CN214011512U - 加装换能器探头的多探头测深仪系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及声波水深检测技术领域，具体涉及加装换能器探头的多探头测深仪系统，包括电源电路和测深系统，电源电路为测深系统提供电源进行供电；测深系统包括依次双向连接的DSP电路、收发电路、通道选择电路和多个换能器探头，DSP电路与通道选择电路单向连接；该多探头测深仪通过通道选择电路控制选择多个换能器探头轮流工作，从而得到多个换能器探头的水深数据；本实用新型提供了加装换能器探头的多探头测深仪系统，本实用新型通过此次设计的多探头测深仪系统，在单波束测深仪基础上，增加换能器探头，从而使测量点增多，满足在浅水水域大范围测量高效率的要求，从而减少物力、人力。

Description

加装换能器探头的多探头测深仪系统

技术领域

本实用新型涉及声波水深检测技术领域，具体涉及加装换能器探头的多探头测深仪系统。

背景技术

随着陆地资源的日益枯竭，海洋资源的调查与开发日益得到重视，目前常用的获取水下(江河湖库海)水底点的水深信息是采用声呐测深的方法，目前常见的设备有单波束测深仪和多波束测深系统两类。

单波束测深仪轻便、小巧，安装方便、要求较低，使用简单，价格便宜，人员准入门槛低，但是数据密度低，扫测不精细，效率不高。而多波束测深仪数据密度高，扫测精细，效率高，能更精确的测出水下目标的大小、形状和高低变化，绘制的等深线更详细，也能更真实的反映水下地形地貌特征。但是体积大，重量大，辅助设备多，价格昂贵，安装复杂，要求较高，外业操作也较为繁琐，它需要投入更多的人力、物力，准入门槛高。

目前单波束测深仪主要应用在江河、港航和海岸带等各种水况下的水深测量工程，它们一般来说等对数据密度要求不高，在这些地方应用能够体现出单波束测深仪价格便宜，操作简单等优点。而多波束主要应用在水深相对较深，扫测区域大，要求成图效果精细的地方，在这些地方使用能够体现出多波束测深仪效率高，成图精细等优点。

然而目前近岸的地方，这些地方普遍不太深，当有大型船只需要进港时进行障碍物清除或者抛石夯平等需要高效率测量的时候，由于单波束测深仪每次只能测一个点，而多波束由于自身波束角有限从而在浅水扫测范围小，在这些浅水地方无法发挥出多波束测深仪扫测范围宽的优势，由于多波束安装复杂，操作繁琐等原因，一般也不愿意在这些地方用多波束测深仪进行测量。

此次设计的多探头测深仪，在单波束测深仪基础上，增加换能器探头，从而使测量点增多，满足在浅水水域大范围测量高效率的要求。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供了加装换能器探头的多探头测深仪系统，本实用新型通过此次设计的多探头测深仪系统，在单波束测深仪基础上，增加换能器探头，从而使测量点增多，满足在浅水水域大范围测量高效率的要求，从而减少物力、人力。

本实用新型通过以下技术方案予以实现：

加装换能器探头的多探头测深仪系统，包括电源电路和测深系统，所述电源电路为所述测深系统提供电源进行供电；

所述测深系统包括依次双向连接的DSP电路、收发电路、通道选择电路和多个换能器探头，所述DSP电路与所述通道选择电路单向连接；

该多探头测深仪通过所述通道选择电路控制选择多个所述换能器探头轮流工作，从而得到多个所述换能器探头的水深数据。

优选的，所述电源电路包括交流转直流电源模块、比较器、多个DCDC电源模块和反接报警电路；

通过所述交流转直流电源模块使得多探头测深仪支持交流电供电，多个所述DCDC电源模块为所述测深系统中的各个部件提供不同的电压，通过所述比较器和多个所述DCDC电源模块，使得如果外部电源供电电压过低或过高时，继电器断开，从而保护多探头测深仪；

另外，通过所述反接报警电路，使得如果外部电源直流供电在不小心反接时，会将所述反接报警电路导通，产生蜂鸣，从而不会对其他电路产生损坏。

优选的，所述DSP电路包括电源芯片、DSP芯片、网络通讯芯片、AD芯片/DA芯片和FLASH芯片；

所述电源芯片将所述电源电路提供的电压分别转换成适用于不同芯片的电压。

优选的，所述收发电路包括发射电路和接收电路；

所述发射电路包括依次单向连接的波形处理器、半桥功放器和变压器，还包括依次单向连接的功率选择电路、充放电电路和所述半桥功放器；

所述接收电路包括依次单向连接的收发转换电路、隔离耦合电路、前置放大电路、第一带通滤波电路、AGC、第二带通滤波电路、后级放大电路和检波电路。

优选的，所述通道选择电路包括多个光耦隔离继电器，所述DSP电路向4-16译码器循环提供多个所述换能器探头的选择信号，经过所述继电器接入所述收发电路后，控制其中一个所述换能器探头工作，而其他所述换能器探头不工作。

优选的，每两个所述继电器对应于其中一个所述换能器探头。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型通过此次设计的多探头测深仪系统，在单波束测深仪基础上，增加换能器探头，从而使测量点增多，满足在浅水水域大范围测量高效率的要求，从而减少物力、人力。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型中多探头测深仪工作示意图；

图2为本实用新型中多探头测深仪系统原理框图；

图3为本实用新型中电源电路框图；

图4为本实用新型中发射电路原理框图；

图5为本实用新型中接收电路原理框图；

图6为本实用新型中DSP处理电路原理框图；

图7为本实用新型中通道选择电路原理图。

图中：1-电源电路、101-交流转直流电源模块、102-比较器、103-反接报警电路、2-测深系统、201-DSP电路、202-收发电路、203-通道选择电路、2021-发射电路、20121-波形处理器、20122-半桥功放器、20123-变压器、20124-功率选择电路、20125-充放电电路、2022-接收电路、20221-收发转换电路、20222-隔离耦合电路、20223-前置放大电路、20224-第一带通滤波电路、20225-AGC、20226-第二带通滤波电路、20227-后级放大电路、20228-检波电路。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一：

请参阅图1-7所示：本实用新型具体公开了加装换能器探头的多探头测深仪系统，包括电源电路1和测深系统2，电源电路1为测深系统2提供电源进行供电；

参阅图2所示：测深系统2包括依次双向连接的DSP电路201、收发电路202、通道选择电路203和多个换能器探头，DSP电路201与通道选择电路203单向连接；电源电路1采用宽范围输入，能够在外部电源输入范围在10V到36V情况下，产生稳定的足够功率的电源供给单波束测深系统2其中电路使用。收发电路202是测深能力强弱的关键，发射电路2021将来自DSP电路201处理的控制信号，经驱动和功放后，通过通道选择电路203加载在换能器探头上发射出去，水底回波经过换能器探头接收后通过接收电路2022中的隔离变压器20123输入，通过前置放大电路20223、第一带通滤波电路20224、第二带通滤波电路20226、AGC20225，后级放大电路20227和检波电路20228输出到DSP电路201处理板，AGC20225的控制增益由DSP电路201处理板的DA芯片产生。DSP电路201处理是测深系统2的运算中心，担负着系统同步、测深跟踪，通过网口控制发射机的功率和脉宽，控制接收增益，采集接收机输出的包络信号并通过网口送出到外部设备。

该多探头测深仪通过通道选择电路203控制选择多个换能器探头轮流工作，从而得到多个换能器探头的水深数据；进一步的，如图1中显示为4个换能器探头，实际可以按照需要进行扩展为任意数量探头，多探头测深仪通过通道控制来选择多个探头轮流工作，从而得到多个探头的水深数据。

其中d为两换能器探头之间水平距离，H为换能器探头处的水深，Θ为换能器的-3dB开角的一半，这里波束角设为4度，则换能器探头声波束的脚印的半径R与以上这些参数有确定的关系。在理想情况下保持换能器探头的间距d为R的两倍左右，则基本在测深时，既保持所测水底的水深没有漏点，也不会使所测水深点重复，如果地形比较复杂，则需要以此为基础做一定程度的调整。下表为对应水深的换能器探头水平距离参考值，供测深时参考。

水深(米)	换能器探头水平距离参考值(米)
		10	2
20	4
		30	6
40	8

具体的参阅图3所示，电源电路1包括交流转直流电源模块101、比较器102、多个DCDC电源模块和反接报警电路103；考虑到整机性能，选用的DCDC电源模块均为功耗低、噪声小的成熟电源模块。

通过交流转直流电源模块101使得多探头测深仪支持交流电供电，多个DCDC电源模块为测深系统2中的各个部件提供不同的电压，通过比较器102和多个DCDC电源模块，使得如果外部电源供电电压过低或过高时，继电器断开，从而保护多探头测深仪；

另外，通过反接报警电路103，使得如果外部电源直流供电在不小心反接时，会将反接报警电路103导通，产生蜂鸣，从而不会对其他电路产生损坏。具体的，通过交流转直流模块使得整机支持交流电供电，通过比较器102和宽范围24V转9V电源模块，使得如果外部供电电压低于10V或者高于32V时，继电器断开，从而起到保护整机功能。

另外通过反接报警，使得如果外部直流供电在不小心反接时，会将反接报警电路103导通，产生蜂鸣，从而不会对其他电路产生损坏

具体的，参阅图6所示：DSP电路201包括电源芯片、DSP芯片、网络通讯芯片、AD芯片/DA芯片和FLASH芯片；

电源芯片将电源电路1提供的电压分别转换成适用于不同芯片的电压。

进一步的，DSP电路201内部芯片较多，需要5V，3.3V和1.5V三种电源，电源电路1提供了5V电源，5V电源通过处理电路上的TLV1117LV33芯片，转换出一组3.3V的电源，5V电源通过TPS77315芯片转换出一组1.5V的电源；

通讯芯片采用的是W5200芯片，它是一款集成全硬件TCP/IP协议栈的嵌入式以太网控制器，为单片机提供了以太网接入方案。全硬件TCP/IP协议栈旨在简化传统的软件TCP/IP协议栈，卸载了MCU用于处理TCP/IP这部分的线程，节约MCU内部ROM等硬件资源；

AD芯片采用的是THS1206IDA，它是THS1206是TI公司开发的一款基于流水线结构的12位高速A/D转换器。这种A/D转换器采用流水线(pipeline)结构，能够并行处理多路模拟信号，因而可以得到较高的转换速度；并且可以通过其内部的校正电路对内部误差进行校正，得到更高的精度。在这里通过THS1206IDA芯片将接收电路2022中的模拟回波信号转换成数字信号从而给DSP信号进行后续处理；

DA芯片采用的是TLV5614，TLV5614是一款由四个部分组成的12位电压输出模数转换器(DAC)，带有灵活的串行接口，从而可以无缝连接至TMS320^TM、SPI^TM、QSPI^TM及Microwire^TM串行端口。在这里主要是用来接收DSP的数字信号，转换为模拟信号，从而来控制接收电路2022上自动增益的大小；

FLASH芯片采用的是29LV400，FLASH与EPROM相比，集成度高，功耗低，可电擦写，而且3.3V的FLASH可直接与DSP接口，接口电路设计方便。29LV400具有单电源操作，存取速度快，读写寿命长，低功耗等优点，所以我们用它来进行存储程序和数据。

处理芯片采用TI公司的TMS320VC5416定点DSP，其内部采用一种改进型的哈佛总线结构，数据总线宽度为16b，最大寻址空间为64K×16b。程序总线宽度为23b，最大寻址空间为8M×16b。片内有128M×16b的RAM，6通道DMA传输控制器，3个带缓冲器的串行通信接口(McBSP)。分开的数据和指令空间使该芯片具有高度的并行操作能力，在单周期内允许指令和数据同时存取，再加上其高度优化的指令集，使得该芯片具有很高的运算速度，最高可达160MIPS。处理芯片是整个设备的运算中心，担负着系统同步、测深跟踪，控制发射机的功率和脉宽，切换4个换能器探头工作，控制接收增益，采集接收机输出的包络信号并通过电缆将测量值送出到外部设备。

具体的，收发电路202包括发射电路2021和接收电路2022；

参阅图4所示：发射电路2021包括依次单向连接的波形处理器20121、半桥功放器20122和变压器20123，还包括依次单向连接的功率选择电路20124、充放电电路20125和半桥功放器20122；进一步的在这里我们选择UC2706进行波形处理。UC2706将DSP电路201给出的低压驱动信号进行分频处理，经过分频处理后，产生两路PWM波，分别来驱动半桥上的两个MOSFET管。经过两个MOSFET后驱动变压器20123，进一步提高发射电压，从而推动后端的换能器探头发送出能量。

充放电电路20125中，主要是储能电容以及快速放电电路，通过大容量储能电容储存能量来提供给发射信号瞬间，通过快速放点电路保证在整机断电时能够快速放掉电容中的电能，从而保证安全。

功率选择电路20124通过进行与储能电容的电压比较，在达到一定电压时关断充电通道，在低于该设定电压开通充电电路，从而来控制MOSFET管上的驱动电压，起到功率选择做用。

参阅图5所示：接收电路2022包括依次单向连接的收发转换电路20221、隔离耦合电路20222、前置放大电路20223、第一带通滤波电路20224、AGC20225、第二带通滤波电路20226、后级放大电路20227和检波电路20228；进一步的，由于多探头测深仪的换能器探头采用的是收发一体的方式，所以接收电路2022首先要经过一个收发转换电路20221和隔离耦合电路20222。通过收发转换电路20221，当发射的时候，收发转换电路20221相当于短路，不会烧坏接收电路2022。当换能器探头接收的时候，微小的信号能通过收发转换电路20221，由后续接收电路2022进行后续放大处理。

前置放大电路20223和后级放大电路20227都是将微弱信号进行放大。

声信号在水中传播会引起扩散损失和吸收损失，扩散损失与传播距离的平方成正比，通过信号处理电路对接收电路2022进行时间增益控制(TVG)，以补偿声信号的传播损失，抑制近区干扰和混响，这就是TVG电路的功能。

而所谓的AGC20225(自动增益控制电路)，就是要使接收电路2022的增益随输入量的强弱自动改变，使其输出基本保持恒定。AGC20225由DSP电路201信号处理板进行控制，当DSP电路201信号处理板检测到接收电路2022输出电压变大时，控制AGC20225的增益下降，当DSP电路201信号处理板检测到接收电路2022输出电压变小时，控制AGC20225的增益增大，这样就由输入信号的强弱，自动调节了接收电路2022的系统增益。

第一带通滤波电路20224和第二带通滤波电路20226主要实现的功能是将所需要的特定频率范围内的信号传输过去，而阻断这个频率范围以外的信号，达到选择性传输的目的。

由于DSP电路201信号处理板需要的是脉冲信号来进行后续处理，所以在接收电路2022将水底接收到的信号放大滤波后，还得进行检波电路20228。

具体的，参阅图7所示：通道选择电路203包括多个光耦隔离继电器，DSP电路201向4-16译码器循环提供多个换能器探头的选择信号，经过继电器接入收发电路202后，控制其中一个换能器探头工作，而其他换能器探头不工作。

具体的，每两个继电器对应于其中一个换能器探头。

进一步的，由于多探头测深仪电路的特殊需要，控制的多路电子开关，不仅要承受高频，大电流，大电压的发射电路2021的冲击，而且在接收微弱信号时要有良好的抗干扰性。接收电路2022最小信号只有几十微伏甚至几微伏，在此条件下，要保证电子开关不受电子开关的外接电源影响。在这里我们采用的继电器为AQY277AX，它是一款光耦隔离继电器，广泛应用于测量测试设备、IC测试仪以及高速检测机器。它具有体积小，支持各种类型的负载控制及高灵敏特点。它的输出端最大峰峰值为200V，输出端的平均电流为0.65A，输出端的峰值电流为2.0A，平均导通电阻为0.7Ω，能够满足我们的设计要求。

4-16译码器我们这边选择的是74HC154芯片，当译码器的DCBA端依次输入为0000，0001，0010，0011，…………直到1111，由芯片的真值表可知，在输入为0000时，输出端第0只脚为0，当输入为0001时，输出端第1只脚为0，当输入为1111时，输出端第15只引脚为0。这样当循环输入0000，0001………1111，则形成依次滚动选择某只脚为0。

DSP电路201向4-16译码器循环提供换能器探头的选择信号，则译码器可提供对应16个换能器探头的选择信号，从而16个换能器探头按照编码顺序循环进行工作。

由于16个换能器探头示意图过大，这里仅以4个换能器探头为例，如图7所示，这4个选择信号平时为低电平，4个换能器探头均不工作，由于换能器有正负极，所以用2个继电器对应其中的1个换能器探头。

DSP电路201每个时刻只会选择一个换能器探头工作，当DSP电路201根据外部命令选择通道1的换能器探头时，则译码器给通道1的信号为低，其他三个通道为高，此时将继电器1、继电器2打开，换能器探头1经过继电器1、2后接入收发电路202，换能器探头1进行工作状态，其他3个换能器探头不工作。当DSP电路201根据外部命令选择通道2的换能器探头时，则译码器将给通道2的信号为低，此时继电器3、继电器4打开，换能器探头2经过继电器3、4后接入收发电路202，换能器探头2进行工作，其他3个换能器探头不工作。当DSP电路201根据外部命令选择通道3的换能器探头时，则译码器将给通道3的信号为低，此时继电器5、继电器6打开，换能器探头3经过继电器5、6后接入收发电路202，换能器探头3进行工作，其他3个换能器探头不工作。当DSP电路201根据外部命令选择通道4的换能器探头时，则译码器将给通道4的信号为低，此时继电器7、继电器8打开，换能器探头4经过继电器7、8后接入收发电路202，换能器探头4进行工作，其他3三个换能器探头不工作。以此类推，可以通过译码器循环控制16个换能器探头的其中一个工作，而其他换能器探头不工作。

通过该电路，使得DSP电路201源源不断得到16个换能器探头的其中一个探头的测深信息，从而在很短的时间段里得到整个16个换能器探头的测深信息。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.加装换能器探头的多探头测深仪系统，其特征在于，包括电源电路和测深系统，所述电源电路为所述测深系统提供电源进行供电；

所述测深系统包括依次双向连接的DSP电路、收发电路、通道选择电路和多个换能器探头，所述DSP电路与所述通道选择电路单向连接；

该多探头测深仪通过所述通道选择电路控制选择多个所述换能器探头轮流工作，从而得到多个所述换能器探头的水深数据。

2.根据权利要求1所述的加装换能器探头的多探头测深仪系统，其特征在于，所述电源电路包括交流转直流电源模块、比较器、多个DCDC电源模块和反接报警电路；

通过所述交流转直流电源模块使得多探头测深仪支持交流电供电，多个所述DCDC电源模块为所述测深系统中的各个部件提供不同的电压，通过所述比较器和多个所述DCDC电源模块，使得如果外部电源供电电压过低或过高时，继电器断开，从而保护多探头测深仪；

另外，通过所述反接报警电路，使得如果外部电源直流供电在不小心反接时，会将所述反接报警电路导通，产生蜂鸣，从而不会对其他电路产生损坏。

3.根据权利要求1所述的加装换能器探头的多探头测深仪系统，其特征在于，所述DSP电路包括电源芯片、DSP芯片、网络通讯芯片、AD芯片/DA芯片和FLASH芯片；

所述电源芯片将所述电源电路提供的电压分别转换成适用于不同芯片的电压。

4.根据权利要求1所述的加装换能器探头的多探头测深仪系统，其特征在于，所述收发电路包括发射电路和接收电路；

所述发射电路包括依次单向连接的波形处理器、半桥功放器和变压器，还包括依次单向连接的功率选择电路、充放电电路和所述半桥功放器；

所述接收电路包括依次单向连接的收发转换电路、隔离耦合电路、前置放大电路、第一带通滤波电路、AGC、第二带通滤波电路、后级放大电路和检波电路。

5.根据权利要求1所述的加装换能器探头的多探头测深仪系统，其特征在于，所述通道选择电路包括多个光耦隔离继电器，所述DSP电路向4-16译码器循环提供多个所述换能器探头的选择信号，经过所述继电器接入所述收发电路后，控制其中一个所述换能器探头工作，而其他所述换能器探头不工作。

6.根据权利要求5所述的加装换能器探头的多探头测深仪系统，其特征在于，每两个所述继电器对应于其中一个所述换能器探头。

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