水下高速目标轨迹测量系统

摘要

本发明的目的在于提供水下高速目标轨迹测量系统，包括依次相连的水面定位单元、同步器、声信标，水面定位单元包括依次相连的水下换能器基阵、信号预处理系统、数字信号处理单元、计算机；同步器包括相连的逻辑控制模块和同步信号产生模块；声信标包括依次相连的发射控制模块、发射功率放大模块和发射换能器。本发明具有高精度的定位能力，准确地测出目标在水下的运动轨迹，能够完成高速运动目标的轨迹测量，且结构简单，便于安装，操作使用方便。能够观测到水下作业目标的运动状况，尤其是能够实现高速运动目标的轨迹测量，供使用者研究分析使用。

权利要求

1.水下高速目标轨迹测量系统，包括依次相连的水面定位单元、同步器、声信标，其特征是：所述的水面定位单元包括依次相连的水下换能器基阵、信号预处理系统、数字信号处理单元、计算机，信号预处理系统包括依次相连的信号滤波模块、信号放大模块和可控增益模块，数字信号处理单元包括逻辑控制模块、信号采集模块、GPS姿态仪数据信息接收模块、网络通信模块，逻辑控制模块分别与信号采集模块、GPS姿态仪数据信息接收模块、网络通信模块相连，网络通信模块还和信号采集模块、GPS姿态仪数据信息接收模块相连；同步器包括相连的逻辑控制模块和同步信号产生模块；声信标包括依次相连的发射控制模块、发射功率放大模块和发射换能器。

2.根据权利要求1所述的水下高速目标轨迹测量系统，其特征是：水下换能器基阵与信号预处理系统中的信号滤波模块相连，信号预处理系统和数字信号处理单元通过可控增益模块和信号采集模块相连，计算机与数字信号处理单元的网络通信模块相连。

3.根据权利要求1或2所述的水下高速目标轨迹测量系统，其特征是：水面定位单元和同步器通过逻辑控制模块和同步信号产生模块相连，同步器和声信标通过同步信号产生模块和发射控制模块相连。

说明书

水下高速目标轨迹测量系统

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种定位声纳装置。

背景技术

[0002] 近年水下高速运动目标定位的需求呈现出增长的趋势。在生物研究中常常要观测记录鲸、海豚或其他水下大型鱼类的行进轨迹以研究其巡游的规律。研究中常常通过在它们身上安装微型声信标实现对研究目标的实时监测，而海豚等水下大型生物的最高运动速度可达50千米/时，甚至高于普通船只，因而需要高速运动目标定位技术的支撑以完成相关考察研究。近年随着水下潜器技术的成熟，私人潜艇渐渐兴起。目前世界最快的“超级猎鹰”号私人潜艇最高航速20千米/时，在实际使用中同样需要使用水下运动目标定位技术保证潜艇内人员的生命安全，并可对潜器进行辅助导航。

[0003] 由此可见，进行高精度水下高速运动目标定位技术的研究不仅可以满足现有的民用需求，更可为未来水下勘探、海洋开发提供技术支持。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供系统结构简单、便于安装、操作使用方便的水下高速目标轨迹测量系统。

[0005] 本发明的目的是这样实现的：

[0006] 本发明水下高速目标轨迹测量系统，包括依次相连的水面定位单元、同步器、声信标，其特征是：所述的水面定位单元包括依次相连的水下换能器基阵、信号与处理系统、数字信号处理单元、计算机，信号与处理系统包括依次相连的信号滤波模块、信号放大模块和可控增益模块，数字信号处理单元包括逻辑控制模块、信号采集模块、GPS姿态仪数据信息接收模块、网络通信模块，逻辑控制模块分别与信号采集模块、GPS姿态仪数据信息接收模块、网络通信模块相连，网络通信模块还和信号采集模块、GPS姿态仪数据信息接收模块相连；同步器包括相连的逻辑控制模块和同步信号产生模块；声信标包括依次相连的发射控制模块、发射功率放大模块和发射换能器。

[0007] 本发明还可以包括：

[0008] 1、水下换能器基阵与信号预处理系统中的信号滤波模块相连，信号预处理系统和数字信号处理单元通过可控增益模块和信号采集模块相连，计算机与数字信号处理单元的网络通信模块相连。

[0009] 2、水面定位单元和同步器通过逻辑控制模块和同步信号产生模块相连，同步器和声信标通过同步信号产生模块和发射控制模块相连。

[0010] 本发明的优势在于：本发明具有高精度的定位能力，准确地测出目标在水下的运动轨迹，能够完成高速运动目标的轨迹测量。该系统结构简单，便于安装，操作使用方便。利用该系统能够观测到水下作业目标的运动状况，尤其是能够实现高速运动目标的轨迹测量，供使用者研究分析使用。

附图说明

[0011] 图1为本发明的结构原理框图；

[0012] 图2为本发明的分系统结构框图；

[0013] 图3为本发明的定位解算软件工作流程框图。

具体实施方式

[0014] 下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

[0015] 结合图1～3，本发明水下高速目标轨迹测量系统包括依次相连的水面定位单元1、同步器3、声信标2，水面定位单元1包括依次相连的水下换能器基阵5、信号预处理系统
9、数字信号处理单元8、计算机7，信号预处理系统9包括依次相连的信号滤波模块15、信号放大模块16和可控增益模块17，数字信号处理单元8包括逻辑控制模块11、信号采集模块
12、GPS姿态仪数据信息接收模块13、网络通信模块14，逻辑控制模块11分别与信号采集模块12、GPS姿态仪数据信息接收模块13、网络通信模块14相连，网络通信模块14还和信号采集模块12、GPS姿态仪数据信息接收模块相连13；同步器3包括相连的逻辑控制模块
21和同步信号产生模块22；声信标2包括依次相连的发射控制模块18、发射功率放大模块
19和发射换能器20。

[0016] 水下换能器基阵5与信号预处理系统9中的信号滤波模块15相连，信号预处理系统9和数字信号处理单元8通过可控增益模块17和信号采集模块12相连，计算机7与数字信号处理单元8的网络通信模块14相连。

[0017] 水面定位单元1和同步器3通过逻辑控制模块11和同步信号产生模块22相连，同步器3和声信标2通过同步信号产生模块22和发射控制模块18相连。

[0018] 计算机7上装有该系统的采集软件与数据处理及显示软件。采集软件主要完成数据的采集显示和命令配置等。数据采集显示包括数据波形显示，GPS和姿态仪信息显示，数据存储等，并能够通过选择来观察不同通道的信号波形。能够完成的控制命令主要包括：系统启动与停止，声信标上下电，声信标电量检测，声信标同步，声信标工作模式配置，预处理系统放大增益改变，采集模式选择等。

[0019] 数字信号处理单元8中的网络通信模块11完成采集数据的上传以及命令的接收。逻辑控制模块12根据接收到的命令，完成对应的功能，例如增益的调整，声信标的模式配置等。当采集命令下达后，信号数据采集模块13开始采集数据，GPS、姿态仪信息接收模块
14同时接收对应的信息。数字信号处理单元8通过网络通信模块11将数据信息传送至计算机中供显示与存储解算使用。

[0020] 信号预处理单元9则在采集系统启动后，对换能器基阵上传的信号进行滤波、放大、调控处理。将信号中混叠的一部分噪声与干扰滤除掉，并根据控制命令实现信号的放大。

[0021] 计算机7、数字信号处理单元8和信号预处理系统9组成水上处理系统4。

[0022] 声信标2装载在被测运动目标上，固定连接。当完成同步于工作模式配置即可投入使用。其在水下以规定的周期发射脉冲信号，供水面单元采集。其中发射控制模块18主要完成同步与配置命令的接收，完成发射信号的选择。发射信号经过发射功率放大模块19放大后，由发射换能器20完成声信号的发射。该换能器为圆环带状，这样能够保证360°范围都能接收到信号，而不受水下目标姿态的影响。

[0023] 同步器3主要是完成数据采集系统与声信标的同步工作，当声信标被装载在目标上之后，搬动不方便的情况下，则可以使用同步器来完成二者的同步。而且同步器采用电池供电，不受外界供电影响，当数据采集系统由于外界突然断电失去同步信号时，可以用同步器再次同步，而不影响正常工作。

[0024] 基阵5利用刚性结构固定于船舷，换能器应位于水下2米左右，以保证良好的信号接收质量。基阵安装时应该尽量远离螺旋桨位置，避免螺旋桨噪声的干扰。

[0025] 换能器基阵5与信号预处理单元9中的信号滤波模块15通过电缆6相连。信号预处理单元9中，信号滤波模块15、信号放大模块16和可控增益模块(17)依次电信号连接。可控增益模块17与信号采集模块12之间采用电信号隔离效果明显的光耦相连接，有效地抑制了两部分的互相干扰。信号采集模块12与逻辑控制模块11电信号相连，与网络通信接口模块14通过数据总线相连接。另外，逻辑控制模块11分别与GPS姿态仪数据信息接收模块13和网络通信模块14电信号相连接。GPS姿态仪数据信息接收模块13和网络通信模块14之间采用数据传输总线相连。网络通信模块14通过网线10与计算机7相连接。

[0026] 同步器3中，逻辑控制模块21和同步信号产生模块22之间电信号相连接，同步信号产生模块22与数字信号处理单元8中的逻辑控制模块11采用可插拔的数据线相连接。同步信号产生模块22与声信标2中的发射控制模块18也采用可插拔的数据线相连接。控制命令传输完毕后，拔出数据线，进行密封。发射控制模块18，发射功率放大模块19和发射换能器20依次通过电信号相连。

[0027] 本发明工作原理是：

[0028] 水下高速目标测量系统的水面单元1安装于水面测量船上，声信标装载在被测运动目标上。当系统工作时，启动数据采集系统电源并对同步器和声信标上电。使用同步器对数据采集系统和声信标进行同步操作，对声信标进行工作模式配置，然后就可以工作了。目标携带声信标在水下运动时，声信标按照配置完成对应的信号发射。声信号经水下传播，被传送到换能器基阵5，声信号被转换为电信号。电信号经电缆6进入信号预处理单元8，经滤波放大处理后送入数字信号处理单元8。经数模转换器，模拟信号转换为数字信号，最终与数字信号处理单元8接收的GPS和姿态仪数据一同送入显控软件进行显示。操作人员可以根据信号幅度的大小来手动控制信号预处理单元9的放大增益。准备对目标进行定位时，开始保持数据直到目标运动测试完毕。利用采集的数据解算出目标的运动轨迹以及目标运动速度等信息。

[0029] 换能器基阵5刚性安装于船舷，尽量保持基阵垂直安装，与船载姿态仪保持一致。基阵入水2米左右即可，不宜太浅。为了保证良好的定位性能，基阵安装尽量远离螺旋桨以及船头等地方，以防螺旋桨噪声，气泡层对声信号的影响。整个系统安装如图1所示依次连接，并将GPS和姿态传感器接口连接到数字信号处理单元8上，将数据波特率设定为指定的速率和格式即可。数字信号处理单元8中采用的是DPS与FPGA组合的电路结构模式。DSP处理器采用的是TI公司的C6416，FPGA采用的是ALTERA公司的EP2C8Q208I8，AD模数转换芯片选用的是AD7655，支持四通道信号转换。

[0030] 数据采集系统采用24VDC供电，系统配有220VAC转24VDC的变压器，可以直接使用220V交流电。系统上电后，数字信号处理单元8上的DSP及FPGA分别加载Flash中的固化程序，进入待机工作状态。同时打开声信标2和同步器3的开关。预热15分钟后，使用同步器3分别对数字信号处理单元8和声信标2进行同步。启动计算机7上的采集软件，进行参数配置，启动数据采集。采集到的信号波形会实时显示在软件屏幕中，操作人员可根据实际情况可通过显控软件中的设置窗口调整预处理单元9放大增益。增益分为三个档位：40dB，50dB，60dB。当信标2连接至数字信号处理单元8时，可以检测声信标2的剩余电量以及读取其内部存储的压力数据，获得声信标2运动过程中的深度信息。

[0031] 完成参数配置以及前期检测工作后，即可让带有声信标2的待测目标入水运动。声信标2采用的是压力启动，当水压达到设定门限后，开始发射定位脉冲。发射周期和发射的数据脉冲由发射控制模块18控制，数据脉冲驱动功率放大模块19)获得放大的模拟驱动信号，该信号经发射换能器20发射出去。目标准备下水时，可以按下显控软件的存储按钮，系统会按操作人员指定的路径和文件名存储数据。这样目标在水下运动的整个过程中，声信标2发射的定位脉冲信号被采集保存下来。显控处理软件根据存储的波形文件，解算出目标的运动轨迹，并将结果保存下来。