專利名稱：智能深水應(yīng)答器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水聲測(cè)量設(shè)備，具體涉及一種用于水下目標(biāo)定位和導(dǎo)航的水聲測(cè)量設(shè)備。
背景技術(shù)：
就目前的技術(shù)而言，水聲定位技術(shù)仍然是水下目標(biāo)定位導(dǎo)航的主流。在海底布設(shè)三個(gè)以上的水聲應(yīng)答器，構(gòu)成一定的幾何形狀，各應(yīng)答器(基元)的坐標(biāo)位置要進(jìn)行精密測(cè)量，各基元間的間距可以與海深比擬，被測(cè)定的載體一般位于應(yīng)答器布放的范圍內(nèi)，通過(guò)對(duì)應(yīng)答器的詢問(wèn)，測(cè)定應(yīng)答器應(yīng)答信號(hào)的時(shí)延或時(shí)延差來(lái)確定自身位置，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位的功能。這就是長(zhǎng)基線(LBL)水聲定位系統(tǒng)的原理，由于長(zhǎng)基線水聲定位系統(tǒng)定位精度高，可靠性好，因而得到廣泛的應(yīng)用。
水聲應(yīng)答器是長(zhǎng)基線水聲定位導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分，但受耐壓殼體、換能器工藝、信號(hào)處理手段等因素限制，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的應(yīng)答器普遍存在功能單一、水聲作用距離短、可控性差等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供了一種用于水下目標(biāo)定位和導(dǎo)航的水聲測(cè)量設(shè)備。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的它是由水聲信號(hào)處理單元1、連接水聲信號(hào)處理單元1的電源管理單元2、外部接口5、聲學(xué)換能器3和釋放機(jī)構(gòu)4五部分組成，水聲信號(hào)處理單元1包括設(shè)置在底板9上的水聲信號(hào)處理聲學(xué)部分6、功放部分7和電容部分8；電源管理單元2包括電源板10和電池11，電源板10連接電池11通過(guò)底板9連接各個(gè)用電單元。
本發(fā)明還有這樣一些結(jié)構(gòu)特征1、所述的水聲信號(hào)處理聲學(xué)板6由連接聲學(xué)換能器3的寬帶接收機(jī)12、連接寬DA轉(zhuǎn)換器16的低通濾波器17、連接低通濾波器17的光藕18、連接AD轉(zhuǎn)換器13的DSP15、電源芯片1和電磁繼電器1、連接DSP15的DA轉(zhuǎn)換器16、電源芯片2、串口芯片21和FLASH閃存20、連接光藕18的光藕后級(jí)電路19組成。
2、所述的功放部分7接收電路的輸出通過(guò)底板9連接聲學(xué)部分6的寬帶接收機(jī)12的輸入端，聲學(xué)部分6的DA后級(jí)放大電路的輸出通過(guò)底板9連接功放部分7的發(fā)射電路的輸入端；3、所述的電源板10由電源芯片A31電源芯片B32電源芯片C34、電磁繼電器2及晶體三級(jí)管35組成，電磁繼電器2的開(kāi)關(guān)連接單片機(jī)14，電源芯片A31連接單片機(jī)14，電源芯片B32連接寬帶接收機(jī)12，電源芯片C34連接光藕后級(jí)電路19和晶體三極管35；4、所述的聲學(xué)換能器3由高頻換能器和低頻換能器組成，高頻換能器的正負(fù)極接功放板7的高頻發(fā)射/接收電路，低頻換能器的正負(fù)極接功放板7的低頻發(fā)射電路；
5、所述的釋放機(jī)構(gòu)4由連接單片機(jī)14的電機(jī)36和釋放鉤37組成；6、所述的外部接口5主要包括一個(gè)12芯的水密接頭38，電磁繼電器3和串口芯片21，串口芯片21連接DSP15與PC機(jī)。
本發(fā)明的水聲信號(hào)處理單元1包括水聲信號(hào)處理聲學(xué)板6、功放板7、電容板8和底板9，其中聲學(xué)板6、功放板7和電容板8分別通過(guò)一對(duì)96管腳的接插件固定在底板9上。通過(guò)底板9的連接，功放板7接收電路的輸出接到聲學(xué)板6的寬帶接收機(jī)12的輸入端，聲學(xué)板6的DA后級(jí)放大電路的輸出接到功放板7的發(fā)射電路的輸入端；本發(fā)明的應(yīng)答器是由電池供電的，電池分為三組，分別為聲學(xué)板板6、功放板7和釋放機(jī)構(gòu)4供電。電源管理單元2可以分為三部分，釋放機(jī)構(gòu)電源25、處理板電源26和功放電源27，主要包括電源板10和電池11，電源板10把電池11提供的電能轉(zhuǎn)換為應(yīng)答器工作所需的電源，通過(guò)底板為各個(gè)用電單元供電；聲學(xué)換能器3由高頻換能器和低頻換能器組成，用于接收和發(fā)射水聲信號(hào)。高頻換能器的正負(fù)極接功放板7的高頻發(fā)射/接收電路，低頻換能器的正負(fù)極接功放板7的低頻發(fā)射電路；釋放機(jī)構(gòu)4由電機(jī)36和釋放鉤37組成。釋放機(jī)構(gòu)4的開(kāi)啟與關(guān)閉都受單片機(jī)14控制，單片機(jī)14根據(jù)釋放機(jī)構(gòu)反饋信號(hào)判斷電機(jī)旋轉(zhuǎn)的位置；外部接口5主要包括一個(gè)12芯的水密接頭38，電磁繼電器3和串口芯片21。通過(guò)串口芯片21可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)答器的DSP15與PC機(jī)相互通信，同時(shí)應(yīng)答器值班電路的上電與下電也是通過(guò)接口5來(lái)完成，利用接口5還可以給應(yīng)答器充電。
本發(fā)明的有益效果有1、可以接收詢問(wèn)聲信號(hào)并回復(fù)應(yīng)答信號(hào)，與水聲收/發(fā)機(jī)配合實(shí)現(xiàn)水聲測(cè)距和導(dǎo)航定位作業(yè)；2、可以向海底其它應(yīng)答器發(fā)出測(cè)陣詢問(wèn)聲信號(hào)并將測(cè)距數(shù)據(jù)等信息傳送至水聲收/發(fā)機(jī)，從而使系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)快速自校陣功能；3、可以接收水聲遙控指令，及時(shí)改變自身的工作狀態(tài)，并將狀態(tài)信息傳送到水聲收/發(fā)機(jī)和顯控臺(tái)。
4、可通過(guò)RS-232口和PC機(jī)相連，進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)和參數(shù)設(shè)置，并將信息回傳給主機(jī)。
5、兩種工作模式，值班模式可長(zhǎng)時(shí)間工作于海底，而不需要充電；工作模式可進(jìn)行大量的數(shù)字信號(hào)處理，實(shí)時(shí)地響應(yīng)各種控制指令，且能夠?qū)崿F(xiàn)多種復(fù)雜的工作。
6、具有電量不足和漏水報(bào)警功能，大大提高了應(yīng)答器的回收率。
7、采用玻璃鋼耐壓殼體，工作深度大大提高，而且不用任何浮體，依靠本身的正浮力即可浮出水面。
本發(fā)明不僅克服了傳統(tǒng)應(yīng)答器的缺點(diǎn)，達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品指標(biāo)，而且還增加了一些新功能，例如該應(yīng)答器可以實(shí)現(xiàn)快速自校陣功能，提高定位導(dǎo)航的精度；通過(guò)水聲遙控指令可以調(diào)整應(yīng)答器參數(shù)，減小了水聲環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的影響。這些功能的增加提高了長(zhǎng)基線水聲定位系統(tǒng)的性能，因此，本發(fā)明為水下目標(biāo)定位和導(dǎo)航提供了一種新型的智能應(yīng)答器。


圖1是本發(fā)明智能深水應(yīng)答器的總體組成示意圖；圖2是本發(fā)明水聲信號(hào)處理單元的結(jié)構(gòu)框圖；圖3是本發(fā)明釋放機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)框圖；圖4是本發(fā)明電源管理的結(jié)構(gòu)框圖；圖5是本發(fā)明外部接口結(jié)構(gòu)框圖；圖6為本發(fā)明DSP外圍電路圖；圖7為本發(fā)明單片機(jī)的外圍電路；圖8為本發(fā)明D/A后級(jí)電路。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明各個(gè)部分的構(gòu)造和工作流程進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明結(jié)合圖1，本發(fā)明是由水聲信號(hào)處理單元1、連接水聲信號(hào)處理單元1的電源管理單元2、外部接口5、聲學(xué)換能器3和釋放機(jī)構(gòu)4五部分組成，其特征是水聲信號(hào)處理單元1包括設(shè)置在底板9上的水聲信號(hào)處理聲學(xué)部分6、功放部分7和電容部分8；電源管理單元2包括電源板10和電池11，電源板10連接電池11通過(guò)底板9連接各個(gè)用電單元。
結(jié)合圖2-5，水聲信號(hào)處理聲學(xué)板6由寬帶接收機(jī)12、AD轉(zhuǎn)換器13、DSP15、DA轉(zhuǎn)換器16、低通濾波器17、光藕18、光藕后級(jí)電路19、FLASH閃存20、串口芯片21、單片機(jī)14、電源芯片1、電源芯片2和電磁繼電器1組成。聲學(xué)換能器3接收到的水聲信號(hào)送入寬帶接收機(jī)12，經(jīng)濾波放大后送入單片機(jī)14的片內(nèi)AD中，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)14對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，如果接收到的信號(hào)是水聲收/發(fā)機(jī)對(duì)該應(yīng)答器下達(dá)的指令，則單片機(jī)14進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。DSP15在值班時(shí)是沒(méi)有上電的，只有單片機(jī)14收到上電指令后，才控制電磁繼電器1使DSP上電，應(yīng)答器進(jìn)入工作狀態(tài)。寬帶接收機(jī)12送來(lái)的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換器13轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)送入到DSP15中進(jìn)行處理，如果需要應(yīng)答器發(fā)出聲信號(hào)，則DSP15產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)，經(jīng)DA轉(zhuǎn)換器16轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，再經(jīng)低通濾波器17、光藕18及光藕后級(jí)電路19驅(qū)動(dòng)功放，使換能器發(fā)出聲信號(hào)。FLASH閃存20是用來(lái)存儲(chǔ)程序源代碼，在DSP15上電后將程序?qū)氲紻SP15的存儲(chǔ)區(qū)中。串口芯片21是用來(lái)實(shí)現(xiàn)DSP15與PC機(jī)之間的通信。電源芯片1和電源芯片2是分別為單片機(jī)14和DSP15供電。
本發(fā)明工作帶寬寬，所以功放板7采用高低頻分別匹配的原則，將整個(gè)工作帶寬劃分成兩個(gè)頻帶高頻和低頻，通過(guò)高、低頻兩套功率放大和匹配網(wǎng)絡(luò)與聲學(xué)換能器3相連，以更好的改善負(fù)載阻抗特性，提高系統(tǒng)匹配效率，拓寬系統(tǒng)工作頻帶。
同時(shí)，為了保證在發(fā)射水聲信號(hào)時(shí)，電源能夠提供足夠大的功率，本實(shí)施例在電容板8上并聯(lián)一組電容，用于存儲(chǔ)大量電能，電容組的正負(fù)極通過(guò)96位接插件接到底板9上，進(jìn)而與功放7相連。
本實(shí)施例的電源板10由電源芯片A31電源芯片B32電源芯片C34、電磁繼電器2及晶體三級(jí)管35組成。單片機(jī)14控制電磁繼電器2的開(kāi)關(guān)，來(lái)實(shí)現(xiàn)釋放機(jī)構(gòu)電機(jī)36的旋轉(zhuǎn)與停止，從而達(dá)到脫鉤與掛鉤的目的。電源芯片A31為處理板6的數(shù)字部分供電，電源芯片B32為處理板6模擬部分供電。電源芯片C34為光藕后級(jí)電路19供電，同時(shí)單片機(jī)14通過(guò)控制電源芯片C34來(lái)給控制晶體三極管35的導(dǎo)通與截止，從而間接控制功放板7和電容板8的上下電。此外單片機(jī)14通過(guò)電源板10采集電池11電壓。
應(yīng)答器電池11被分為三組，為別為釋放機(jī)構(gòu)4、處理板6和功放7供電。這樣是為了減少這幾部分的相互影響，更重要的是為了保證釋放機(jī)構(gòu)4的電源充足，在特殊情況下也可以保證應(yīng)答器能釋放，不會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失。電池11選用的是聚合物鋰離子電池。聚合物鋰離子電池是新一代鋰離子電池，不僅具有液態(tài)鋰離子電芯的高電壓、長(zhǎng)循環(huán)壽命、放電電壓平穩(wěn)以及清潔無(wú)污染等特點(diǎn)，而且改善了液態(tài)鋰離子電池可能存在的不安全及漏液?jiǎn)栴}，是目前最先進(jìn)的電池。
為了滿足系統(tǒng)寬帶接收和寬帶發(fā)射的要求，聲學(xué)換能器3由高頻寬帶換能器和低頻寬帶換能器組合而成，二者安裝在同一個(gè)平臺(tái)上，并通過(guò)電纜與功放板7相應(yīng)的功率放大及匹配電路的輸出端相連。當(dāng)聲學(xué)換能器3置于水或密度與水相近的液體介質(zhì)中時(shí)，聲學(xué)換能器3將功放板7傳送過(guò)來(lái)的電信號(hào)轉(zhuǎn)化成聲信號(hào)，并通過(guò)介質(zhì)向外輻射。
本實(shí)施例的釋放機(jī)構(gòu)4由電機(jī)36和釋放鉤37組成。單片機(jī)14通過(guò)控制電磁繼電器2使電機(jī)36轉(zhuǎn)動(dòng)或停止，由于電機(jī)36的轉(zhuǎn)動(dòng)，釋放鉤37就會(huì)脫落重物，應(yīng)答器浮出水面。在電機(jī)36轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，單片機(jī)14會(huì)采集釋放機(jī)構(gòu)4的反饋信號(hào)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)到合適角度時(shí)，單片機(jī)14就會(huì)使電機(jī)36停止。
外部接口5由水密接頭38、串口芯片21和電磁繼電器3組成。外部接口5有三個(gè)作用首先，應(yīng)答器值班電路的上下電，需要通過(guò)外部接口用專用開(kāi)關(guān)控制電磁繼電器3來(lái)實(shí)現(xiàn)；其次，PC機(jī)與應(yīng)答器進(jìn)行通信也是通過(guò)外部接口5的串口芯片21來(lái)實(shí)現(xiàn)；最后，給應(yīng)答器電池11充電也要通過(guò)外部接口11。
結(jié)合圖6，圖6為本發(fā)明DSP外圍電路圖，本發(fā)明采用的DSP芯片是TI公司的TMS320VC5509A，該芯片具有功耗低，數(shù)據(jù)運(yùn)算能力強(qiáng)的特點(diǎn)。U4為FLASH芯片，DSP通過(guò)EMIF總線與其相連，在DSP上電時(shí)，通過(guò)該芯片進(jìn)行程序加載。U1為雙路數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DA)，該器件通過(guò)多通道緩沖串口McBSP與DSP相連，經(jīng)過(guò)平滑濾波器和光藕與功放相連，為功放提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，標(biāo)號(hào)為jref的為跳線開(kāi)關(guān)，通過(guò)這個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)選擇該器件的工作模式。U2為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)，該器件通過(guò)多通道緩沖串口McBSP與DSP相連，該器件有16bit的轉(zhuǎn)換精度，而且是低功耗器件，更重要的是該器件具有SPI串行接口，可以與DSP的多通道緩沖串口進(jìn)行無(wú)縫連接，省去外圍接口芯片，降低功耗，增加了系統(tǒng)的可靠性。U3為串口芯片，該器件通過(guò)多通道緩沖串口McBSP與DSP相連，來(lái)實(shí)現(xiàn)DSP與PC機(jī)的RS-232串口之間的通信，該器件不僅要完成同步與異步通信方式的轉(zhuǎn)換，而且還要完成兩種通信方式的電平轉(zhuǎn)換。DB9是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的9針串口。
結(jié)合圖7，圖7為本發(fā)明單片機(jī)的外圍電路，本發(fā)明采用的單片機(jī)是TI公司MSP430F1611，該單片機(jī)具有功耗低、數(shù)字處理能力強(qiáng)和具有豐富片內(nèi)外設(shè)的特點(diǎn)。在本實(shí)用新型中，單片機(jī)主要負(fù)責(zé)對(duì)指令的解碼、控制DSP上電、對(duì)電池電壓的采集、漏水檢測(cè)和釋放應(yīng)答器。換能器接收到的水聲信號(hào)，經(jīng)過(guò)接收機(jī)的濾波放大到達(dá)單片機(jī)，利用單片機(jī)的片內(nèi)A/D對(duì)接收到的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，經(jīng)量化后的數(shù)字信號(hào)送到單片機(jī)的處理單元進(jìn)行處理。三組電池電壓也是通過(guò)單片機(jī)的片內(nèi)A/D進(jìn)行采樣的。單片機(jī)外圍需要兩個(gè)晶振來(lái)提供時(shí)鐘源，這兩個(gè)晶振分別為3.2768MHz和8MHz。SCL和SDA是I2C總線的兩根線路，單片機(jī)就是利用這兩根線路來(lái)與DSP進(jìn)行通信的。
結(jié)合圖8，圖8為本發(fā)明D/A后級(jí)電路，運(yùn)放U1A、U1B、U2A及其周圍電路的電阻電容構(gòu)成了一個(gè)二階低通濾波器，將D/A輸出的信號(hào)進(jìn)行平滑濾波。運(yùn)放U2B、U5A、PHOTO1芯片及其周圍的電阻電容構(gòu)成了線性光藕的典型電路，平滑濾波后的信號(hào)通過(guò)光藕驅(qū)動(dòng)功放，而功放的噪聲經(jīng)光藕隔離也不會(huì)影響到處理板。DIOD1是一穩(wěn)壓二極管，將電壓穩(wěn)定到2.5伏，為DA后級(jí)電路提供參考電壓，保證系統(tǒng)的正常工作。
權(quán)利要求
1.一種智能深水應(yīng)答器，它是由水聲信號(hào)處理單元(1)、連接水聲信號(hào)處理單元(1)的電源管理單元(2)、外部接口(5)、聲學(xué)換能器(3)和釋放機(jī)構(gòu)(4)五部分組成，其特征是水聲信號(hào)處理單元(1)包括設(shè)置在底板(9)上的水聲信號(hào)處理聲學(xué)部分(6)、功放部分(7)和電容部分(8)；電源管理單元(2)包括電源板(1)和電池(11)，電源板(10)連接電池(11)通過(guò)底板(9)連接各個(gè)用電單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能深水應(yīng)答器，其特征是所述的水聲信號(hào)處理聲學(xué)板(6)由連接聲學(xué)換能器(3)的寬帶接收機(jī)(12)、連接寬DA轉(zhuǎn)換器(16)的低通濾波器(17)、連接低通濾波器(17)的光藕(18)、連接AD轉(zhuǎn)換器(13)的DSP(15)、電源芯片1(22)和電磁繼電器1(23)、連接DSP(15)的DA轉(zhuǎn)換器(16)、電源芯片2(24)、串口芯片(21)和FLASH閃存(20)、連接光藕(18)的光藕后級(jí)電路(19)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種智能深水應(yīng)答器，其特征是所述的功放部分(7)接收電路的輸出通過(guò)底板(9)連接聲學(xué)部分(6)的寬帶接收機(jī)(12)的輸入端，聲學(xué)部分(6)的DA后級(jí)放大電路的輸出通過(guò)底板(9)連接功放部分(7)的發(fā)射電路的輸入端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能深水應(yīng)答器，其特征是所述的電源板(10)由電源芯片A(31)電源芯片B(32)電源芯片C(34)、電磁繼電器2(29)及晶體三級(jí)管(35)組成，電磁繼電器2(29)的開(kāi)關(guān)連接單片機(jī)(14)，電源芯片A(31)連接單片機(jī)(14)，電源芯片B(32)連接寬帶接收機(jī)(12)，電源芯片C(34)連接光藕后級(jí)電路(19)和晶體三極管(35)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能深水應(yīng)答器，其特征是所述的聲學(xué)換能器(3)由高頻換能器和低頻換能器組成，高頻換能器的正負(fù)極接功放板(7)的高頻發(fā)射/接收電路，低頻換能器的正負(fù)極接功放板(7)的低頻發(fā)射電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能深水應(yīng)答器，其特征是所述的釋放機(jī)構(gòu)(4)由連接單片機(jī)(14)的電機(jī)(36)和釋放鉤(37)組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能深水應(yīng)答器，其特征是所述的外部接口(5)主要包括一個(gè)12芯的水密接頭(38)，電磁繼電器3(39)和串口芯片(21)，串口芯片(21)連接DSP(15)與PC機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種新型智能深水應(yīng)答器，它是由水聲信號(hào)處理單元1、連接水聲信號(hào)處理單元1的電源管理單元2、外部接口5、聲學(xué)換能器3和釋放機(jī)構(gòu)4五部分組成，水聲信號(hào)處理單元1包括設(shè)置在底板9上的水聲信號(hào)處理聲學(xué)部分6、功放部分7和電容部分8；電源管理單元2包括電源板10和電池11，電源板10連接電池11通過(guò)底板9連接各個(gè)用電單元。本發(fā)明具有自校陣、自檢、自釋放、低功耗、耐高壓、高可靠性、易操作等功能和特點(diǎn)，可以用于對(duì)水聲收/發(fā)機(jī)發(fā)出的詢問(wèn)信號(hào)進(jìn)行應(yīng)答，并接收、執(zhí)行和回復(fù)某些特定的水聲遙控指令，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)基線系統(tǒng)的定位導(dǎo)航功能。
文檔編號(hào)G01S5/28GK1971305SQ200610151088
公開(kāi)日2007年5月30日 申請(qǐng)日期2006年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月1日
發(fā)明者梁國(guó)龍, 王燕, 王大宇, 張光普, 付進(jìn) 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)