CN202094883U - 基于扩频通信的超短基线应答器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及水声定位及通信设备领域，公开了一种基于扩频通信的超短基线应答器，其包括：顺次相连且分别与应答器主板相连的接收预处理单元、模拟值守及控制电路单元、数字处理单元和功放及匹配电路单元；所述接收预处理单元和功放及匹配电路单元与收发合置换能器相连。本实用新型各部分模块单元均采用超低功耗设计，可以长时间的在海底待机，并配合甲板控制单元实施海底定位，提高工作效率、降低使用成本；应答器具有电池电量实时检测功能，可以根据甲板控制单元指令，反馈应答器电池电量信息，从而提高系统工作稳定性和应答器回收率；应答器采用宽带扩频技术，一次可同时应答多个应答器，降低系统定位时间，提高工作效率。

Description

基于扩频通信的超短基线应答器

技术领域

本实用新型涉及水声定位及通信设备领域，特别是涉及一种基于扩频通信的超短基线应答器。

背景技术

随着科学技术的发展，水声定位技术在民用方面也得到了广泛的应用，例如海洋资源开发、水下油气管道的布设、水下电缆的铺设、水下救险、沉船打捞、潜水员定位以及航道异物清除等都要用到水声定位技术，为人类从事海洋活动提供了更广阔的前景。拥有全天候、高精度、高可靠性的水声定位系统也为人类的海洋资源开发提供了更加可靠的保障。

水声定位系统在海洋科学领域应用广泛，就目前的技术而言，水声定位和通信技术仍然是水下目标定位导航的主要方法，在海底需要定位的设备上绑缚若干水声应答器，通过对应答器的询问，测定应答器应答信号的时延和相位差来确定自身的位置，从而实现定位导航精度高，具有便于操作，携带方便等特点。

超短基线水声定位是水下目标定位与导航的重要技术，水声应答器又是超短基线定位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、低功耗设计等因素限制，国内生产的应答器普遍存在功能单一、作用距离短、可靠性差、待机时间短、系统定位时间长等缺点。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型要解决的技术问题是如何实现应答器的功能扩展、作用距离延长、并提高其可靠性和待机时间，降低水声定位系统的定位时间。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种基于扩频通信的超短基线应答器，其包括：顺次相连且分别与应答器主板相连的接收预处理单元、模拟值守及控制电路单元、数字处理单元和功放及匹配电路单元；所述接收预处理单元和功放及匹配电路单元与收发合置换能器相连；所述接收预处理单元和模拟值守及控制电路单元为常开电路，所述模拟值守及控制电路单元的单片机模块值守时工作在待机状态，其工作状态由所述模拟值守及控制电路单元唤醒；所述接收预处理单元、模拟值守及控制电路单元、数字处理单元和功放及匹配电路单元内均由所述单片机模块控制其供电的通断。

其中，所述数字处理单元和功效及匹配电路单元值守时工作在掉电状态，其供电模块与所述单片机模块相连，由单片机模块控制供电模块的通断。

其中，还包括分别与应答器主板相连的电池组单元和电源转换电路单元，所述电池组单元包括一块电池组，所述电源转换电路单元用于对所述电池组单元的电压进行转换，分别供给所述接收预处理单元、模拟值守及控制电路单元、数字处理单元和功放及匹配电路单元。

其中，所述电源转换电路单元的电路芯片采用DC-DC模块。

其中，所述电源转换电路单元包括顺次相连的两级电压转换模块，第一级电压转换模块采用DC-DC芯片TPS54232，第二级电压转换模块采用DC-DC芯片TPS62050。

其中，所述接收预处理单元和模拟值守及控制电路单元采用电源芯片使能；所述数字处理单元和功放及匹配电路单元采用POWERMOSFET使能电路使能。

其中，所述应答器分配有组号和地址码号，并采用扩频通信方式对其发射的信号进行调制处理。

其中，所述模拟值守及控制电路包括可切换的模拟值守电路和单片机值守电路。

其中，所述单片机采用MSP430F5438单片机；所述数字处理单元的数字处理芯片采用TMS320VC5509A数字信号处理器。

其中，还包括电池电量检测模块，设置在所述电池组单元内，用于实时监测电池组单元内电池组的电量。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的基于扩频通信的超短基线应答器中，各部分模块单元均采用超低功耗设计，可以长时间的在海底待机，并配合甲板控制单元实施海底定位，提高工作效率、降低使用成本；应答器具有电池电量实时检测功能，可以根据甲板控制单元指令，反馈应答器电池电量信息，从而提高系统工作稳定性和应答器回收率；应答器采用宽带扩频技术，一次可同时应答多个应答器，降低系统定位时间，提高工作效率。

附图说明

图1是本实用新型实施例的基于扩频通信的超短基线应答器的总体结构框图；

图2是本实施例中电源转换电路的低功耗设计原理图；

图3是本实施例中模拟值守及控制电路的低功耗设计原理图；

图4是本实施例中单片机值守电路的低功耗设计原理图；

图5是本实施例中接收与处理单元的低功耗设计原理图；

图6是本实施例中数字处理单元的的低功耗设计原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

图1示出了本实用新型实施例的基于扩频通信的超短基线应答器的总体结构框图，由图可以看出，应答器硬件包括接收预处理单元、模拟值守及控制电路单元、数字处理单元、功放及匹配电路单元、高性能电池组单元和电源转换电路单元，上述单元均与应答器的主板，也即母板相连，接收预处理单元、模拟值守及控制电路单元、数字处理单元、功放及匹配电路单元顺次相连，接收预处理单元和功放及匹配电路单元与收发合置换能器相连，上述各模块单元之间的连接还涉及到相应的连接器件。在针对低功耗设计方面，应答器分别在电源管理、模拟值守电路、低功耗元器件、高效率功放、软件等五方面进行了低功耗的设计与优化。具体到硬件电路，主要在降低电路静态工作电流、提高电源转换效率、协调各个模块工作时间、提高功放电路效率等方面进行低功耗设计。

1、在电源管理方面。

首先，接收预处理单元、模拟值守及控制电路单元、数字处理单元和功放及匹配电路单元的电源全部由单片机进行控制与管理。其中，接收预处理单元和模拟值守及控制电路单元为常开电路，模拟值守及控制电路单元中的低功耗单片机值守时工作在待机状态下，等待模拟值守电路的唤醒；数字处理单元和功放及匹配电路单元平时工作在掉电状态，由单片机控制其工作状态。数字处理单元和功放及匹配电路单元只有在应答模式下才上电工作。

其次，如图2所示，应答器采用一块电池组作为应答器电源转换电路单元的输入，电源转换电路单元再为各个模块提供分电源。为达到大压差、高效率、低功耗、大电流的供电要求，在电源转换电路部分，系统的电源芯片都采用DC-DC模块，虽然相比LDO线性电源模块有着相对较高的电压文波，但从转换效率、功耗及后期解决方案中考虑，DC-DC有着不可替代的优势。应答器电池组输入标准电压为24V，系统除发射模块外，最高需求电压为3.3V，由于在大压差的条件下，电源转换效率很低，能量损失较多，应答器电源转换电路单元采用两级电压转换方式：第一级使用TI低功耗、高效率、大电流DC-DC芯片TPS54232将24V电源转换为9V直流电源，第二级使用TPS62050将9V进行电压转换，这样虽然在电路上有所复杂，但却提高了电源转换效率，从另一个方面降低了功耗。其中TPS54232和TPS62050的静态工作电流分别只有85uA和12uA，转换效率最高可达到95％。虽然应答器总体静态工作电流在1mA左右，但电源的总体转换效率仍然可以达到80％以上。

再次，应答器的各部分电路由单片机控制相应电源芯片来决定是否工作。电源使能的方式有两种：一，对于接收预处理单元和模拟值守及控制电路采用电源芯片使能；二，其余模块采用POWERMOSFET(功率金属氧化物半导体场效应晶体管)使能电路使能，采用一个MOSFET和一个三极管组成的电路具有极低功耗、复杂性低、可通过大电流和电源文波小的优点。

2、模拟值守及控制电路单元的使用。

值班电路的功能为判断当前接收信号是否是唤醒信号。如果信号的幅值和持续时间都达到门限值，那么就认为此信号为唤醒信号，便向单片机发送中断请求，从而给数字处理单元上电，准备对此后到来的扩频信号进行处理。这样可以大大降低应答器待机功耗，可以使其具有更长的待机时间。

为了降低应答器的功耗和误唤醒率，本实用新型采用两套可切换使用的值班电路，可根据实际环境状况选用其中一种。一个为模拟值守电路，如图3所示，由检波电路、噪声门限电路、比较器、积分电路组成。单片接收模拟值守电路的唤醒中断信号，单片机被唤醒后，负责顺序给DSP模块和发射模块上电，等待询问信号的到来。同时，预处理后的信号此时也经过单片机本身的12位ADC进行采样，计算并通过多路复用芯片控制后级放大的级数，以实现AGC的功能。另外一个为单片机值守电路，如图4所示，单片机实时采样模拟接收模块进行预处理后的信号，经过计算能量阈值和能量持续时间判断是否为唤醒信号，完成值班电路的功能。

3、在低功耗元器件和软件优化方面。

所有模拟及数字芯片都采用低功耗、低噪声器件。在兼并高性能的同时，超低静态电流成了系统的关键参数。

一方面针对应答器的常开电路接收预处理单元，如图5所示，信号的前级放大、滤波、后级放大、多路复用中使用的运算放大器静态电流最小的只有38uA，尽量减少此部分电路的复杂性以降低功耗。同时信号流向所经过的阻值、容值等都要适当调整，降低电路在无源器件上的消耗。

另一方面在应答器的两个核心芯片中，单片机采用TI的超低功耗单片机MSP430F5438，其静态工作电流140μA/MHz，最高主频为18MHz，同时此单片机拥有五种低功耗模式可供选择，在软件上进行低功耗设计成为可能。DSP芯片同样采用TI的低功耗数字信号处理器TMS320VC5509A，它是应答器进行扩频通信的核心。

软件优化方面，一部分优化电源管理，协调各个模块之间的工作时间；另一部分优化自适应和扩频编解码算法，降低MCU及DSP工作频率，提高算法效率，以达到降低资源利用从而降低功耗的目的。

4、扩频通信方式的使用。

扩频通信有抗干扰、抗多径和多个同时应答的优点，但计算量也会随之增加，如图6所示，本实用新型对数字处理单元也进行了低功耗设计，采用低功耗数字信号处理器和低功耗外围设备。此外，由于多个水声应答器需要长时间工作于水下，并且能够响应甲板控制单元的编码指令，实现同一水域的多个目标定位。因此，甲板控制单元在测距的同时必须能够识别应答器的地址码信息，参照无线移动网CDMA中多用户分区的概念，利用较小的发射功率覆盖某一区域内的应答器，而该区中的应答器拥有不同的组号，相同的组号中又拥有互相关性很小的地址码号，利用两层搜寻方式大大提高了地址码的识别效率。

以往应答器采用FSK编码较大的一个缺点是无法克服码间干扰的影响，当多个应答器相继回应时，甲板控制单元接收到的信号在时间和频率点可能会有叠加，此时时域或频域都已经无法辨别信息码。

系统的高精度测距对应答器回波信号形式提出了较高的要求，系统采用扩频调制方式来降低接收机噪声并提高其信噪比，同时有效克服多个应答器同时应答造成的互相干扰问题。

上述实施例所述的超短基线应答器具有以下优点：

1、应答器采用超低功耗设计，可以长时间的在海底待机，并配合甲板控制单元实施海底定位，提高工作效率、降低使用成本。

2、应答器具有电池电量实时检测功能，可以根据甲板控制单元指令，反馈应答器电池电量信息，从而提高系统工作稳定性和应答器回收率。

3、应答器采用宽带扩频技术，一次可同时应答多个应答器，降低系统定位时间，提高工作效率。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.基于扩频通信的超短基线应答器，其特征在于，包括：顺次相连且分别与应答器主板相连的接收预处理单元、模拟值守及控制电路单元、数字处理单元和功放及匹配电路单元；所述接收预处理单元和功放及匹配电路单元与收发合置换能器相连；所述接收预处理单元和模拟值守及控制电路单元为常开电路，所述模拟值守及控制电路单元的单片机模块值守时工作在待机状态，其工作状态由所述模拟值守及控制电路单元唤醒；所述接收预处理单元、模拟值守及控制电路单元、数字处理单元和功放及匹配电路单元内均由所述单片机模块控制其供电的通断。

2.如权利要求1所述的基于扩频通信的超短基线应答器，其特征在于，所述数字处理单元和功效及匹配电路单元值守时工作在掉电状态，其供电模块与所述单片机模块相连，由单片机模块控制供电模块的通断。

3.如权利要求1所述的基于扩频通信的超短基线应答器，其特征在于，还包括分别与应答器主板相连的电池组单元和电源转换电路单元，所述电池组单元包括一块电池组，所述电源转换电路单元用于对所述电池组单元的电压进行转换，分别供给所述接收预处理单元、模拟值守及控制电路单元、数字处理单元和功放及匹配电路单元。

4.如权利要求3所述的基于扩频通信的超短基线应答器，其特征在于，所述电源转换电路单元的电路芯片采用DC-DC模块。

5.如权利要求3所述的基于扩频通信的超短基线应答器，其特征在于，所述电源转换电路单元包括顺次相连的两级电压转换模块，第一级电压转换模块采用DC-DC芯片TPS54232，第二级电压转换模块采用DC-DC芯片TPS62050。

6.如权利要求1所述的基于扩频通信的超短基线应答器，其特征在于，所述接收预处理单元和模拟值守及控制电路单元采用电源芯片使能；所述数字处理单元和功放及匹配电路单元采用POWERMOSFET使能电路使能。

7.如权利要求1所述的基于扩频通信的超短基线应答器，其特征在于，所述应答器分配有组号和地址码号，并采用扩频通信方式对其发射的信号进行调制处理。

8.如权利要求1所述的基于扩频通信的超短基线应答器，其特征在于，所述模拟值守及控制电路包括可切换的模拟值守电路和单片机值守电路。

9.如权利要求1-8中任一项所述的基于扩频通信的超短基线应答器，其特征在于，所述单片机采用MSP430F5438单片机；所述数字处理单元的数字处理芯片采用TMS320VC5509A数字信号处理器。

10.如权利要求9所述的基于扩频通信的超短基线应答器，其特征在于，还包括电池电量检测模块，设置在所述电池组单元内，用于实时监测电池组单元内电池组的电量。

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