專利名稱：水下高速目標(biāo)軌跡測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及的是一種定位聲納裝置。
背景技術(shù)：
近年水下高速運(yùn)動目標(biāo)定位的需求呈現(xiàn)出增長的趨勢。在生物研究中常常要觀測記錄鯨、海豚或其他水下大型魚類的行進(jìn)軌跡以研究其巡游的規(guī)律。研究中常常通過在它們身上安裝微型聲信標(biāo)實現(xiàn)對研究目標(biāo)的實時監(jiān)測，而海豚等水下大型生物的最高運(yùn)動速度可達(dá)50千米/時，甚至高于普通船只，因而需要高速運(yùn)動目標(biāo)定位技術(shù)的支撐以完成相關(guān)考察研究。近年隨著水下潛器技術(shù)的成熟，私人潛艇漸漸興起。目前世界最快的“超級獵鷹”號私人潛艇最高航速20千米/時，在實際使用中同樣需要使用水下運(yùn)動目標(biāo)定位技術(shù)保證潛艇內(nèi)人員的生命安全，并可對潛器進(jìn)行輔助導(dǎo)航。由此可見，進(jìn)行高精度水下高速運(yùn)動目標(biāo)定位技術(shù)的研究不僅可以滿足現(xiàn)有的民用需求，更可為未來水下勘探、海洋開發(fā)提供技術(shù)支持。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、便于安裝、操作使用方便的水下高速目標(biāo)軌跡測量系統(tǒng)。本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的本實用新型水下高速目標(biāo)軌跡測量系統(tǒng)，包括依次相連的水面定位單元、同步器、 聲信標(biāo)，其特征是所述的水面定位單元包括依次相連的水下?lián)Q能器基陣、信號與處理系統(tǒng)、數(shù)字信號處理單元、計算機(jī)，信號與處理系統(tǒng)包括依次相連的信號濾波模塊、信號放大模塊和可控增益模塊，數(shù)字信號處理單元包括邏輯控制模塊、信號采集模塊、GPS姿態(tài)儀數(shù)據(jù)信息接收模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊，邏輯控制模塊分別與信號采集模塊、GPS姿態(tài)儀數(shù)據(jù)信息接收模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊相連，網(wǎng)絡(luò)通信模塊還和信號采集模塊、GPS姿態(tài)儀數(shù)據(jù)信息接收模塊相連；同步器包括相連的邏輯控制模塊和同步信號產(chǎn)生模塊；聲信標(biāo)包括依次相連的發(fā)射控制模塊、發(fā)射功率放大模塊和發(fā)射換能器。本實用新型還可以包括1、水下?lián)Q能器基陣與信號預(yù)處理系統(tǒng)中的信號濾波模塊相連，信號預(yù)處理系統(tǒng)和數(shù)字信號處理單元通過可控增益模塊和信號采集模塊相連，計算機(jī)與數(shù)字信號處理單元的網(wǎng)絡(luò)通信模塊相連。2、水面定位單元和同步器通過邏輯控制模塊和同步信號產(chǎn)生模塊相連，同步器和聲信標(biāo)通過同步信號產(chǎn)生模塊和發(fā)射控制模塊相連。本實用新型的優(yōu)勢在于本實用新型具有高精度的定位能力，準(zhǔn)確地測出目標(biāo)在水下的運(yùn)動軌跡，能夠完成高速運(yùn)動目標(biāo)的軌跡測量。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝，操作使用方便。利用該系統(tǒng)能夠觀測到水下作業(yè)目標(biāo)的運(yùn)動狀況，尤其是能夠?qū)崿F(xiàn)高速運(yùn)動目標(biāo)的軌跡測量，供使用者研究分析使用。
圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)原理框圖；圖2為本實用新型的分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖3為本實用新型的定位解算軟件工作流程框圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖舉例對本實用新型做更詳細(xì)地描述結(jié)合圖1 3，本實用新型水下高速目標(biāo)軌跡測量系統(tǒng)包括依次相連的水面定位單元1、同步器3、聲信標(biāo)2，水面定位單元1包括依次相連的水下?lián)Q能器基陣5、信號預(yù)處理系統(tǒng)9、數(shù)字信號處理單元8、計算機(jī)7，信號預(yù)處理系統(tǒng)9包括依次相連的信號濾波模塊 15、信號放大模塊16和可控增益模塊17，數(shù)字信號處理單元8包括邏輯控制模塊11、信號采集模塊12、GPS姿態(tài)儀數(shù)據(jù)信息接收模塊13、網(wǎng)絡(luò)通信模塊14，邏輯控制模塊11分別與信號采集模塊12、GPS姿態(tài)儀數(shù)據(jù)信息接收模塊13、網(wǎng)絡(luò)通信模塊14相連，網(wǎng)絡(luò)通信模塊 14還和信號采集模塊12、GPS姿態(tài)儀數(shù)據(jù)信息接收模塊相連13 ；同步器3包括相連的邏輯控制模塊21和同步信號產(chǎn)生模塊22 ；聲信標(biāo)2包括依次相連的發(fā)射控制模塊18、發(fā)射功率放大模塊19和發(fā)射換能器20。水下?lián)Q能器基陣5與信號預(yù)處理系統(tǒng)9中的信號濾波模塊15相連，信號預(yù)處理系統(tǒng)9和數(shù)字信號處理單元8通過可控增益模塊17和信號采集模塊12相連，計算機(jī)7與數(shù)字信號處理單元8的網(wǎng)絡(luò)通信模塊14相連。水面定位單元1和同步器3通過邏輯控制模塊11和同步信號產(chǎn)生模塊22相連， 同步器3和聲信標(biāo)2通過同步信號產(chǎn)生模塊22和發(fā)射控制模塊18相連。計算機(jī)7上裝有該系統(tǒng)的采集軟件與數(shù)據(jù)處理及顯示軟件。采集軟件主要完成數(shù)據(jù)的采集顯示和命令配置等。數(shù)據(jù)采集顯示包括數(shù)據(jù)波形顯示，GPS和姿態(tài)儀信息顯示，數(shù)據(jù)存儲等，并能夠通過選擇來觀察不同通道的信號波形。能夠完成的控制命令主要包括系統(tǒng)啟動與停止，聲信標(biāo)上下電，聲信標(biāo)電量檢測，聲信標(biāo)同步，聲信標(biāo)工作模式配置，預(yù)處理系統(tǒng)放大增益改變，采集模式選擇等。數(shù)字信號處理單元8中的網(wǎng)絡(luò)通信模塊11完成采集數(shù)據(jù)的上傳以及命令的接收。 邏輯控制模塊12根據(jù)接收到的命令，完成對應(yīng)的功能，例如增益的調(diào)整，聲信標(biāo)的模式配置等。當(dāng)采集命令下達(dá)后，信號數(shù)據(jù)采集模塊13開始采集數(shù)據(jù)，GPS、姿態(tài)儀信息接收模塊 14同時接收對應(yīng)的信息。數(shù)字信號處理單元8通過網(wǎng)絡(luò)通信模塊11將數(shù)據(jù)信息傳送至計算機(jī)中供顯示與存儲解算使用。信號預(yù)處理單元9則在采集系統(tǒng)啟動后，對換能器基陣上傳的信號進(jìn)行濾波、放大、調(diào)控處理。將信號中混疊的一部分噪聲與干擾濾除掉，并根據(jù)控制命令實現(xiàn)信號的放大。計算機(jī)7、數(shù)字信號處理單元8和信號預(yù)處理系統(tǒng)9組成水上處理系統(tǒng)4。聲信標(biāo)2裝載在被測運(yùn)動目標(biāo)上，固定連接。當(dāng)完成同步于工作模式配置即可投入使用。其在水下以規(guī)定的周期發(fā)射脈沖信號，供水面單元采集。其中發(fā)射控制模塊18主要完成同步與配置命令的接收，完成發(fā)射信號的選擇。發(fā)射信號經(jīng)過發(fā)射功率放大模塊19放大后，由發(fā)射換能器20完成聲信號的發(fā)射。該換能器為圓環(huán)帶狀，這樣能夠保證360°范圍都能接收到信號，而不受水下目標(biāo)姿態(tài)的影響。同步器3主要是完成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與聲信標(biāo)的同步工作，當(dāng)聲信標(biāo)被裝載在目標(biāo)上之后，搬動不方便的情況下，則可以使用同步器來完成二者的同步。而且同步器采用電池供電，不受外界供電影響，當(dāng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由于外界突然斷電失去同步信號時，可以用同步器再次同步，而不影響正常工作?；?利用剛性結(jié)構(gòu)固定于船舷，換能器應(yīng)位于水下2米左右，以保證良好的信號接收質(zhì)量?；嚢惭b時應(yīng)該盡量遠(yuǎn)離螺旋槳位置，避免螺旋槳噪聲的干擾。換能器基陣5與信號預(yù)處理單元9中的信號濾波模塊15通過電纜6相連。信號預(yù)處理單元9中，信號濾波模塊15、信號放大模塊16和可控增益模塊(17)依次電信號連接。 可控增益模塊17與信號采集模塊12之間采用電信號隔離效果明顯的光耦相連接，有效地抑制了兩部分的互相干擾。信號采集模塊12與邏輯控制模塊11電信號相連，與網(wǎng)絡(luò)通信接口模塊14通過數(shù)據(jù)總線相連接。另外，邏輯控制模塊11分別與GPS姿態(tài)儀數(shù)據(jù)信息接收模塊13和網(wǎng)絡(luò)通信模塊14電信號相連接。GPS姿態(tài)儀數(shù)據(jù)信息接收模塊13和網(wǎng)絡(luò)通信模塊14之間采用數(shù)據(jù)傳輸總線相連。網(wǎng)絡(luò)通信模塊14通過網(wǎng)線10與計算機(jī)7相連接。同步器3中，邏輯控制模塊21和同步信號產(chǎn)生模塊22之間電信號相連接，同步信號產(chǎn)生模塊22與數(shù)字信號處理單元8中的邏輯控制模塊11采用可插拔的數(shù)據(jù)線相連接。 同步信號產(chǎn)生模塊22與聲信標(biāo)2中的發(fā)射控制模塊18也采用可插拔的數(shù)據(jù)線相連接?？刂泼顐鬏斖戤吅?，拔出數(shù)據(jù)線，進(jìn)行密封。發(fā)射控制模塊18，發(fā)射功率放大模塊19和發(fā)射換能器20依次通過電信號相連。本實用新型工作原理是水下高速目標(biāo)測量系統(tǒng)的水面單元1安裝于水面測量船上，聲信標(biāo)裝載在被測運(yùn)動目標(biāo)上。當(dāng)系統(tǒng)工作時，啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電源并對同步器和聲信標(biāo)上電。使用同步器對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和聲信標(biāo)進(jìn)行同步操作，對聲信標(biāo)進(jìn)行工作模式配置，然后就可以工作了。 目標(biāo)攜帶聲信標(biāo)在水下運(yùn)動時，聲信標(biāo)按照配置完成對應(yīng)的信號發(fā)射。聲信號經(jīng)水下傳播， 被傳送到換能器基陣5，聲信號被轉(zhuǎn)換為電信號。電信號經(jīng)電纜6進(jìn)入信號預(yù)處理單元8， 經(jīng)濾波放大處理后送入數(shù)字信號處理單元8。經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最終與數(shù)字信號處理單元8接收的GPS和姿態(tài)儀數(shù)據(jù)一同送入顯控軟件進(jìn)行顯示。操作人員可以根據(jù)信號幅度的大小來手動控制信號預(yù)處理單元9的放大增益。準(zhǔn)備對目標(biāo)進(jìn)行定位時，開始保持?jǐn)?shù)據(jù)直到目標(biāo)運(yùn)動測試完畢。利用采集的數(shù)據(jù)解算出目標(biāo)的運(yùn)動軌跡以及目標(biāo)運(yùn)動速度等信息。換能器基陣5剛性安裝于船舷，盡量保持基陣垂直安裝，與船載姿態(tài)儀保持一致。 基陣入水2米左右即可，不宜太淺。為了保證良好的定位性能，基陣安裝盡量遠(yuǎn)離螺旋槳以及船頭等地方，以防螺旋槳噪聲，氣泡層對聲信號的影響。整個系統(tǒng)安裝如圖1所示依次連接，并將GPS和姿態(tài)傳感器接口連接到數(shù)字信號處理單元8上，將數(shù)據(jù)波特率設(shè)定為指定的速率和格式即可。數(shù)字信號處理單元8中采用的是DPS與FPGA組合的電路結(jié)構(gòu)模式。DSP 處理器采用的是TI公司的C6416，F(xiàn)PGA采用的是ALTERA公司的EP2C8Q208I8，AD模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選用的是AD7655，支持四通道信號轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用24V DC供電，系統(tǒng)配有220V AC轉(zhuǎn)MV DC的變壓器，可以直接使用220V交流電。系統(tǒng)上電后，數(shù)字信號處理單元8上的DSP及FPGA分別加載Flash中的固化程序，進(jìn)入待機(jī)工作狀態(tài)。同時打開聲信標(biāo)2和同步器3的開關(guān)。預(yù)熱15分鐘后， 使用同步器3分別對數(shù)字信號處理單元8和聲信標(biāo)2進(jìn)行同步。啟動計算機(jī)7上的采集軟件，進(jìn)行參數(shù)配置，啟動數(shù)據(jù)采集。采集到的信號波形會實時顯示在軟件屏幕中，操作人員可根據(jù)實際情況可通過顯控軟件中的設(shè)置窗口調(diào)整預(yù)處理單元9放大增益。增益分為三個檔位40dB，50dB, 60dB。當(dāng)信標(biāo)2連接至數(shù)字信號處理單元8時，可以檢測聲信標(biāo)2的剩余電量以及讀取其內(nèi)部存儲的壓力數(shù)據(jù)，獲得聲信標(biāo)2運(yùn)動過程中的深度信息。 完成參數(shù)配置以及前期檢測工作后，即可讓帶有聲信標(biāo)2的待測目標(biāo)入水運(yùn)動。 聲信標(biāo)2采用的是壓力啟動，當(dāng)水壓達(dá)到設(shè)定門限后，開始發(fā)射定位脈沖。發(fā)射周期和發(fā)射的數(shù)據(jù)脈沖由發(fā)射控制模塊18控制，數(shù)據(jù)脈沖驅(qū)動功率放大模塊19)獲得放大的模擬驅(qū)動信號，該信號經(jīng)發(fā)射換能器20發(fā)射出去。目標(biāo)準(zhǔn)備下水時，可以按下顯控軟件的存儲按鈕， 系統(tǒng)會按操作人員指定的路徑和文件名存儲數(shù)據(jù)。這樣目標(biāo)在水下運(yùn)動的整個過程中，聲信標(biāo)2發(fā)射的定位脈沖信號被采集保存下來。顯控處理軟件根據(jù)存儲的波形文件，解算出目標(biāo)的運(yùn)動軌跡，并將結(jié)果保存下來。
權(quán)利要求1.水下高速目標(biāo)軌跡測量系統(tǒng)，包括依次相連的水面定位單元、同步器、聲信標(biāo)，其特征是所述的水面定位單元包括依次相連的水下?lián)Q能器基陣、信號預(yù)處理系統(tǒng)、數(shù)字信號處理單元、計算機(jī)，信號預(yù)處理系統(tǒng)包括依次相連的信號濾波模塊、信號放大模塊和可控增益模塊，數(shù)字信號處理單元包括邏輯控制模塊、信號采集模塊、GPS姿態(tài)儀數(shù)據(jù)信息接收模塊、 網(wǎng)絡(luò)通信模塊，邏輯控制模塊分別與信號采集模塊、GPS姿態(tài)儀數(shù)據(jù)信息接收模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊相連，網(wǎng)絡(luò)通信模塊還和信號采集模塊、GPS姿態(tài)儀數(shù)據(jù)信息接收模塊相連；同步器包括相連的邏輯控制模塊和同步信號產(chǎn)生模塊；聲信標(biāo)包括依次相連的發(fā)射控制模塊、發(fā)射功率放大模塊和發(fā)射換能器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下高速目標(biāo)軌跡測量系統(tǒng)，其特征是水下?lián)Q能器基陣與信號預(yù)處理系統(tǒng)中的信號濾波模塊相連，信號預(yù)處理系統(tǒng)和數(shù)字信號處理單元通過可控增益模塊和信號采集模塊相連，計算機(jī)與數(shù)字信號處理單元的網(wǎng)絡(luò)通信模塊相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的水下高速目標(biāo)軌跡測量系統(tǒng)，其特征是水面定位單元和同步器通過邏輯控制模塊和同步信號產(chǎn)生模塊相連，同步器和聲信標(biāo)通過同步信號產(chǎn)生模塊和發(fā)射控制模塊相連。
專利摘要本實用新型的目的在于提供水下高速目標(biāo)軌跡測量系統(tǒng)，包括依次相連的水面定位單元、同步器、聲信標(biāo)，水面定位單元包括依次相連的水下?lián)Q能器基陣、信號預(yù)處理系統(tǒng)、數(shù)字信號處理單元、計算機(jī)；同步器包括相連的邏輯控制模塊和同步信號產(chǎn)生模塊；聲信標(biāo)包括依次相連的發(fā)射控制模塊、發(fā)射功率放大模塊和發(fā)射換能器。本實用新型具有高精度的定位能力，準(zhǔn)確地測出目標(biāo)在水下的運(yùn)動軌跡，能夠完成高速運(yùn)動目標(biāo)的軌跡測量，且結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝，操作使用方便。能夠觀測到水下作業(yè)目標(biāo)的運(yùn)動狀況，尤其是能夠?qū)崿F(xiàn)高速運(yùn)動目標(biāo)的軌跡測量，供使用者研究分析使用。
文檔編號G01S15/88GK202133774SQ20112019535
公開日2012年2月1日 申請日期2011年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月10日
發(fā)明者勇俊, 盧逢春, 孫大軍, 張殿倫, 李想, 鄭翠娥 申請人:哈爾濱工程大學(xué)