CN212586553U - 蛙人探测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种蛙人探测系统，包括水下系统、水上系统，所述水下系统和水上系统通过光电复合电缆联接，所述水下系统包括换能器阵、水下电子单元和水下转台，所述换能器阵、水下电子单元设置在水下转台上，并随水下转台同步转动，所述换能器包括发射换能器、接收水听器阵，分别用于发射声波和接收声波；所述发射换能器与接收水听器阵相互垂直，所述发射换能器为圆弧阵，接收水听器阵为均匀线阵列。本实用新型通过收发分置的方式以及特殊的阵元结构有效抑制混响干扰，能对可疑目标进行移动轨迹显示和追溯，误差小，精度高。

Description

蛙人探测系统

技术领域

本实用新型涉及水下探测领域，具体涉及一种蛙人探测系统。

背景技术

蛙人探测声纳是一个探测或侦察水下蛙人的声学电子综合系统，它可定向发射高频水声脉冲信号，并接收、处理目标反射回波，对蛙人进行有效检测。蛙人探测声纳有较大的作用距离，可进行360度全方位扫描搜索。

蛙人探测声纳用于军用港口、民用码头、水下设施等重要水域及舰船，对蛙人进行侦察、监视，从而为港口码头、海军基地舰只和设施的安全保障提供依据。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术中存在的技术问题，提供一种蛙人探测系统，包括水下系统、水上系统，所述水下系统和水上系统通过光电复合电缆联接，所述水下系统包括换能器阵、水下电子单元和水下转台，所述换能器阵、水下电子单元设置在水下转台上，并随水下转台同步转动，所述换能器包括发射换能器、接收水听器阵，分别用于发射声波和接收声波；所述发射换能器与接收水听器阵相互垂直，所述发射换能器为圆弧阵，接收水听器阵为均匀线阵列。

在本实用新型的一些实施例中，所述发射换能器阵包括多个阵元，其中水平相邻的两个阵元之间的间距为0.5倍波长，其中垂直相邻的两个阵元之间的间距为0.8倍波长，所述波长是指阵元的发射波长。

对应的在上述实施例中，所述接收水听器阵包括多个阵元，其中相邻阵元水平间距0.8倍波长，所述波长是指阵元的接收波长。

在本实用新型的一些实施例中，所述水下电子单元包括发射机、接收机、控制模块，所述发射机包括FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵)器件、DAC(Digital-to-Analog Converter数模转换)模块、第一信号调制电路，用于信号的发生和调制；所述接收机包括FPGA、ADC模块、第二信号调制电路，用于信号的采集和调制。

优选的，所述DAC模块分辨率为24bit,更新采样率384KHz；ADC(Analog to Digital Converter，模数转换器)模块分辨率为16bit,采样率不低于 500KHz。

在本实用新型的一些实施例中，所述控制模块分别与发射机、接收机、转台联接，用于控制信号的接收和发射，以及水下转台的运动。

在本实用新型的一些实施例中，所述控制模块还包括内记系统，所述内记系统用于原始数据、中间处理结果数据、输出结果数据、系统工作状态数据的收集和记录。

在上述的实施例中，为更好对多个模块进行快速控制，所述控制模块包括FPGA控制器、第一接口、第二接口、第三接口、第四接口、存储器，所述FPGA控制器通过第一接口与发射机联接；所述FPGA控制器通过第二接口与接收机联接；所述FPGA控制器通过第三接口与水下转台联接；所述FPGA 控制器通过第四接口与水上系统联接；所述FPGA控制器通过总线与存储器联接。

在本实用新型的一些实施例中，所述水上系统可通过通讯接口获取所述存储器中的数据。

在本实用新型的一些实施例中，蛙人探测系统还包括蛙人模拟器，所述蛙人模拟器用于水下系统的故障检测。

有益效果：

1.本实用新型的换能器基阵采用收发分置的方式，发射换能器基阵通过在圆弧阵覆盖圆周360度方向，通过所述列结构阵的每列阵元数或每个阵元所加信号的相位，控制所述发射换能器基阵的垂直方向性开角，可实现垂直面的窄波束扫描，有效抑制来自海面和海底的混响干扰；

2.接收换能器基阵(接收水中听器阵)采用水平方向线阵，有效地减少了接收换能器基阵所需要的阵元数和预处理的通道数量；水平方向上由多个阵元组成，从而可以控制接收换能器基阵水平方向开角，有效减少海水中的体积混响。进一步的，本实用新型提供的蛙人探测系统能对800-1400m范围内开式呼吸器蛙人有效发现并报警；

3.能对发现的可疑目标进行定位显示目标经纬度；方位误差不超过 10-15m，距离误差不超过0.5m；

4.能对可疑目标进行移动轨迹进行显示和追溯；

5.能在4级海情全天连续工作；

6.能进行自我故障检测。

附图说明

图1为本实用新型的一些实施例的蛙人探测系统的基本机构示意图；

图2为本实用新型的一些实施例的蛙人探测系统的具体结构示意图之一；

图3为本实用新型的一些实施例的蛙人探测系统的水下电子单元结构示意图之一；

图4为本实用新型的一些实施例的蛙人探测系统的具体结构示意图之二；

图5为本实用新型的一些实施例的蛙人探测系统的换能器结构示意图；

图6为本实用新型的一些实施例的蛙人探测系统的发射机结构示意图；

图7为本实用新型的一些实施例的蛙人探测系统的接收机结构示意图；

图8为本实用新型的一些实施例的蛙人探测系统的水上系统结构示意图；

图9为本实用新型的一些实施例的蛙人探测系统的水下电子单元的控制模块结构示意图；

图10为本实用新型的一些实施例的电路供给图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本明，并非用于限定本实用新型的范围。

参考图1至图5，一种蛙人探测系统，包括水下系统、水上系统，水下系统和水上系统通过光电复合电缆联接，水下系统包括换能器阵、水下电子单元和水下转台，换能器阵、水下电子单元设置在水下转台上，并随水下转台同步转动，换能器包括发射换能器、接收水听器阵，分别用于发射声波和接收声波；发射换能器与接收水听器阵相互垂直，发射换能器为圆弧阵，接收水听器阵为均匀线阵列。

参考图5，在本实用新型的一些实施例中，上述发射换能器阵包括多个阵元，其中水平相邻的两个阵元之间的间距为0.5倍波长，其中垂直相邻的两个阵元之间的间距为0.8倍波长，上述波长是指阵元的发射波长。具体地，上述发射换能器包括36个阵元，具体工作参数如下：

阵型： 圆弧阵；

阵元数： 36个(每排6个并联)；

水平阵元间距： 0.5倍波长；

垂直阵元间距： 0.8倍波长；

工作频率： 100kHz；

单个阵元电压响应级： ≥145dB；

中心水平波束宽度： 20°≤≤25°；

中心垂直波束宽度： ≤15°；

声源级： ≥198dB(200dB)(≥8米水深情况)；

相位一致性： ≤4°；

幅度一致性： ≤1.5dB；

主旁瓣比： ≥20dB；

工作方式： 脉宽≤4ms，占空比≤1：500；

重量： ≤2公斤；

水下持续工作时间： ≥5年；

工作水深： ≥50米。

对应的，接收水听器阵包括28个阵元，其中相邻阵元水平间距0.8倍波长，上述波长是指阵元的接收波长。具体工作参数如下：

阵元数： 28个；

水平阵元间距： 0.8倍波长；

工作频率： 100kHz；

单个阵元灵敏度级： ≥-193dB(－190dB)；

中心水平波束宽度： ≤2.4°；

中心垂直波束宽度： 30°≤≤40°；

相位一致性： ≤4°；

幅度一致性： ≤1.5dB；

主旁瓣比： ≥25dB；

长度： ≤0.38米；

重量： ≤5公斤；

水下持续工作时间： ≥5年；

工作水深： ≥50米。

在本实用新型的一些实施例中，上述水下电子单元包括发射机、接收机、控制模块，上述发射机包括FPGA、DAC、第一信号调制电路，用于信号的发生和调制；上述接收机包括FPGA、DAC、第二信号调制电路，用于信号的采集和调制。

参考图6，在本实用新型的一些实施例中，上述发射机中由1片中等规模的FPGA完成信号生成、接口命令解释、发射波束形成等任务。参考图6，发射通道按照6路设计。DAC模块分辨率为24bit,更新采样率384KHz(通过内插提高到1M以上采样速率)。功率放大采用线性功率放大器，输出根据发射换能器进行阻抗匹配，后端连接换能器等。发射机功率大，主要功率管需要安装在与海水接触的绝缘导热外壳上。供电电源±40V，最大电流4.125A (按照330W电源功率估算)；

对应地，参考图7，上述接收机采用差分方式输入，其中包括模拟放大 (30dB)、增益控制(用于TVG和AGC控制，按照90dB设计，从90dB到0dB，用于收发转换控制，发射时，增益设为0dB)、带通滤波等部分，通道增益达到120dB。供电电源按照±12V和+5V，±12V额定电流4.2A(每路设为150mA 估算)，+5V额定电流1.4A(每路设为50mA估算)。电路噪声及一致性：闭路底噪声小于0.3uV，通道增益一致性小于1dB，相位一致性小于5度。

模拟预处理输出(换能器阵)的多路模拟信号，通过28通道ADC进行同步采集。ADC模块采用差分输入，电压峰值范围±5V，分辨率16bit，采样率不低于500kHz。FPGA需要进行信号采集控制、数据预处理(包括正交解调、波束形成、增益控制等)与管理机系统的同步等功能。ADC模块分辨率为16bit,采样率不低于500KHz。

在本实用新型的一些实施例中，上述控制模块分别与发射机、接收机、转台联接，用于控制信号的接收和发射，以及水下转台的运动。具体地，转台采用步进制，步长12度，即每步需要2秒时间，旋转一周需要60秒。

参考图2，在本实用新型的一些实施例中，控制模块还包括内记系统，内记系统用于原始数据、中间处理结果数据、输出结果数据、系统工作状态数据的收集和记录。内记系统主要完成采集原始数据、中间处理结果数据、输出结果数据、系统工作状态等的收集和记录，通过上位机可以随时获取内记系统存储的数据，便于系统状态的追溯。系统状态的追溯时间为12小时。根据当前系统数据种类及其速率，原始数据的存储容量要求为： 10k*2Byte/s*5＝100kB/s，考虑到处理结果、状态等记录，每秒数据量在200k 字节左右，每小时数据量720MB，12小时存储量为8.64GB。

参考图4、图8和图9，在上述的实施例中，为更好对多个模块进行快速控制，上述控制模块包括FPGA控制器、第一接口、第二接口、第三接口、第四接口、存储器，上述FPGA控制器通过第一接口与发射机联接；上述FPGA 控制器通过第二接口与接收机联接；上述FPGA控制器通过第三接口与水下转台联接；上述FPGA控制器通过第四接口与水上系统联接；上述FPGA控制器通过总线与存储器联接。第一接口、第二接口、第三接口、第四接口分别对应发射机接口、接收机接口、总线接口、以太网线。

该控制模块具有标准RS422串行口、10/100M/1000M自适应以太网口和与各模块的总线接口。通过光纤收发器转为光纤接口输出。处理机供电+5V，内部变换为+3.3V、1.8V及1.2V，功率按照为10W估算。

在本实用新型的一些实施例中，水上系统包括工业控制计算机担任的数字信号处理单元、运行其上的显示控制软件、数据实时记录单元。水上系统和水下系统由一条水密光电复合缆联接。水密光电复合缆内包裹光缆和电缆，光缆用于数字信号传输，电缆用于为水下系统提供电能。上述水上系统可通过通讯接口获取上述存储器中的数据。

在本实用新型的一些实施例中，蛙人探测系统还包括蛙人模拟器，上述蛙人模拟器用于水下系统的故障检测。

参考图10，在上述的实施例中，系统整体供电来源于港口的市电，即交流单相220V。供电系统包括水上配电箱和水下供电电路，水上配电箱包括电压电流指示器、漏电保护器、防雷模块、空气开关等。

水下供电电路预计电源功率不超过600W，水下转台和声纳系统根据需要各自进行电源变换，提供系统各部件所需要的电源。声纳系统电源设计主要考虑大功率发射机电源与接收机和DSP电源分开，数字电源与模拟电源分开的设计方法，由于发射机功率大，发射信号期间电源干扰大，因此单独使用一路开关电源单独供电(电源效率一般可以达到90％以上)。模拟预处理部分由于信号微弱，对电源干扰特别敏感，因此一方面必须采用低纹波的线性电源进行供电，另一方面通过多级稳压、滤波，降低电源系统的纹波干扰。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.蛙人探测系统，包括水下系统、水上系统，所述水下系统和水上系统通过光电复合电缆联接，所述水下系统包括换能器阵、水下电子单元和水下转台，所述换能器阵、水下电子单元设置在水下转台上，并随水下转台同步转动，其特征在于，

所述换能器包括发射换能器阵、接收水听器阵，分别用于发射声波和接收声波；所述发射换能器阵与接收水听器阵垂直，所述发射换能器为圆弧阵，接收水听器阵为均匀线阵列。

2.根据权利要求1所述的蛙人探测系统，其特征在于，所述水下电子单元包括发射机、接收机、控制模块，

所述发射机包括FPGA、DAC模块、第一信号调制电路，用于信号的发生和调制；

所述接收机包括FPGA、ADC模块、第二信号调制电路，用于信号的采集和调制。

3.根据权利要求2所述的蛙人探测系统，其特征在于，所述控制模块分别与发射机、接收机、转台联接，用于控制信号的接收和发射，以及水下转台的运动。

4.根据权利要求2所述的蛙人探测系统，其特征在于，所述控制模块还包括内记系统，所述内记系统用于原始数据、中间处理结果数据、输出结果数据、系统工作状态数据的收集和记录。

5.根据权利要求3-4任一所述的蛙人探测系统，其特征在于，所述控制模块包括FPGA控制器、第一接口、第二接口、第三接口、第四接口、存储器，

所述FPGA控制器通过第一接口与发射机联接；

所述FPGA控制器通过第二接口与接收机联接；

所述FPGA控制器通过第三接口与水下转台联接；

所述FPGA控制器通过第四接口与水上系统联接；

所述FPGA控制器通过总线与存储器联接。

6.根据权利要求5所述的蛙人探测系统，其特征在于，所述水上系统可通过通讯接口获取所述存储器中的数据。

7.根据权利要求1所述的蛙人探测系统，其特征在于，还包括蛙人模拟器，所述蛙人模拟器用于水下系统的故障检测。

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