CN206470601U - 一种装载于无人船上的声呐系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种装载于无人船上的声呐系统，包括无人船控制系统，无人船控制系统内设置有DSP处理器、电机控制电路、舵机控制电路、陀螺仪、加速度计及声呐处理系统；声呐处理系统内设置有发射电路、发射机、发射换能器、接收换能器、模拟信号调理电路及并行处理电路，DSP处理器连接发射电路，发射电路连接发射机，发射机连接发射换能器，接收换能器连接模拟信号调理电路，模拟信号调理电路连接并行处理电路，并行处理电路连接DSP处理器，发射换能器通过信号连接方式与接收换能器连接；通过声呐实现无人船行驶过程中的水下避险操作，对水下物体进行定位、导航、跟踪，避免在行驶过程中触礁；采用无人船技术对待采水样进行采集分析。

Description

一种装载于无人船上的声呐系统

技术领域

本实用新型涉及无人船、智能控制、水样采集、声呐等技术领域，具体的说，是一种装载于无人船上的声呐系统。

背景技术

声呐是英文缩写“SONAR”的音译，其中文全称为：声音导航与测距，SoundNavigation And Ranging”是一种利用声波在水下的传播特性，通过电声转换和信息处理，完成水下探测和通讯任务的电子设备。它有主动式和被动式两种类型，属于声学定位的范畴。声呐是利用水中声波对水下目标进行探测、定位和通信的电子设备，是水声学中应用最广泛、最重要的一种装置。

作为一种声学探测设备，主动式声呐是在英国首先投入使用的，不过英国人把这种设备称为"ASDIC"（潜艇探测器），美国人称其为"SONAR"，后来英国人也接受了此叫法。

由于电磁波在水中衰减的速率非常的高，无法做为侦测的讯号来源，以声波探测水面下的人造物体成为运用最广泛的手段。无论是潜艇或者是水面船只，都利用这项技术的衍生系统，探测水底下的物体，或者是以其作为导航的依据。

作远距离传输的能量形式。于是探测水下目标的技术——声呐技术便应运而生。

声波是观察和测量的重要手段。有趣的是，英文“sound”一词作为名词是“声”的意思，作为动词就有“探测”的意思，可见声与探测关系之紧密。

在水中进行观察和测量，具有得天独厚条件的只有声波。这是由于其他探测手段的作用距离都很短，光在水中的穿透能力很有限，即使在最清澈的海水中，人们也只能看到十几米到几十米内的物体；电磁波在水中也衰减太快，而且波长越短，损失越大，即使用大功率的低频电磁波，也只能传播几十米。然而，声波在水中传播的衰减就小得多，在深海声道中爆炸一个几公斤的炸弹，在两万公里外还可以收到信号，低频的声波还可以穿透海底几千米的地层，并且得到地层中的信息。在水中进行测量和观察，至今还没有发现比声波更有效的手段。

水样是指为检验水体中各种规定的特征，不连续或连续地从特定的水体中取出的有代表性的一部分。从采样时间上分，可分为瞬时水样和混合水样；从采样浓度上分，可分为表层水样、中层水样和底层水样；从测试项目分，可分为水质水样和生物水样。水样的代表性是分析测试准确性和评价结论可靠性的前提，而为了保证水样的代表性，必须选择具有代表性的监测断面或监测点位，采用规范化的采样方法，在规定的时段内采集样品，并及时、有效地将所采集水样加以稳定。

无人船是一种新型的水上监测平台，其以河川、湖泊、水库、海岸及港湾等水域为对象，以小型船舶为载体，集成定位导航、通讯与控制设备，可搭载多种监测传感器，以遥控/自主的工作方式完成特定水文和水环境要素监测。由于无人船具有布设灵活、成本经济、自动测量等特点，在水文要素观测、水环境监测、水库及河道泥沙淤积量评估、水利工程选址和水下考古等方面具有广阔的应用前景。

实用新型内容

本实用新型的目的在于设计出一种装载于无人船上的声呐系统，通过声呐技术实现无人船行驶过程中的水下避险操作，并可对水下物体进行定位、导航、跟踪，以期能够达到避免在行驶过程中触礁的情况发生；并且采用无人船技术对待采水样进行采集，利用多种分析仪对所采集的不同位置的水体进行分析，能够实时的得出该水体所处水位、浊度、所含化学成分的量值，水体酸碱性以及水体温度信息，为进一步的对该区域内的水体进行净化处理提供原始的数据信息，以便能够制定出优化的水体净化处理策略；同时采用无人船技术进行水样采集，可以进一步的降低人工成本的投入，其所采水体比之人工采集更具代表性。

本实用新型通过下述技术方案实现：一种装载于无人船上的声呐系统，包括无人船控制系统，所述无人船控制系统内设置有DSP处理器、电机控制电路、舵机控制电路、陀螺仪、加速度计及声呐处理系统，所述DSP处理器分别连接电机控制电路、舵机控制电路、陀螺仪、加速度计及声呐处理系统；所述声呐处理系统内设置有发射电路、发射机、发射换能器、接收换能器、模拟信号调理电路及并行处理电路，所述DSP处理器连接发射电路，所述发射电路连接发射机，所述发射机连接发射换能器，所述接收换能器连接模拟信号调理电路，所述模拟信号调理电路连接并行处理电路，所述并行处理电路连接DSP处理器，所述发射换能器通过信号连接方式与接收换能器连接。

进一步的为更好的实现本实用新型，能够对主控制系统的供电电源进行检测，防止由于供电不稳定而出现系统故障，特别设置成下述结构：所述无人船控制系统内还设置有电源检测电路，所述电源检测电路连接DSP处理器。

进一步的为更好的实现本实用新型，特别采用下述设置结构：所述无人船控制系统内还设置有数据采集系统，所述数据采集系统包括水样采集系统、FPGA处理器、存储器电路及通信导航平台，所述水样采集系统连接FPGA处理器，所述FPGA处理器分别连接存储器电路、通信导航平台和DSP处理器。

进一步的为更好的实现本实用新型，能够提高FPGA处理器的处理性能，并且能够对所采集的水样信息进行备份，以便后期调阅，特别设置有下述结构：所述存储器电路内设置有铁电存储器和SD卡，所述FPGA处理器分别连接铁电存储器和SD卡。

进一步的为更好的实现本实用新型，能够提高FPGA处理器的处理性能，提升其数据处理速度，特别设置成下述结构：所述存储器电路内还设置有随机存储器，所述随机存储器连接FPGA处理器。

进一步的为更好的实现本实用新型，能够与后台管理者进行无线通信，并且能够对无人船进行精准导航，特别设置有下述结构：所述通信导航平台内设置有无线电台和北斗导航系统，所述FPGA处理器分别与无线电台和北斗导航系统连接。

进一步的为更好的实现本发明，能够使FPGA处理器与DSP处理器之间的数据传输更具匹配性，提升整个主控制系统的处理性能，特别采用下述设置结构：所述DSP处理器通过双口RAM与FPGA处理器连接。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本实用新型通过声呐技术实现无人船行驶过程中的水下避险操作，并可对水下物体进行定位、导航、跟踪，以期能够达到避免在行驶过程中触礁的情况发生；并且采用无人船技术对待采水样进行采集，利用多种分析仪对所采集的不同位置的水体进行分析，能够实时的得出该水体所处水位、浊度、所含化学成分的量值，水体酸碱性以及水体温度信息，为进一步的对该区域内的水体进行净化处理提供原始的数据信息，以便能够制定出优化的水体净化处理策略；同时采用无人船技术进行水样采集，可以进一步的降低人工成本的投入，其所采水体比之人工采集更具代表性。

本实用新型利用嵌入式系统技术优势，提高控制系统的兼容性和可扩展性、以及远程维护和升级能力，利用嵌入式系统能耗低的特点，提高无人船的续航能力，利用DSP处理器强大的数字信号处理能力，提高对于控制算法的处理能力，实现复杂的控制算法。

本实用新型综合了FPGA和DSP处理器的优势，主控制系统集成度高；充分利用嵌入式系统高开放性、高运行效率、低能耗、跨平台和性能稳定等优势，提高了主控制系统的兼容性和可扩展性，以及远程维护和升级的能力。

本实用新型具有科学合理、设计先进、处理效率高等特点。

附图说明

图1为本实用新型所述声呐处理系统结构图。

图2为本实用新型所述结构图。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1：

一种装载于无人船上的声呐系统，如图1、图2所示，特别设置成下述结构：包括无人船控制系统，所述无人船控制系统内设置有DSP处理器、电机控制电路、舵机控制电路、陀螺仪、加速度计及声呐处理系统，所述DSP处理器分别连接电机控制电路、舵机控制电路、陀螺仪、加速度计及声呐处理系统；所述声呐处理系统内设置有发射电路、发射机、发射换能器、接收换能器、模拟信号调理电路及并行处理电路，所述DSP处理器连接发射电路，所述发射电路连接发射机，所述发射机连接发射换能器，所述接收换能器连接模拟信号调理电路，所述模拟信号调理电路连接并行处理电路，所述并行处理电路连接DSP处理器，所述发射换能器通过信号连接方式与接收换能器连接。

所述陀螺仪与加速度计上的数据经卡尔曼滤波对传感器进行补偿以及信息融合后，获得姿态角度信号，其中，角度信号通过电机控制电路结合DSP处理器运算，输出PWM信号通过舵机控制电路对舵机进行控制操作；所述声呐处理系统，通过线性频率调制连续波雷达测量所述无人船与水下目标物之间距离与相对速度，并通过所述DSP处理器对采集的实时信息进行分析，判断当前所述无人船航行安全状态，其中，换能器（发射换能器和接收换能器）是声呐中的重要器件，它是声能与其它形式的能如机械能、电能、磁能等相互转换的装置。它有两个用途：一是“发射换能器”在水下发射声波，相当于空气中的扬声器；二是“接收换能器”在水下接收声波，相当于空气中的传声器（俗称“麦克风”或“话筒”）。换能器的工作原理是利用某些材料在电场或磁场的作用下发生伸缩的压电效应或磁致伸缩效应。

所述接收换能器内部含有模拟信号调理电路，能够将换能器的模拟信号实时地转换成数字信号并通过IP网络实时传输到并行处理电路进行相关的信号处理。DSP处理器利用与之相连接的发射电路实时控制发射信号的功率、发射帧率、采集时刻等；接收换能器部分负责将接收换能器接收的模拟信号进行信号调理，包括放大、滤波、自动增益控制（AGC），并按照400kHz采样率转换成数字信号，然后通过网络传输到并行处理电路内。

实施例2：

本实施例是在上述实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好的实现本实用新型，能够对主控制系统的供电电源进行检测，防止由于供电不稳定而出现系统故障，如图1、图2所示，特别设置成下述结构：所述无人船控制系统内还设置有电源检测电路，所述电源检测电路连接DSP处理器。

所述电源检测电路，用于检测所述无人船的电池电压信号，并通过简单电压对比法对电池剩余电量进行计算，判断无人船续航能力；同时能够对电池供电稳定度进行检测，防止由于供电不稳定而出现系统故障。

实施例3：

进一步的为更好的实现本实用新型，如图1、图2所示，特别采用下述设置结构：所述无人船控制系统内还设置有数据采集系统，所述数据采集系统包括水样采集系统、FPGA处理器、存储器电路及通信导航平台，所述水样采集系统连接FPGA处理器，所述FPGA处理器分别连接存储器电路、通信导航平台和DSP处理器。

所述水样采集系统对不同位置的水体进行采集，并通过内设的气敏传感器、浊度分析仪、液位仪、水温分析仪及PH值检测仪进行技术分析，从而确定不同位置处的水体化学成分含量值、浊度、水温、PH酸碱性；并将采集到的水样数据传送至所述FPGA处理器。

实施例4：

本实施例是在上述实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好的实现本实用新型，能够提高FPGA处理器的处理性能，并且能够对所采集的水样信息进行备份，以便后期调阅，如图1、图2所示，特别设置有下述结构：所述存储器电路内设置有铁电存储器和SD卡，所述FPGA处理器分别连接铁电存储器和SD卡，所述SD卡可将经过分析后的水样数据信息进行存储。

实施例5：

本实施例是在上述实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好的实现本实用新型，能够提高FPGA处理器的处理性能，提升其数据处理速度，如图1、图2所示，特别设置成下述结构：所述存储器电路内还设置有随机存储器，所述随机存储器连接FPGA处理器。

实施例6：

本实施例是在实施例3或4或5的基础上进一步优化，进一步的为更好的实现本实用新型，能够与后台管理者进行无线通信，并且能够对无人船进行精准导航，如图1、图2所示，特别设置有下述结构：所述通信导航平台内设置有无线电台和北斗导航系统，所述FPGA处理器分别与无线电台和北斗导航系统连接。所述无线电台和北斗导航系统的设置用于预先给无人船输入航线，无线通信管理及导航；所述无线电台将所述无人船的当前位置、速度和状态等参数传送至后台的地面监控系统；所述FPGA处理器通过所述无线电台将采集到的所述水下测深数据传送至后台的地面监控系统。

实施例7：

本实施例是在实施例3-6任一实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好的实现本发明，能够使FPGA处理器与DSP处理器之间的数据传输更具匹配性，提升整个主控制系统的处理性能，如图1、图2所示，特别采用下述设置结构：所述DSP处理器通过双口RAM与FPGA处理器连接。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种装载于无人船上的声呐系统，其特征在于：包括无人船控制系统，所述无人船控制系统内设置有DSP处理器、电机控制电路、舵机控制电路、陀螺仪、加速度计及声呐处理系统，所述DSP处理器分别连接电机控制电路、舵机控制电路、陀螺仪、加速度计及声呐处理系统；所述声呐处理系统内设置有发射电路、发射机、发射换能器、接收换能器、模拟信号调理电路及并行处理电路，所述DSP处理器连接发射电路，所述发射电路连接发射机，所述发射机连接发射换能器，所述接收换能器连接模拟信号调理电路，所述模拟信号调理电路连接并行处理电路，所述并行处理电路连接DSP处理器，所述发射换能器通过信号连接方式与接收换能器连接。

2.根据权利要求1所述的一种装载于无人船上的声呐系统，其特征在于：所述无人船控制系统内还设置有电源检测电路，所述电源检测电路连接DSP处理器。

3.根据权利要求1或2所述的一种装载于无人船上的声呐系统，其特征在于：所述无人船控制系统内还设置有数据采集系统，所述数据采集系统包括水样采集系统、FPGA处理器、存储器电路及通信导航平台，所述水样采集系统连接FPGA处理器，所述FPGA处理器分别连接存储器电路、通信导航平台和DSP处理器。

4.根据权利要求3所述的一种装载于无人船上的声呐系统，其特征在于：所述存储器电路内设置有铁电存储器和SD卡，所述FPGA处理器分别连接铁电存储器和SD卡。

5.根据权利要求4所述的一种装载于无人船上的声呐系统，其特征在于：所述存储器电路内还设置有随机存储器，所述随机存储器连接FPGA处理器。

6.根据权利要求5所述的一种装载于无人船上的声呐系统，其特征在于：所述通信导航平台内设置有无线电台和北斗导航系统，所述FPGA处理器分别与无线电台和北斗导航系统连接。

7.根据权利要求6所述的一种装载于无人船上的声呐系统，其特征在于：所述DSP处理器通过双口RAM与FPGA处理器连接。

8.根据权利要求3所述的一种装载于无人船上的声呐系统，其特征在于：所述存储器电路内还设置有随机存储器，所述随机存储器连接FPGA处理器。

9.根据权利要求3所述的一种装载于无人船上的声呐系统，其特征在于：所述通信导航平台内设置有无线电台和北斗导航系统，所述FPGA处理器分别与无线电台和北斗导航系统连接。

10.根据权利要求3所述的一种装载于无人船上的声呐系统，其特征在于：所述DSP处理器通过双口RAM与FPGA处理器连接。