CN202939157U - 海洋跃层探测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种海洋跃层探测仪，包括温度传感器、超声换能器、超声传感器驱动模块、限幅电路模块、高频放大电路模块、带通滤波电路模块、检波电路模块、AD转换电路模块、控制器和上位机；温度传感器用于检测超声换能器的温度，并将温度信号发送给控制器，控制器根据该温度信号对接收到的回波信号进行修正；控制器通过超声传感器驱动模块控制着超声换能器超声信号的发送；超声换能器接收到的回波信号依次通过限幅电路模块、高频放大电路模块、带通滤波电路模块，实现了回波信号的限副、高频放大和滤波；检波电路模块从回波信号中分离出含有跃层信息信号，经过AD转换模块转换后送给控制器；控制器接收到含有跃层信息信号发送给上位机。

Description

海洋跃层探测仪

技术领域

本实用新型属于海洋跃层信息检测和分析仪技术领域，具体涉及一种海洋跃层探测仪。

背景技术

海洋跃层是指由于海水密度的垂直梯度达到一定标准的层次，常见由温度和盐度的垂直梯度分布造成的海洋温度跃层和盐度跃层。温跃层是海水温度要素在铅直方向上出现突变，梯度值达到一定标准（水深大于200米的深水区最低指标0.05°C/m；小于200米的浅水为0.2°C/m），并具有一定厚度和深度的水层。温跃层处因密度跃变较大，可以为水下活动载体提供活动的“液体海底”，便于其设伏和隐蔽攻击；同时，波动也会导致水下活动载体潜航超过最大下潜深度，使其受到损坏；另外，温跃层对海洋生物活动和海上渔业生产也有重要影响，因而，获取温跃层信息，具有重要的军事意义和社会应用价值。

目前，获取温跃层特征信息的手段一般采用温度、盐度仪器测量的温度、盐度等资料进行分析得到，比如利用CTD、XBT等仪器观测到的温度和盐度资料进行跃层信息分析来获取跃层特征信息的方式，结果较精确，是研究海洋跃层的重要手段，但是这种方式耗时耗力，效率低，花费较大，数据的时间和空间分辨率也不高。另外，利用数值预报模式模拟的跃层特征要素，由于目前的预报精度和时效性问题，使得该手段还不十分成熟。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种海洋跃层探测仪，该探测仪实现对海洋跃层的声学探测，解决了跃层信息获取时效性差的问题。

本实用新型的技术方案如下：海洋跃层探测仪，包括温度传感器、超声换能器、超声传感器驱动模块、限幅电路模块、高频放大电路模块、带通滤波电路模块、检波电路模块、AD转换电路模块、控制器和上位机；其中：

温度传感器用于检测超声换能器的温度，并将检测到的温度信号发送给控制器，控制器根据该温度信号的变化对接收到的回波信号进行修正；

控制器通过超声传感器驱动模块控制着超声换能器超声信号的发送；

超声换能器接收到的回波信号依次通过限幅电路模块、高频放大电路模块、带通滤波电路模块，实现了回波信号的限副、高频放大和滤波，高频放大和滤波处理均由控制器控制实现；

检波电路模块从带通滤波电路模块输出的回波信号中分离出含有跃层信息信号，然后经过AD转换模块转换后送给控制器；控制器接收到跃层信息信号发送给上位机，上位机对接受到的跃层信息信号进行消除噪声和提取跃层信息。

优先方案，所述的超声换能器的材质为锆钛酸钡。

优选方案，所述的超声换能器的发射频率为200KHz和250KHz两种。

优选方案，所述的温度传感器采用温敏电阻实现。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：解决了跃层信息获取时效性差的问题，实时获取到高时空分辨率海洋跃层特征信息，为快速获取海洋跃层分布特征提供了一种有效的探测手段。

附图说明

图1为本实用新型的方框示意图；

图2为本实用新型一个具体实施例方框示意图；

图3为探测仪超声传感器驱动模块驱动电路示意图；

图4为探测仪检波电路示意图；

图5为为本实用新型控制器软件处理流程示意图；

图6为探测仪跃层信息提取工作流程。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述。

海洋跃层探测仪，包括温度传感器、超声换能器、超声传感器驱动模块、限幅电路模块、高频放大电路模块、带通滤波电路模块、检波电路模块、D转换电路模块、控制器和上位机；其中：

温度传感器用于检测超声换能器的温度，并将检测到的温度信号发送给控制器，控制器根据该温度信号的变化对接收到的回波信号进行修正；

控制器通过超声传感器驱动模块控制着超声换能器超声信号的发送；

超声换能器接受到的回波信号依次通过限幅电路模块、高频放大电路模块、带通滤波电路模块，实现了回波信号的限副、高频放大和滤波，高频放大和滤波处理均由控制器控制实现；

检波电路模块从带通滤波电路模块输出的回波信号中分离出含有跃层信息信号，然后经过AD转换模块转换后送给控制器；控制器接受到跃层信息信号发送给上位机，上位机对接收到的含有跃层信息信号进行消除噪声和提取跃层信息。

优先方案，所述的超声换能器的材质为锆钛酸钡。

优选方案，所述的超声换能器的发射频率为200KHz和250KHz两种。

优选方案，所述的温度传感器采用温敏电阻实现。

图2为本实用新型探测仪一个具体实施例，其中中央处理器发出发射声波的指令，通过超声传感器驱动模块，在超声传感器激发超声波脉冲；超声波进入海水介质后，遇到海水介质的剧烈变化产生回波，回波回传至声波换能器，通过门限判断，滤波和选频电路，得到声回波信号；将声回波信号上传到上位机，通过信息预处理模块，对回波信号进行预处理，将回波信号有用信息和噪声分离，得到跃层有关的声信号，进入下一步的信息特征提取。通过跃层特征信息提取模块的算法，得到跃层信息，并通过跃层分析与显示模块提供给用户使用。

图3中超声传感器驱动模块采用两级放大方式，产生MOSFET的驱动电压，MOSFET开关电路驱动高频变压器，激励出高达800V的高频脉冲，并通过变压器的次级线圈实现阻抗变换，使得发射电路具有较低输出阻抗，同时变压器的漏感实现与超声波换能器静态电容CO的谐振，使得传感器在工作时呈纯阻性，并获得最大功率输出。

图4采用检波电路，将接收到的信号，经过LC滤波，然后进入由日本ROHM公司制造的无线解码器，本IC具有8DBuV的接收灵敏度，同时具有信号接受强度指示器(RSSI)，本电路正是使用该特性输出200KHz的信号的强度指示电平，并经过高精度ADC转换，得到回波的强度。其中，电容采用高温度稳定性的NPO材质的器件，由R25、C24组成RC高通滤波器，R24作为放大器的负反馈电阻，将显著稳定本电路的静态工作点，提高放大电路的稳定性。

图5为探测仪控制器的软件处理流程：打开电源后，仪器开始初始化，在默认的参数设置下，通过超声换能器驱动电路发送超声波激励脉冲，经过短暂静默后，开始接收超声回波信号，并将水表噪声数据去除，如果此时仪器自动调节出发电压，则循环查找最高回波电平，提取出有效的回波信号，如果触发电压设置为手动，则依据已设置的触发电平，提取有效回波，接着对已分析出的有效回波，提取水底的回波信号，计算水底深度，测量电池电压，然后，在显示屏上显示回波信号，水底深度和超声工作频率等信息，然后，发送数据至上位机，在程序运行中，监测按键是否有操作，如果有则进入参数设置程序，然后，准备进入下次测量，如果没有按键操作，则在发送数据后，直接进入下次测量。

图6跃层信息提取流程为：首先将探测仪控制器得到的声回波信号，经过底回波识别、盲区和多次回波去除、去噪、最小相位处理等预处理后得到回波信号最大限度地剔除了噪音，并且比较稳定；再利用层剥算法对其进行处理得到初步反演结果，采用经验正交函数法对温度剖面进行简化分析，根据拟合的T-S关系由温度剖面计算盐度剖面，建立以温度和盐度为反演对象的简化反演模型，得到跃层温盐参数的初始值，可作为后面跃层温盐参数优化模型的初始群体分布；基于分层介质模型构建海洋跃层信息正演模型，通过构建跃层信息反演最优模型，采用遗传算法对跃层参数搜索寻优，当计算得到回波和实际待反演回波匹配时，即认为找到最优解。

具体方案如下：

超声换能器承担着发射和接收超声波的作用，因而对其参数的选定必须十分谨慎。深海跃层的精细结构的声散射问题由B.C.Γocteb等人于1984年进行实验研究。E.Collbourne和A.E.Hay于1986年用频率为192KHz的窄带脉冲得到水下47米处卷流跃层的散射信号。20世纪90年代，在我国南黄海进行的连续三年海上实验，选用不同频率的声信号，对浅海温度跃层的声散射现象进行了研究，并将实验结果和浮游生物的采样进行了比较，得出散射信号主要是跃层的贡献。依据前述研究，将超声换能器的发射频率确定为200KHz和250KHz两种，信号脉宽小于1ms，为了消除旁瓣干扰，发射开角和接收开角都<9°；接收灵敏度高于-180dB//1V/μPa，换能器的材质为锆钛酸钡。

超声传感器驱动模块部分采用两级放大方式使信号发生器中的信号在工作时呈纯阻性，获得最大功率输出；检波电路对接收回波进行选频放大。由于换能器的工作频率200KHz和250KHz，所以分别设计了200KHz、250KHz的选频放大电路图，因考虑到该仪器应用在甲板高温环境下，因此，电容采用具有高温度稳定性的NPO材质的器件，使得本专利具有优于常规RC选频网络的温度稳定性。

为了能够尽可能地采集到原始回波信号，控制器选用32位的S3C44BOx处理器，该处理器采用32位的ARM7TDMI RISC处理器（66MHz），集成了Thumb代码压缩器，片上的ICE支持断点调试，32位的硬件乘法器具有较高的运算能力，同时采用低功耗和全静态设计，使得微控制器解决方案具备较高的性能和高性价比，并且，S3C44BOX提供全面的，通用的片上外设，大大减少了系统电路中除处理器以外的原件配置，最小化了系统成本。

因超声换能器的温度是海洋跃层提取的重要条件，并且，该温度也为换能器的性能状态提供修正依据，因而加入了温度传感器，该温度传感器采用温敏电阻进行温度监测。

上位机软件部分：

上位机中的海洋跃层信息提取模块以WindowsXP、Visial C++6.0、SQL数据库管理软件为运行环境，主要包括水下超声信号预处理模块、跃层信息提取模块和海洋跃层分析与显示模块。实际海洋环境充斥着各种噪声，并且，由于仪器电路自身的干扰，也会引进一定的噪声，因而，直接转换后的数字信号是有用信息和噪声的叠加（下称含噪信号）。如果直接对含噪信号进行分析，所得结果有可能受到噪声的影响，导致海洋跃层特征信息的误判，必须采用合适的方法对信号进行处理以消除噪声的影响，然后进行提取处理。

Claims (4)

1.海洋跃层探测仪，其特征在于，包括温度传感器、超声换能器、超声传感器驱动模块、限幅电路模块、高频放大电路模块、带通滤波电路模块、检波电路模块、AD转换电路模块、控制器和上位机；其中：

温度传感器用于检测超声换能器的温度，并将检测到的温度信号发送给控制器，控制器根据该温度信号的变化对接收到的回波信号进行修正；

控制器通过超声传感器驱动模块控制着超声换能器超声信号的发送；

超声换能器接收到的回波信号依次通过限幅电路模块、高频放大电路模块、带通滤波电路模块，实现了回波信号的限副、高频放大和滤波，高频放大和滤波处理均由控制器控制实现；

检波电路模块从带通滤波电路模块输出的回波信号中分离出含有跃层信息信号，然后经过AD转换模块转换后送给控制器；控制器接收到跃层信息信号发送给上位机，上位机对接收到的含有跃层信息信号进行消除噪声和提取跃层信息。

2.根据权利要求1所述的海洋跃层探测仪，其特征在于，所述的超声换能器的材质为锆钛酸钡。

3.根据权利要求1所述的海洋跃层探测仪，其特征在于，所述的超声换能器的发射频率为200KHz和250KHz两种。

4.根据权利要求1所述的海洋跃层探测仪，其特征在于，所述的温度传感器采用温敏电阻实现。

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