电路为RS-422和RS-232C输出端口，RS-422输出端口与上位机连接，RS-232C输出端口与GPS模块连接。
本实用新型的集成GPS定位的双频超声波水下地形测量仪以C8051F020微处理器为核心，由超声波收发电路、电源、接口电路和LCD显示、键盘输入等部分组成。当微处理器启动测量后，超声波收发电路发出一定脉冲宽度的50KHz或200KHz的超声波，同时启动计时程序和时变增益控制，开启高速定时数模转化，并由微处理芯片对其进行AD转换，然后根据AD转换值和超声波发射控制信号与回波的时间差计算出水深值来，然后将水深信息送到LCD显示。本实用新型中各部分的功能如下：
(1)微处理芯片电路
微处理器的是本系统的核心部分，所有的控制，运算功能都由微处理器来完成。主要进行数据的采集及水深运算和系统的控制并完成超声波发射脉冲控制程序、AD转换程序、时间差计算程序、数据传送程序。
(2)超声波收发电路
超声波收发电路实现超声波的发射与接收，发射和接收电路是测量仪的关键组件，它包括超声波振荡产生电路，超声波放大电路，滤波电路，检波电路等几部分。
(3)换能器
超声波换能器可将超声波信号在声能和电能之间进行转换。
(4)键盘
键盘完成本系统各种操作命令和数据的输入功能。
(5)电源
电源负责整个系统的供电。电源功率可调，可以输出多个电压档，在对不同水深进行测量时，进行电压档的切换。
(6)LCD显示模块
LCD显示水深值、地形图、工作状态及各种控制方式。
(7)报警电路
报警电路用来实现浅水报警、超量程报警、电源故障报警及断电报警的功能。
浅水报警：深度减小到某一设定值时报警；超量程报警：底部丢失或底部回波太弱；电源故障报警：当电源电压低于设定值时报警；断电报警：电源被切断时报警。
(8)打印端口
打印输出端口负责水深测量仪和打印机的数据通信，在测量水深的过程中，测深仪所测得的数据不仅可以从屏幕上显示出来，而且可以即时的从打印输出端口输出进行打印，这样有利于数据的保存。
(9)GPS模块
定位船只的准确位置，也便于在水深仪测得水深，日后对数据进行分析处理时知道各水深值的地理位置。
(10)RS-422、RS-232C输出端口
RS-422、RS-232C输出端口主要是用来和计算机、GPS模块进行数据通信。
(11)温度传感器接口
因为超声波在水中的传播速度和水温有关，所以在设计中有必要加入温度传感器，通过温度来改变水深计算时的声速值，这样有利于提高水深测量的准确度。
本实用新型的测深原理为：
超声波测深的主要依据是：(1)超声波在水中的传播速度近似于定值；(2)超声波接近于直线传播并遇到物体能反射；(3)计算机测量超声波从发射到反射所经历的极短时间的技术方法。
图2是单片机控制的超声波测量水深时序图。当单片机启动测量后，超声波发送电路发出50KHZ或200KHz的超声波脉冲，同时启动计时程序和时变增益控制，开启高速定时数模转化，并由微处理芯片对其进行AD转换，然后根据AD转换值和超声波发射控制信号与回波的时间差计算出水深值来，然后将水深信息送到LCD显示模块。
(1)经模数转化(ADC)的值大小反映了回波的强度，在液晶屏上以深浅不同的颜色显示显示。
(2)高速定时数模转化的时刻与计时时刻反映的时长与超声波传播的速度之积即能反映水深，以在屏幕上相对零线的相对位置反映。
(3)时变增益TVG电路，抑制浅水回波。
(4)RTC实时时钟电路。
当一个GPS模块接入到后面板的I/O数据接口或从其他GPS接收设备接收的位置数据被传给了这个接口，设备会显示你当前所处的位置的经纬度信息，并且这个位置的经纬度数据在RTC控制下会和水深数据及时间日期数据捆绑在一起，一同存储在存储器内。
本实用新型的有益效果是：结构简单，使用方便，价格低，控制简单，具有足够的响应速度和控制精度，应用灵活、安全可靠、维修简单及使用方便，可适应中小型船舶的广泛需要。
附图说明
图1为本实用新型的结构框图；
图2为单片机控制的超声波测量水深时序图。
其中，1.控制电路，2.接口电路，3.超声波换能器，4.报警装置，5.水温测量装置，6.电源，7.高频超声波收发电路，8.低频超声波收发电路，9.键盘输入端口，10.LCD显示模块，11.打印输出端口，12.GPS模块，13.上位机。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。
图1中，集成GPS定位的双频超声波水下地形测量仪，包括一个控制电路1，该电路与超声波收发电路连接；超声波收发电路与超声波换能器3连接；超声波收发电路由高频超声波收发电路7和低频超声波收发电路8组成。控制电路1通过接口电路2分别与上位机13和GPS模块12连接；控制电路1还分别与键盘输入端口9、显示装置、打印输出端口11、水温测量装置5、报警装置4和电源6连接。控制电路1为C8051F020微处理器。显示装置为LCD显示模块10。接口电路2为RS-422和RS-232C输出端口，RS-422输出端口与上位机13连接，RS-232C输出端口与GPS模块12连接。

Claims (5)

1.一种集成GPS定位的双频超声波水下地形测量仪，其特征是：它包括一个控制电路，该电路与超声波收发电路连接，超声波收发电路与超声波换能器连接；控制电路通过接口电路分别与上位机和GPS模块连接；控制电路还分别与键盘输入端口、显示装置、打印输出端口、水温测量装置、报警装置和电源连接。
2.如权利要求1所述的集成GPS定位的双频超声波水下地形测量仪，其特征是：所述控制电路为C8051F020微处理器。
3.如权利要求1所述的集成GPS定位的双频超声波水下地形测量仪，其特征是：所述超声波收发电路由高频超声波收发电路和低频超声波收发电路组成。
4.如权利要求1所述的集成GPS定位的双频超声波水下地形测量仪，其特征是：所述显示装置为LCD显示模块。
5.如权利要求1所述的集成GPS定位的双频超声波水下地形测量仪，其特征是：所述接口电路为RS-422和RS-232C输出端口，RS-422输出端口与上位机连接，RS-232C输出端口与GPS模块连接。
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