CN208350983U - 一种脉冲相位组合式海洋搜寻系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种脉冲相位组合式海洋搜寻系统，系统包括安装于待回收海洋探测设备上的信标机和操作于甲板上的回收机，信标机包括安装天线的金属舱，金属舱内设置为信标机供电的电源，主控板以及与主控板电连接并在其控制下工作的LoRa模块和射频电路，回收机包括安装三根天线的防护箱，三根天线呈等边三角形形状排列组成天线阵，防护箱内设置为回收机供电的电源，主控板以及与主控板电连接并在其控制下工作的LoRa模块、信号处理电路、测时电路、鉴相电路和电子罗盘。本实用新型所公开的搜寻系统，信标机采用耐高压水密金属保护舱，摆脱了对进口玻璃球舱的依赖，使信标机的体积更小，重量更轻；回收机采用三根天线组成简单的天线阵，三根天线连接同一主控板，解决了时间同步问题。
Description
技术领域
本实用新型属于海洋探测设备回收领域，特别涉及该领域中的一种脉冲相位组合式海洋搜寻系统。
背景技术
随着陆地资源日益紧缺，人类再次将目光投向了占地球面积71%的海洋。21世纪，人类进入了大规模开发利用海洋的时期。为了探索海洋，各式各样的探测设备被陆续研制，投诸实践。这些设备或被投放深海进行探测，或漂浮海面搜集数据，在人类探知海洋的过程中，发挥重要作用。
由于深海洋流难测，海面波浪不定，海洋探测设备往往因此发生位置的不定向偏移，深海探测设备完成探测工作后，其浮出水面的位置往往会偏离投放位置很远，这种位置的偏差会因洋流的作用而难以预先判定，偏差距离往往多达数公里，偏差方向更是未知。
传统的信标机采用GPS采集位置信息，通过数传电台发送出去。GPS模块和数传电台不仅体积较大，而且功耗较高，导致该信标机体型大且功耗高，在恶劣的海洋环境中，这种设计不具有优势，而且这种定位方式完全依赖GPS技术。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题就是提供一种精度高、体积小巧、使用方便且不依赖GPS技术的脉冲相位组合式海洋搜寻系统。
本实用新型采用如下技术方案：
一种脉冲相位组合式海洋搜寻系统，其改进之处在于：系统包括安装于待回收海洋探测设备上的信标机和操作于甲板上的回收机，信标机包括安装天线的金属舱，金属舱内设置为信标机供电的电源，主控板以及与主控板电连接并在其控制下工作的LoRa模块和射频电路，其中LoRa模块还与天线电连接以便接收回收机的启动脉冲信号、计时脉冲信号和发射反馈脉冲信号、射频电路还与天线电连接以便发射特定电磁波；回收机包括安装三根天线的防护箱，三根天线呈等边三角形形状排列组成天线阵，防护箱内设置为回收机供电的电源，主控板以及与主控板电连接并在其控制下工作的LoRa模块、信号处理电路、测时电路、鉴相电路和电子罗盘，其中LoRa模块还与天线电连接以便向信标机发射启动脉冲信号、计时脉冲信号和接收信标机发射的反馈脉冲信号、信号处理电路还与天线电连接以便处理天线接收的信标机发射的特定电磁波，鉴相电路用于测量电磁波到达两天线的相位差，安装在防护箱表面上的显示屏与防护箱内的主控板电连接。
进一步的，信标机的金属舱为耐高压水密金属保护舱，最低可承受深海七千米深的水压；金属舱的底部封盖为开关装置，该开关装置是信标机的总开关。
进一步的，所述的开关装置包括串联在一起的手动开关和水压开关，其中水压开关在承受水压高于设定值时断开、低于设定值时接通。
进一步的，所述的主控板以MCU为核心，具备串口资源和外围电路。
进一步的，所述的LoRa模块在发送或接收脉冲信号后，触发硬件电平表示已发送或已接收。
进一步的，所述的射频电路发射的电磁波为正弦波，并且可以设置初始相位。
进一步的，所述的电源为线性稳压电源。
进一步的，所述信号处理电路包括射频小信号放大器电路和滤波电路，分别用于放大信号和滤除杂波；所述测时电路的分辨率大于等于50皮秒；所述鉴相电路分辨率大于等于1度；所述电子罗盘以正北为参考方向，为回收机提供方向信息；所述显示屏为具有触控功能的串口屏，所述防护箱为便携式防水耐震防护箱。
一种脉冲相位组合式海洋搜寻方法，使用上述的系统，其改进之处在于，包括如下步骤：
（1）回收机使用LoRa模块向信标机发射启动脉冲信号，信标机的LoRa模块收到启动脉冲信号后，其射频电路开始发射正弦电磁波，回收机的三根天线接收到该正弦电磁波时，由于距离信标机的距离不同，三根天线收到的正弦电磁波的相位也不同，利用鉴相电路可以测量电磁波到达两天线的相位差；
（2）回收机使用LoRa模块发射计时脉冲信号，信标机收到后随即发出反馈脉冲信号，回收机收到反馈脉冲信号后，测时电路测算出双程用时；
（3）利用双程用时数据和相位差数据对比可以消除相位模糊；
（4）基于动点到两个定点的距离差为常数时，动点的轨迹是双曲线的原理，利用两个天线的相位差表征时间差，由于光速已知，信标机发射的正弦电磁波到达回收机两个天线的距离差是常数，从而得到一组双曲线，三个天线可以得到三组双曲线，三组双曲线交于一点，该点的方位就是信标机的方位，参照回收机的坐标即可得到信标机相对回收机的距离和方向；
（5）基于电子罗盘提供的方向，显示屏以地图模式显示出信标机的方向及与回收机的相对距离，实现对信标机的定位。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型所公开的搜寻系统，信标机采用耐高压水密金属保护舱，摆脱了对进口玻璃球舱的依赖，使信标机的体积更小，重量更轻；回收机采用三根天线组成简单的天线阵，三根天线连接同一主控板，解决了时间同步问题。
本实用新型所公开的搜寻方法，采用脉冲相位相组合的自主定位方式，通过信标机和回收机之间的电磁波传输就可以实现定位，完全摆脱了对外界定位系统（例如GPS）的依赖，而且定位精度高。将脉冲测时和相位测差相结合，取长补短，利用双程测时解决相位差测量的相位模糊问题，采用解模糊后的相位差数据实现定位，从计算方法的角度提高了定位精度。
附图说明
图1是本实用新型实施例1所公开搜寻系统的组成示意图；
图2是本实用新型实施例1所公开搜寻系统中信标机的组成示意图；
图3是本实用新型实施例1所公开搜寻系统中回收机的组成示意图；
图4是本实用新型实施例1所公开搜寻方法的定位原理示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
实施例1，如图1-3所示，本实施例公开了一种脉冲相位组合式海洋搜寻系统，系统包括安装于待回收海洋探测设备上的信标机和回收机，信标机包括安装天线的金属舱，金属舱内设置为信标机供电的电源，主控板以及与主控板电连接并在其控制下工作的LoRa模块和射频电路，其中LoRa模块还与天线电连接以便接收回收机的启动脉冲信号、计时脉冲信号和发射反馈脉冲信号、射频电路还与天线电连接以便发射特定电磁波；回收机包括安装三根天线的防护箱，三根天线呈等边三角形形状排列组成天线阵，防护箱内设置为回收机供电的电源，主控板以及与主控板电连接并在其控制下工作的LoRa模块、信号处理电路、测时电路、鉴相电路和电子罗盘，其中LoRa模块还与天线电连接以便向信标机发射启动脉冲信号、计时脉冲信号和接收信标机发射的反馈脉冲信号、信号处理电路还与天线电连接以便处理天线接收的信标机发射的特定电磁波，鉴相电路用于测量电磁波到达两天线的相位差，安装在防护箱表面上的显示屏与防护箱内的主控板电连接。
在本实施例中，信标机的金属舱为耐高压水密金属保护舱，最低可承受深海七千米深的水压。
金属舱的底部封盖为开关装置，该开关装置是信标机的总开关。所述的开关装置包括串联在一起的手动开关和水压开关，其中水压开关在承受水压高于设定值时断开、低于设定值时接通。具体的说，在投入海洋前，接通信标机的手动开关，水压开关因未受水压而接通，在被投入海洋的过程中，随着下沉深度的增加，水压开关承受的水压也在增加，增加到大于某一阈值后，水压开关受力断开，信标机断电节能。在深海上升的过程中，水压逐渐减小至小于某一阈值后，水压开关接通，信标机上电工作，此时信标机已浮出水面，可以收发电磁波。
所述的天线为全向天线。所述的主控板以MCU为核心，具备串口资源和外围电路。所述的LoRa模块在发送或接收脉冲信号后，触发硬件电平表示已发送或已接收。所述的射频电路发射的电磁波为正弦波，并且可以设置初始相位。所述的电源为线性稳压电源。所述信号处理电路包括射频小信号放大器电路和滤波电路，分别用于放大信号和滤除杂波；所述测时电路的分辨率大于等于50皮秒；所述鉴相电路分辨率大于等于1度；所述电子罗盘以正北为参考方向，为回收机提供方向信息；所述显示屏为具有触控功能的串口屏，可以进行二次开发，除数据显示之外，还可以动画显示。所述防护箱为便携式防水耐震防护箱。
本实施例还公开了一种脉冲相位组合式海洋搜寻方法，使用上述的系统，包括如下步骤：
（1）回收机使用LoRa模块向信标机发射启动脉冲信号，信标机的LoRa模块收到启动脉冲信号后，其射频电路开始发射正弦电磁波，回收机的三根天线接收到该正弦电磁波时，由于距离信标机的距离不同，三根天线收到的正弦电磁波的相位也不同，利用鉴相电路可以测量电磁波到达两天线的相位差；
（2）回收机使用LoRa模块发射计时脉冲信号，信标机收到后随即发出反馈脉冲信号，回收机收到反馈脉冲信号后，测时电路测算出双程用时；
（3）利用双程用时数据和相位差数据对比可以消除相位模糊；
（4）如图4所示，图中所示A、B和C是回收机的三个全向天线，组成等边三角形天线阵，基线长度已知。基于动点到两个定点的距离差为常数时，动点的轨迹是双曲线的原理，利用两个天线的相位差表征时间差，由于光速已知，信标机发射的正弦电磁波到达回收机两个天线的距离差是常数，从而得到一组双曲线，三个天线可以得到三组双曲线，三组双曲线交于一点，该点的方位就是信标机的方位，参照回收机的坐标即可得到信标机相对回收机的距离和方向；
（5）基于电子罗盘提供的方向，显示屏以地图模式显示出信标机的方向及与回收机的相对距离，实现对信标机的定位。
Claims (8)
1.一种脉冲相位组合式海洋搜寻系统，其特征在于：系统包括安装于待回收海洋探测设备上的信标机和操作于甲板上的回收机，信标机包括安装天线的金属舱，金属舱内设置为信标机供电的电源，主控板以及与主控板电连接并在其控制下工作的LoRa模块和射频电路，其中LoRa模块还与天线电连接以便接收回收机的启动脉冲信号、计时脉冲信号和发射反馈脉冲信号、射频电路还与天线电连接以便发射特定电磁波；回收机包括安装三根天线的防护箱，三根天线呈等边三角形形状排列组成天线阵，防护箱内设置为回收机供电的电源，主控板以及与主控板电连接并在其控制下工作的LoRa模块、信号处理电路、测时电路、鉴相电路和电子罗盘，其中LoRa模块还与天线电连接以便向信标机发射启动脉冲信号、计时脉冲信号和接收信标机发射的反馈脉冲信号、信号处理电路还与天线电连接以便处理天线接收的信标机发射的特定电磁波，鉴相电路用于测量电磁波到达两天线的相位差，安装在防护箱表面上的显示屏与防护箱内的主控板电连接。
2.根据权利要求1所述的脉冲相位组合式海洋搜寻系统，其特征在于：信标机的金属舱为耐高压水密金属保护舱，最低可承受深海七千米深的水压；金属舱的底部封盖为开关装置，该开关装置是信标机的总开关。
3.根据权利要求2所述的脉冲相位组合式海洋搜寻系统，其特征在于：所述的开关装置包括串联在一起的手动开关和水压开关，其中水压开关在承受水压高于设定值时断开、低于设定值时接通。
4.根据权利要求1所述的脉冲相位组合式海洋搜寻系统，其特征在于：所述的主控板以MCU为核心，具备串口资源和外围电路。
5.根据权利要求1所述的脉冲相位组合式海洋搜寻系统，其特征在于：所述的LoRa模块在发送或接收脉冲信号后，触发硬件电平表示已发送或已接收。
6.根据权利要求1所述的脉冲相位组合式海洋搜寻系统，其特征在于：所述的射频电路发射的电磁波为正弦波，并且可以设置初始相位。
7.根据权利要求1所述的脉冲相位组合式海洋搜寻系统，其特征在于：所述的电源为线性稳压电源。
8.根据权利要求1所述的脉冲相位组合式海洋搜寻系统，其特征在于：所述信号处理电路包括射频小信号放大器电路和滤波电路，分别用于放大信号和滤除杂波；所述测时电路的分辨率大于等于50皮秒；所述鉴相电路分辨率大于等于1度；所述电子罗盘以正北为参考方向，为回收机提供方向信息；所述显示屏为具有触控功能的串口屏，所述防护箱为便携式防水耐震防护箱。
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| CN108828499A (zh) * | 2018-06-25 | 2018-11-16 | 中国海洋大学 | 一种脉冲相位组合式海洋搜寻系统及搜寻方法 |
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2018
- 2018-06-25 CN CN201820974154.4U patent/CN208350983U/zh not_active Expired - Fee Related
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| CN108828499B (zh) * | 2018-06-25 | 2023-06-02 | 中国海洋大学 | 一种脉冲相位组合式海洋搜寻系统及搜寻方法 |
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