CN205157777U - 一种基于跳频信号的全自动超声波测深仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于跳频信号的全自动超声波测深仪，由干端和湿端两部分组成，干端包括主机、显控软件和电子系统，湿端包括换能器；电子系统包括数字处理板、接收机和发射机，其中，数字处理板完成信号的处理和检测，接收机和发射机完成信号的收发，所述接收机完成回波信号的匹配、滤波和放大，由依次连接的前级放大模块、动态范围调节电路、二级增益放大模块、带通滤波器和后级增益放大模块组成，动态范围调节电路与DA控压模块连接；动态范围调节电路采用VCA810压控增益放大器，达到信号归一化放大。通过设置动态范围调节电路，实现信号归一放大，使得所有目标信号被有效记录，结构设计合理，作用效果明显，适于广泛应用。
Description
技术领域
本实用新型属于海洋探测技术领域，涉及一种超声波海底地形测量仪，具体指一种基于跳频信号的全自动超声波测深仪。
背景技术
近年来，海洋事业高速发展，日益成为世界各国科技、经济与军事竞争的焦点。我国近海大陆架、沿江及湖泊等浅水区域是主要的海上经济活动区，海洋开发和海洋工程如港口建设及海上采油都集中在近海，而且大部分是浅海。水利工程、港口码头等设施也在不断的增多，海底地形测量是海上交通运输、航道疏浚、海底电缆铺设和海底施工等工程必须的作业，所以需要一种使用灵活的、低成本、高精度的海底地形测量仪器。
超声波测深仪用途十分广泛，是一种适用于江河湖泊、水库航道、港口码头、沿海、深海的水下断面和水下地形测量，以及实现导航、水下物探等诸多水域的水深和地形测量。
超声波测深仪经历了模拟、模拟与数字结合以及全数字化三个阶段。目前国内外产品很多，市场上的主流产品是全数字化的测深仪，将计算机技术和微处理器技术应用到仪器中，实现了高质量的回波信号采集、传输及信号处理，仪器的小型化、智能化、数字化也趋于成熟。但是在回波信号的采集、预处理中仍存在不足，例如通用滤波器性能较为一般，设备整机指标不高、噪声过大、尺寸较大集成化低等技术问题。
实用新型内容
本实用新型针对上述技术问题，提供了一种基于跳频信号的全自动超声波测深仪。
本实用新型采取以下技术方案：
一种基于跳频信号的全自动超声波测深仪，由干端和湿端两部分组成，干端包括主机、显控软件和电子系统，湿端包括换能器；电子系统包括数字处理板、接收机和发射机，其中，数字处理板完成信号的处理和检测并发送给显控软件，接收机和发射机完成信号的收发，所述接收机由依次连接的前级增益放大模块、动态范围调节电路、二级增益放大模块、带通滤波器和后级增益放大模块组成，动态范围调节电路与DA控压模块连接；所述动态范围调节电路采用VCA810压控增益放大器，通过DA控压模块改变控压，达到信号归一化放大。
作为优化方案，所述发射机发射的信号为跳频信号，实现高效率的大功率发射信号，使得信号作用距离和距离分辨率同时兼得。
作为优化方案，所述干端由主机、显示器和电子系统集成为一体。
作为优化方案，所述发射机采用开关发射机。
本实用新型的有益效果是：通过在接收机的两级放大电路之间设置动态范围调节电路，实现信号归一放大，从而使得所有目标信号被有效记录，优化了滤波器的性能，提高了设备的集成度；采用基于跳频信号的开关发射机，实现高效率的大功率发射，同时解决了测深仪距离分辨力与作用距离不能兼得的问题；结构设计合理，作用效果明显，适于广泛应用。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为动态范围调节电路连接示意图；
图3为发射机工作原理框图；
图4为跳频信号的自相关示意图。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本实用新型及其效果作进一步阐述。
超声波测深仪由干端和湿端两部分组成，干端包括主机、显控软件和电子系统，湿端包括换能器；为提高设备的集成度，通过模块化设计将主机、显控软件和电子系统集成为一体。电子系统包括数字处理板、接收机和发射机，其中，数字处理板完成信号的处理和检测并发送给显控软件，接收机和发射机完成信号的收发。超声波测深仪的工作过程如下：（1）干端发射信号，发射功率按量程自动调整，通过换能器变换成声波在水中传输；（2）声波到达海底被反射，反射信号由换能器接收变换成电信号；（3）接收机接收该电信号，并对信号进行预处理、自动增益控制和匹配滤波，提取出海底回波；（4）由回波信号通过底检测和底跟踪算法，测量出海底的深度和地形起伏。
针对背景技术指出的问题对接收机进行改进，使其完成回波信号的匹配、滤波和放大。如图1所示，接收机由依次连接的前级放大模块、动态范围调节电路、二级增益放大模块、带通滤波器和后级增益放大模块组成，动态范围调节电路与DA控压模块连接，实现回波信号的归一化放大；其中，动态范围调节电路采用VCA810压控增益放大器，通过DA控压模块改变控压，进而改变VCA810的增益实现信号归一化放大的目的。因测深仪要记录从近到远所有目标的散射回波，通常回波信号强度动态范围大，超过120dB，为了使整个目标从近到远均匀计算，必须对信号实现归一化放大；在前级和二级放大电路之间设置动态范围调节电路即可完成此功能。压控增益放大器VCA810，单片具有80分贝的线性可控增益，带宽可达15MHz。在这里我们选取两片VCA810，通过DA控压模块改变控压，进而改变VCA810的增益。动态范围调节电路连接示意图如图2所示。
发射机主要完成小信号的驱动、功率放大和匹配；为了增加发射效率，减少发射电路体积，并考虑到发射效率、散热、可靠性等诸多方面的因素，发射机采用开关发射机。开关发射机的主回路是MOS管D类推挽功率放大电路。D类放大器是一种相对于线性放大器来说的准线性放大器，它的主要优点是效率高，此类放大器的效率可高达90%以上，可以做到高效率的大功率发射。发射机工作过程如下：发射信号依次经隔离、驱动、功率放大和匹配电路；高速光耦隔离能减少信号源和发射机之间的相互干扰；发射信号驱动电路提高了信号的驱动能力，可以驱动后面的功率放大级；功率放大电路将发射信号放大到足够的功率以推动发射换能器，功放电路的设计主要考虑输出功率和效率；匹配电路主要实现功放输出和发射换能器的功率匹配，同时还有补偿发射电压频率响应和消振功能。发射机工作原理框图如图3所示。
发射机发射的信号为跳频信号，可实现测深仪高的距离分辨力和远作用距离，解决了目前测深仪的距离分辨力和作用距离不能兼得的技术问题。跳频信号是由N个子CW脉冲组成，信号频点均在换能器带宽范围内，各脉冲的脉宽均为T，频率分别为f(i)，子脉冲频率f(i)的排列顺序按照Costas阵列确定，这样的排列能够确保相邻频率排列在一起的次数只有一次，分析表明，这样的信号具有尖锐的主瓣和较低的旁瓣，接近理想的图钉形模糊度函数分布，跳频信号的自相关示意图如图4所示。
跳频信号的优点有三点：(1)选择长脉冲的跳频信号进行脉冲压缩可以得到高的距离分辨力；(2)在大深度和环境恶劣的情况下，可以得到高的处理增益，增加作用距离；(3)在有干扰信号的情况下，利用跳频信号的相关特性可以剔除干扰，防止错误测深结果的出现。
以上实施例仅是示例性的，并不会局限本实用新型，应当指出对于本领域的技术人员来说，在本实用新型所提供的技术启示下，所做出的其它等同变型和改进，均应视为本实用新型的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于跳频信号的全自动超声波测深仪，由干端和湿端两部分组成，干端包括主机、显控软件和电子系统，湿端包括换能器；电子系统包括数字处理板、接收机和发射机，其中，数字处理板完成信号的处理和检测并发送给显控软件，接收机和发射机完成信号的收发，其特征在于：所述接收机由依次连接的前级增益放大模块、动态范围调节电路、二级增益放大模块、带通滤波器和后级增益放大模块组成，动态范围调节电路与DA控压模块连接；所述动态范围调节电路采用VCA810压控增益放大器，通过DA控压模块改变控压，达到信号归一化放大。
2.根据权利要求1所述的一种基于跳频信号的全自动超声波测深仪，其特征在于：所述发射机发射的信号为跳频信号。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于跳频信号的全自动超声波测深仪，其特征在于：所述干端由主机、显示器和电子系统集成为一体。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于跳频信号的全自动超声波测深仪，其特征在于：所述发射机采用开关发射机。
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