專利名稱：一種小深度多普勒計(jì)程儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是航海計(jì)程領(lǐng)域，具體涉及一種多普勒計(jì)程儀，屬于水聲導(dǎo)航儀器。
背景技術(shù)：
目前，在航海系統(tǒng)中，采用計(jì)程儀可以連續(xù)測(cè)量運(yùn)動(dòng)中船舶的速度并計(jì)算出船舶 的累計(jì)航程。20世紀(jì)30年代出現(xiàn)薩爾式水壓計(jì)程儀和契爾尼克夫式轉(zhuǎn)輪計(jì)程儀；50年代 出現(xiàn)電磁計(jì)程儀。以上各種計(jì)程儀均系測(cè)量船舶相對(duì)于水的航速和航程，只有根據(jù)水的流 速和流向加以修正，方能求得船舶相對(duì)于水底的航速和航程，另外安裝及維修較麻煩。70年 代出現(xiàn)的多普勒計(jì)程儀，可以直接測(cè)量船舶相對(duì)于水底的航速和航程，使計(jì)程儀發(fā)展到一 個(gè)新的水平。多普勒計(jì)程儀利用發(fā)射的聲波和接收的水底反射波之間的多普勒頻移測(cè)量船舶 相對(duì)于水底的航速和累計(jì)航程。這種計(jì)程儀準(zhǔn)確性好，靈敏度高，可測(cè)縱向和橫向速度。主 要用于船舶在狹水道航行、進(jìn)出港、靠離碼頭時(shí)提供船舶縱向和橫向運(yùn)動(dòng)的精確數(shù)據(jù)。最突 出的特點(diǎn)是具有很高的靈敏度，測(cè)相對(duì)海底速度，能精確到0.01節(jié)。目前的多普勒計(jì)程儀有缺陷采用相控陣的大深度多普勒計(jì)程儀，可測(cè)船舶對(duì)底 或?qū)λ乃俣?，但其工藝?fù)雜、價(jià)格貴；另外一種是小型化的對(duì)水多普勒計(jì)程儀，體積小、價(jià) 格便宜，但只能測(cè)對(duì)海底的速度。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述的問(wèn)題，本發(fā)明所要解決的就是提出一種既可以對(duì)水也可以対底測(cè)速， 但工藝較相控陣簡(jiǎn)單，價(jià)格也較便宜的小深度多普勒計(jì)程儀。在200m水深范圍內(nèi)，利用海 底的散射信號(hào)進(jìn)行対底測(cè)速；當(dāng)水深超過(guò)200m時(shí)，利用換能器基陣面以下IOm深的某一厚 度水層的體積散射信號(hào)進(jìn)行對(duì)水測(cè)速。本發(fā)明提供的小深度多普勒計(jì)程儀，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由水下?lián)Q能器 基陣、接線盒、主機(jī)柜(含收/發(fā)系統(tǒng))、主顯示器以及電源箱共五個(gè)部分組成。—換能器基陣用于向水中發(fā)射聲脈沖信號(hào)，并接收從海底或水層返回的聲波，實(shí) 現(xiàn)電-聲或聲-電轉(zhuǎn)換功能。一接線盒用于實(shí)現(xiàn)換能器阻抗與發(fā)射機(jī)負(fù)載阻抗間的匹配。它還帶有4路模擬負(fù) 載，具有模擬負(fù)載或換能器與主機(jī)柜中收/發(fā)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)接功能。-主機(jī)柜由計(jì)算機(jī)及數(shù)字信號(hào)處理分機(jī)、收/發(fā)系統(tǒng)和低壓電源模塊組成。計(jì)算機(jī)及數(shù)字信號(hào)處理分機(jī)主要完成速度、航程、深度的計(jì)算以及數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn) 自校、工況轉(zhuǎn)換以及與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊。收/發(fā)系統(tǒng)主要完成對(duì)發(fā)射脈沖包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制和功率放大，對(duì)接收回波信號(hào) 進(jìn)行放大、對(duì)數(shù)檢波和正交變頻輸出。它還可以對(duì)校正脈沖包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制和放大，再通 過(guò)接線盒轉(zhuǎn)接至接收通道，完成自校功能。-主顯示器用于速度、航程及設(shè)備工作狀態(tài)信息，并對(duì)設(shè)備的工作狀態(tài)及參數(shù)進(jìn)行操控。-電源箱用于提供主機(jī)柜中收/發(fā)系統(tǒng)中的發(fā)射機(jī)所需的高壓電源。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明圖1為系統(tǒng)方框圖。圖2為換能器布陣方式。圖3為發(fā)射通道原理性方塊圖。圖4為接收通道原理性方塊圖。圖5為電源機(jī)箱原理性方塊圖。
具體實(shí)施例方式在系統(tǒng)控制方面水深200m內(nèi)為対底工作狀態(tài)，并根據(jù)不同的深度進(jìn)行大、小功 率的發(fā)射；超過(guò)200m可自動(dòng)轉(zhuǎn)為對(duì)水工作狀態(tài)。此外這兩種工作狀態(tài)可以通過(guò)顯示器上的 鍵盤(pán)進(jìn)行手動(dòng)切換。在軟件處理方面対底工作狀態(tài)時(shí)，海底散射信號(hào)經(jīng)接收機(jī)去噪放大、通過(guò)對(duì)數(shù)檢 波器和正交變頻器得到信號(hào)包絡(luò)及實(shí)部、虛部后，在DSP部件內(nèi)進(jìn)行回波到達(dá)時(shí)間的測(cè)量、 信號(hào)門限的判斷和信號(hào)的復(fù)相關(guān)測(cè)頻，從而解算出船舶相對(duì)于海底的速度和深度。當(dāng)水深超過(guò)200m，海底散射信號(hào)小于門限信號(hào)，處于失捕狀態(tài)，連續(xù)失捕一段時(shí)間 后，可自動(dòng)轉(zhuǎn)為對(duì)水工作狀態(tài)；或者水深尚未超過(guò)200m時(shí)手動(dòng)強(qiáng)制對(duì)水工作狀態(tài)。這時(shí)利 用換能器基陣面以下IOm深的某一厚度水層的體積散射信號(hào)經(jīng)接收機(jī)去噪放大，進(jìn)行對(duì)數(shù) 檢波、正交變頻，然后在DSP部件內(nèi)進(jìn)行復(fù)相關(guān)測(cè)頻，并解算出船舶相對(duì)于水層的速度。這 樣即使船舶航行在水深超過(guò)200m的水域中，也能利用本發(fā)明測(cè)得的對(duì)水速度數(shù)據(jù)進(jìn)行輔 助導(dǎo)航。在本發(fā)明的設(shè)備硬件實(shí)現(xiàn)方面主要由下面5大部件構(gòu)成1.換能器基陣基陣內(nèi)含有四個(gè)采用壓電陶瓷材質(zhì)的換能器，按Janus法配置，形成十字對(duì)稱分 布，外八字形。四個(gè)換能器發(fā)射時(shí)形成四個(gè)波束，分別指向船艏、船艉、船的右舷和左舷。(如 圖2)整個(gè)基陣用不銹鋼材質(zhì)制造?；嚨淖钕旅鏋榫厶妓嶂澹鳛橥嘎暣笆褂?。透 聲窗和不銹鋼外殼包裹的空間內(nèi)充滿了有機(jī)硅油，作為液態(tài)聲透鏡使用。在換能器上部的 不銹鋼外殼上粘著一個(gè)鉬電阻，用于測(cè)量液態(tài)聲透鏡的溫度。這樣根據(jù)斯涅爾定理就可以 對(duì)聲速進(jìn)行補(bǔ)償。在整個(gè)基陣上部安裝一個(gè)水密接插件，供外接電纜使用。換能器是收發(fā)共用的，可承受電功率>200W。由于壓電陶瓷的表面有增透層，因此 電聲轉(zhuǎn)換效率可達(dá)70%左右。2.接線盒接線盒的主要功能是與收發(fā)共用換能器匹配并可以進(jìn)行自校切換。接線盒帶有四 個(gè)阻抗匹配通道和一個(gè)測(cè)溫通道。四個(gè)阻抗匹配通道是用來(lái)實(shí)現(xiàn)換能器基陣中艏、艉、右及 左四個(gè)換能器與它們所對(duì)應(yīng)的接收機(jī)輸入阻抗以及發(fā)射機(jī)等效負(fù)載阻抗之間的阻抗匹配。
測(cè)溫通道實(shí)際上是一個(gè)電阻-電流轉(zhuǎn)換器。換能器基陣中鉬電阻的阻值與溫度成 線性關(guān)系。為了便于長(zhǎng)電纜傳輸，接線盒中的測(cè)溫通道將鉬電阻的阻值轉(zhuǎn)換成電流值。測(cè) 溫通道具有很高的輸出阻抗，從而在信號(hào)傳輸過(guò)程中不會(huì)因電纜的直流電阻而構(gòu)成測(cè)量誤差。3.主機(jī)柜3. 1發(fā)射通道如圖3，多路振蕩器OSC由晶振經(jīng)分頻后產(chǎn)生一個(gè)頻率為發(fā)射載頻2倍的對(duì)稱方波 信號(hào)2F。OSC輸出的2F信號(hào)和計(jì)算機(jī)送出的發(fā)射脈沖包絡(luò)信號(hào)TE分別饋至發(fā)射調(diào)制器 TM0D，經(jīng)發(fā)射調(diào)制器同步、分頻和及防雙導(dǎo)保護(hù)后形成發(fā)射驅(qū)動(dòng)信號(hào)P1、P2。P1、P2信號(hào)為 相位相反的方波填充的鍵控脈沖，且有一定的防雙導(dǎo)時(shí)延。TMOD中還有OSC工作異常時(shí)的 保護(hù)電路，以確保發(fā)射機(jī)的安全。發(fā)射機(jī)TX接收TMOD輸出的發(fā)射驅(qū)動(dòng)信號(hào)PI、P2，經(jīng)整形后送至D類功放管進(jìn)行 功率放大，然后通過(guò)串聯(lián)諧振回路把信號(hào)饋至接線盒與換能器。發(fā)射機(jī)TX還可以輸出發(fā)射 自校信號(hào)。發(fā)射機(jī)TX模塊共有4塊，分別驅(qū)動(dòng)艏、艉、右、左四個(gè)換能器，以實(shí)現(xiàn)聲信號(hào)的發(fā) 射。3. 2接收通道如圖4，時(shí)變?cè)鲆娼邮諜C(jī)RXW接收換能器基陣收到的信號(hào)，經(jīng)濾波、放大后輸出。采 用壓控放大器，壓控信號(hào)TG的幅度由計(jì)算機(jī)根據(jù)回波到達(dá)的時(shí)間進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì) 海水中聲信號(hào)傳播衰減的補(bǔ)償。RXW還有過(guò)載快速恢復(fù)的特性，避免大信號(hào)時(shí)造成接收機(jī)死 鎖。對(duì)數(shù)檢波器RXZ對(duì)RXW輸出的信號(hào)進(jìn)行對(duì)數(shù)檢波，以得到接收波形的包絡(luò)Z。OSC除產(chǎn)生發(fā)射載頻外，還能產(chǎn)生兩路正交本振信號(hào)COS和SIN。變頻器RXXY接 收RXW的輸出信號(hào)和OSC產(chǎn)生的SIN或COS信號(hào)，進(jìn)行正交變頻和低通濾波，從而達(dá)到正交 差頻的目的。RXZ, RXXY的輸出信號(hào)Z、Y、X饋至計(jì)算機(jī)進(jìn)行復(fù)相關(guān)測(cè)頻的解算。
3. 3計(jì)算機(jī)及數(shù)字信號(hào)處理分機(jī)計(jì)算機(jī)及數(shù)字信號(hào)處理分機(jī)中含有CPU部件、DSP部件、多功能接口部件。CPU部件和無(wú)源母板構(gòu)成一臺(tái)計(jì)算機(jī)，DSP部件、多功能接口部件均插在無(wú)源母板 的槽口上。DSP部件是主要的信號(hào)處理部份，完成回波到達(dá)時(shí)間的測(cè)量，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù) 采集，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行舍取和完成復(fù)相關(guān)測(cè)頻算法中的乘加運(yùn)算，最終將結(jié)果通過(guò) PC總線傳送給CPU。多功能接口部件的主要作用是完成主機(jī)柜與主顯示器、復(fù)顯示器之間各種數(shù)據(jù)的 傳輸，以及提供多普勒計(jì)程儀與其他導(dǎo)航設(shè)備或系統(tǒng)之間各種數(shù)據(jù)的傳輸。4.電源機(jī)箱高壓電源箱是用來(lái)提供艏、艉、右及左通道中發(fā)射機(jī)的高壓直流電源。當(dāng)發(fā)射機(jī)發(fā) 射200W大功率時(shí)，由高壓電源箱提供直流電源；當(dāng)發(fā)射機(jī)發(fā)射2W小功率時(shí)，由主機(jī)柜電源 部件中的5V電源模塊提供直流電源。
如圖5，當(dāng)需要大功率發(fā)射時(shí)，將H信號(hào)置成高電平，此時(shí)交流固態(tài)繼電器1導(dǎo)通， 高壓電源模塊的輸出對(duì)大容量?jī)?chǔ)能電容進(jìn)行充電。這樣，大功率發(fā)射時(shí)發(fā)射機(jī)就可以從儲(chǔ) 能電容上汲取電流。當(dāng)需要小功率發(fā)射時(shí)，先將H信號(hào)置為低電平，切斷高壓電源模塊的交流供電，然 后將D信號(hào)置為高電平，此時(shí)直流固態(tài)繼電器導(dǎo)通，電容上的電荷通過(guò)大功率電阻R進(jìn)行放 電。放電完畢后，將D信號(hào)置為低電平，此時(shí)電容與電阻不再導(dǎo)通，最后轉(zhuǎn)入由主機(jī)柜中的 低壓電源模塊為發(fā)射機(jī)供電。5.顯示器顯示器主要由一套PC104計(jì)算機(jī)、顯卡、EL顯示屏、鍵盤(pán)以及電源模塊組成。PC104計(jì)算機(jī)主要用于接收和處理來(lái)自主機(jī)柜的各種數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)顯卡在顯示 屏上顯示各種數(shù)據(jù)和圖表。EL顯示屏是寬溫的(_20°C +85°C )。它具有體積小、顯示清晰、視角大、低壓供 電和抗惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)地測(cè)速時(shí)，顯示對(duì)海底的縱向速度、橫向速度、合速度和航程與 艦下深。對(duì)水層測(cè)速時(shí)，顯示對(duì)水層的縱向速度、橫向速度、合速度和航程。
權(quán)利要求
1.一種小深度多普勒計(jì)程儀，它既可以對(duì)底測(cè)速，也可以對(duì)水測(cè)速，其特征在于設(shè)備主 要由以下幾部分組成--換能器基陣用于向水中發(fā)射聲脈沖信號(hào)，并接收從海底或水層返回的聲波，實(shí)現(xiàn) 電-聲或聲-電轉(zhuǎn)換功能；-接線盒用于實(shí)現(xiàn)換能器阻抗與發(fā)射機(jī)負(fù)載阻抗間的匹配。它還帶有4路模擬負(fù)載， 具有模擬負(fù)載或換能器與主機(jī)柜中收/發(fā)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)接功能；-主機(jī)柜由計(jì)算機(jī)及數(shù)字信號(hào)處理分機(jī)、收/發(fā)系統(tǒng)和低壓電源模塊組成；-主顯示器用于速度、航程及設(shè)備工作狀態(tài)信息，并對(duì)設(shè)備的工作狀態(tài)及參數(shù)進(jìn)行操控；-電源箱用于提供主機(jī)柜中收/發(fā)系統(tǒng)中的發(fā)射機(jī)所需的高壓電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小深度多普勒計(jì)程儀的收發(fā)合一的水下?lián)Q能器基陣，其特征 在于基陣的最下面為聚碳酸脂板，作為透聲窗使用；透聲窗和不銹鋼外殼包裹的空間內(nèi) 充滿了有機(jī)硅油，作為液態(tài)聲透鏡使用；壓電陶瓷的表面有增透層，因此電聲轉(zhuǎn)換效率可達(dá) 70%左右。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小深度多普勒計(jì)程儀的主機(jī)柜，其特征在于主機(jī)柜由計(jì)算 機(jī)及數(shù)字信號(hào)處理分機(jī)、收/發(fā)系統(tǒng)和低壓電源模塊組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的主機(jī)柜的發(fā)射系統(tǒng)，其特征在于0SC輸出的2F信號(hào)和 計(jì)算機(jī)送出的發(fā)射脈沖包絡(luò)信號(hào)TE分別饋至發(fā)射調(diào)制器TM0D，經(jīng)發(fā)射調(diào)制器同步、分頻和 及防雙導(dǎo)保護(hù)后形成發(fā)射驅(qū)動(dòng)信號(hào)P1、P2。P1、P2信號(hào)為相位相反的方波填充的鍵控脈沖， 且有一定的防雙導(dǎo)時(shí)延；TMOD中還有OSC工作異常時(shí)的保護(hù)電路，以確保發(fā)射機(jī)的安全；發(fā) 射機(jī)TX的最大功率為200W。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的主機(jī)柜的接收系統(tǒng)，其特征在于時(shí)變?cè)鲆娼邮諜C(jī)RXW接 收換能器基陣收到的信號(hào)，經(jīng)濾波、放大后輸出；采用壓控放大器，壓控信號(hào)TG的幅度由計(jì) 算機(jī)根據(jù)回波到達(dá)的時(shí)間進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)海水中聲信號(hào)傳播衰減的補(bǔ)償；RXW還 有過(guò)載快速恢復(fù)的特性，避免大信號(hào)時(shí)造成接收機(jī)死鎖；對(duì)數(shù)檢波器R)(Z對(duì)RXW輸出的信號(hào) 進(jìn)行對(duì)數(shù)檢波，以得到接收波形的包絡(luò)Z ；變頻器RXXY接收RXW的輸出信號(hào)和OSC產(chǎn)生的 SIN或COS信號(hào)，進(jìn)行正交變頻和低通濾波，從而達(dá)到正交差頻的目的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的主機(jī)柜的計(jì)算機(jī)及數(shù)字信號(hào)處理分機(jī)，其特征在于DSP 部件完成回波到達(dá)時(shí)間的測(cè)量，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行舍取和 完成復(fù)相關(guān)測(cè)頻算法中的乘加運(yùn)算，最終將結(jié)果通過(guò)PC總線傳送給CPU。
全文摘要
一種小深度多普勒計(jì)程儀，涉及的是航海計(jì)程領(lǐng)域。目前的多普勒計(jì)程儀有缺陷采用相控陣的大深度多普勒計(jì)程儀，可測(cè)船舶對(duì)底或?qū)λ乃俣?，但其工藝?fù)雜、價(jià)格貴；另外一種是小型化的對(duì)水多普勒計(jì)程儀，體積小、價(jià)格便宜，但只能測(cè)對(duì)海底的速度。本發(fā)明提供一種既可以對(duì)水也可以対底測(cè)速，但工藝較采用相控陣的大深度多普勒計(jì)程儀簡(jiǎn)單，價(jià)格也較便宜的小深度多普勒計(jì)程儀。在200m水深范圍內(nèi)，利用海底的散射信號(hào)進(jìn)行對(duì)底測(cè)速，當(dāng)水深超過(guò)200m時(shí)，利用換能器基陣面以下10m深的某一厚度水層的體積散射信號(hào)進(jìn)行對(duì)水測(cè)速。本發(fā)明主要由水下?lián)Q能器基陣、接線盒、主機(jī)柜(含收/發(fā)系統(tǒng))、主顯示器以及電源箱共五個(gè)部分組成。
文檔編號(hào)G01S15/88GK102073049SQ200910199130
公開(kāi)日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2009年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月20日
發(fā)明者吳兆臻 申請(qǐng)人:上海航海儀器有限責(zé)任公司