一种避碰声纳陆上检测系统及其检测方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于PXIe总线、集成度较高的避碰声纳陆上检测系统，由声纳对接装置、数据采集和控制系统两部分组成；声纳对接装置由对接换能器和信号传输电缆组成；数据采集和控制系统包括PXIe母板、基于PXIe总线的高速A/D板、高速D/A板、高速控制CPU板、多通道低速D/A板、多通道低速A/D板、电源、触摸屏和信号调理板；同时提出了一种避碰声纳陆上检测方法。本发明专利技术提供的避碰声纳陆上检测系统集成度高、操作简单，相应提出的检测方法根据避碰声纳声传播理论模型和耦合损失模型动态调整回波信号强度，高精度模拟回波信号，实现对避碰声纳性能的陆上检测，有效解决了避碰声纳陆上检测的难题。

A collision avoidance sonar land detection system and its detection method

【技术实现步骤摘要】
一种避碰声纳陆上检测系统及其检测方法
本专利技术涉及避碰声纳检测
，具体涉及一种基于PXIe总线、集成度较高的避碰声纳陆上检测系统及其检测方法。
技术介绍
深海载人潜水器是我国现阶段发展的重点项目,深海载人潜水器的使命是进行大洋热液场、钴结壳、深海生物等方面的勘查作业。避碰声纳是载人潜水器声学系统的一个组成部分，装配多个避碰声纳,测量多个不同方向的障碍物的距离。当载人潜水器在水下巡航时，避碰声纳实时监测载人潜水器到四周不同方向障碍物的距离，为驾驶员安全驾驶提供规避信息,避免与障碍物发生碰撞，同时下方的避碰声纳提供潜水器距底高度数据，用于定高航行控制。避碰声纳是一种回波测距声纳，其工作原理为：发射一个窄波束的短脉冲，当脉冲遇到障碍物时就会产生回波，测量出回波相对于发射时刻的延时T，就可以计算出障碍物与潜水器之间的距离d＝CT/2，其中C是声速。控制系统由此距离判断障碍物是否离潜水器太近了，决定是否采取规避措施。避碰声纳的正常应用环境是在水中，通常情况下需要在已知深度的水池中避碰声纳测得距底高度与水池深度测量值比较的方法来对其主要功能和性能进行检测，但是已经安装在载人潜水器上的避碰声纳检测难度更大，只能在潜水器下水之后或者将避碰声纳拆下在水池中检测，才能验证避碰声纳测距功能是否正常。这种检测方法成本高、难度大、时间长，且不能涵盖避碰声纳的测距范围。在实验内仅能对避碰声纳的电子系统性能进行检测，无法对整个避碰声纳系统的功能进行测试。由于国内目前没有专用的避碰声纳检测仪器设备，因此如何提供一种陆上检测系统及检测方法，模拟海洋环境实现对避碰声纳测距功能的高精度检测，是业内急需解决的问题。
技术实现思路
为了解决这一问题，专利技术了一种基于PXIe总线、集成度较高的避碰声纳陆上检测系统，同时提出了一种避碰声纳陆上检测方法，模拟海洋环境，实现对避碰声纳的高精度的陆上检测。本专利技术的避碰声纳陆上检测系统(后文简称陆上检测系统)由声纳对接装置、数据采集和控制系统两部分组成；声纳对接装置由对接换能器和信号传输电缆组成；数据采集和控制系统包括PXIe母板、基于PXIe总线的高速A/D板、高速D/A板、高速控制CPU板、多通道低速D/A板、多通道低速A/D板、电源、触摸屏和信号调理板；对接换能器通过信号传输电缆与信号调理板连接，把耦合得到的避碰声纳发射信号送至信号调理板，把信号调理板输出的模拟回波信号耦合给避碰声纳；信号调理板包括收发转换电路、输入可调增益电路、输出可调增益电路、电源滤波电路、电压转换电路和电压电流检测电路；收发转换电路分别与输入可调增益电路、输出可调增益电路连接；输入可调增益电路与高速A/D板连接，输出可调增益电路与高速D/A板连接；PXIe母板经过电源滤波电路、电压转换电路给避碰声纳和输入可调增益电路、输出可调增益电路供电，电压电流检测电路获取避碰声纳的工作电压、电流并送至多通道低速A/D板，多通道低速A/D板将采集的避碰声纳的工作电压、电流送至PXIe母板；避碰声纳发射信号经由收发转换电路、输入可调增益电路送至高速A/D板，高速A/D板采集避碰声纳发射信号并送至PXIe母板；高速控制CPU板将避碰声纳的工作电压、电流及采集到的避碰声纳发射信号送至触摸屏显示，依据触摸屏输入值对避碰声纳发射信号进行延时处理并生成模拟回波信号送至高速D/A板；高速D/A板将模拟回波信号送至输出可调增益电路，经收发转换电路送至对接换能器；多通道低速D/A板输出模拟控制电压至输入可调增益电路和输出可调增益电路，调整信号增益。本专利技术的避碰声纳陆上检测系统检测方法具体如下——步骤一：检测前硬件准备工作将待检的避碰声纳和对接换能器进行对接，连接信号传输电缆和电源，将陆上检测系统开机；步骤二：陆上检测系统初始化及电源检测陆上检测系统初始化完成后，首先检测待检避碰声纳的工作电压、电流，并将检测到的数据显示在触摸屏上，与内存中的判据进行比较，若电压、电流检测合格，则电源信号指示灯为绿色，可进行下一步检测；若电源信号指示灯位红色，表示待检避碰声纳工作异常，停止检测；步骤三：陆上检测系统完成初始参数设置通过触摸屏设定待测距离D；步骤四：采集、动态调整、识别发射信号采集经过声纳对接装置耦合到的避碰声纳发射信号，采样数据直接导入内存，通过对采样数据进行动态调整和频谱识别，确认采集到的脉冲信号是否是避碰声纳发射信号，若是则记录获取发射信号的起始时刻Ts，并在触摸屏上显示采集到的发射信号波形，记录已经检测到的发射信号数量，发射信号指示灯为绿色，避碰声纳发射功能通过检测，反之，发射信号指示灯为红色，停止检测；动态调整时，多通道低速D/A板输出的用于控制信号调理板中输入可调增益电路的模拟控制电压Vg1依据公式1、2确定Gain＝20log(V1/Vg)(公式1)-Gain＝19.7*0.0625*Vg1+12.65(公式2)其中：V1为第1帧采样脉冲信号幅度峰值Vg为陆上检测系统接收信号目标幅值；步骤五：构造并动态调整模拟回波信号发射信号检测通过后，根据采集到的避碰声纳发射信号的脉冲宽度、频率构造模拟回波信号；以获取发射信号的起始时刻Ts为基准，按照T＝2D/c的关系计算延时后将模拟回波信号发出；其中D为预设的测距距离，c为在常温下海水中的声速；动态调整时，多通道低速D/A板输出的用于控制信号调理板中输出可调增益电路的模拟控制电压Vg2依据公式12、13确定G＝40log(V)-30log(D)-20log(Vn)-20log(VDA)-20log(VAD)+2*STB+a*2*D+TS-STJ+MoJ+G1(公式12)其中：G为信号调理板输出可调增益电路的动态输出增益V为避碰声纳发射信号波形幅值D为避碰声纳测距距离Vn为电噪声VDA为陆上检测系统输出模拟回波信号幅值VAD为陆上检测系统采集到的避碰声纳发射信号波形幅值STB为避碰声纳换能器发射灵敏度STJ为陆上检测系统对接换能器发射灵敏度MoJ为陆上检测系统对接换能器接收灵敏度G1信号调理板信号输入方向的电路总增益D为避碰声纳测距范围a为吸收系数Ts为发射信号的起始时刻；步骤六：避碰声纳采集调整后的模拟回波信号并进行解算得到延时，计算出此次检测的距离；步骤七：将避碰声纳测得距离值与陆上检测系统设定值比较，以判断避碰声纳的测距性能。附图说明图1：避碰声呐陆上检测系统结构示意图图2：避碰声呐陆上检测系统的信号调理板结构示意图具体实施方式如图1所示，避碰声纳陆上检测系统由声纳对接装置、数据采集和控制系统两部分组成。声纳对接装置用于实现对避碰声纳发射信号和陆上检测系统输出的模拟回波信号的耦合传输；数据采集和控制系统包括NI公司基于PXIe总线的高速A/本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种避碰声纳陆上检测系统，由声纳对接装置、数据采集和控制系统两部分组成；声纳对接装置由对接换能器和信号传输电缆组成；数据采集和控制系统包括PXIe母板、基于PXIe总线的高速A/D板、高速D/A板、高速控制CPU板、多通道低速D/A板、多通道低速A/D板、电源、触摸屏和信号调理板；/n对接换能器通过信号传输电缆与信号调理板连接，把耦合得到的避碰声纳发射信号送至信号调理板，把信号调理板输出的模拟回波信号耦合给避碰声纳；/n信号调理板包括收发转换电路、输入可调增益电路、输出可调增益电路、电源滤波电路、电压转换电路和电压电流检测电路；收发转换电路分别与输入可调增益电路、输出可调增益电路连接；输入可调增益电路与高速A/D板连接，输出可调增益电路与高速D/A板连接；/nPXIe母板经过电源滤波电路、电压转换电路给避碰声纳和输入可调增益电路、输出可调增益电路供电，电压电流检测电路获取避碰声纳的工作电压、电流并送至多通道低速A/D板，多通道低速A/D板将采集的避碰声纳的工作电压、电流送至PXIe母板；/n避碰声纳发射信号经由收发转换电路、输入可调增益电路送至高速A/D板，高速A/D板采集避碰声纳发射信号并送至PXIe母板；高速控制CPU板将避碰声纳的工作电压、电流及采集到的避碰声纳发射信号送至触摸屏显示，依据触摸屏输入值对避碰声纳发射信号进行延时处理并生成模拟回波信号送至高速D/A板；高速D/A板将模拟回波信号送至输出可调增益电路，经收发转换电路送至对接换能器；多通道低速D/A板输出模拟控制电压至输入可调增益电路和输出可调增益电路，调整信号增益。/n...

【技术特征摘要】
1.一种避碰声纳陆上检测系统，由声纳对接装置、数据采集和控制系统两部分组成；声纳对接装置由对接换能器和信号传输电缆组成；数据采集和控制系统包括PXIe母板、基于PXIe总线的高速A/D板、高速D/A板、高速控制CPU板、多通道低速D/A板、多通道低速A/D板、电源、触摸屏和信号调理板；
对接换能器通过信号传输电缆与信号调理板连接，把耦合得到的避碰声纳发射信号送至信号调理板，把信号调理板输出的模拟回波信号耦合给避碰声纳；
信号调理板包括收发转换电路、输入可调增益电路、输出可调增益电路、电源滤波电路、电压转换电路和电压电流检测电路；收发转换电路分别与输入可调增益电路、输出可调增益电路连接；输入可调增益电路与高速A/D板连接，输出可调增益电路与高速D/A板连接；
PXIe母板经过电源滤波电路、电压转换电路给避碰声纳和输入可调增益电路、输出可调增益电路供电，电压电流检测电路获取避碰声纳的工作电压、电流并送至多通道低速A/D板，多通道低速A/D板将采集的避碰声纳的工作电压、电流送至PXIe母板；
避碰声纳发射信号经由收发转换电路、输入可调增益电路送至高速A/D板，高速A/D板采集避碰声纳发射信号并送至PXIe母板；高速控制CPU板将避碰声纳的工作电压、电流及采集到的避碰声纳发射信号送至触摸屏显示，依据触摸屏输入值对避碰声纳发射信号进行延时处理并生成模拟回波信号送至高速D/A板；高速D/A板将模拟回波信号送至输出可调增益电路，经收发转换电路送至对接换能器；多通道低速D/A板输出模拟控制电压至输入可调增益电路和输出可调增益电路，调整信号增益。


2.如权利要求1所述的避碰声纳陆上检测系统的检测方法，具体包括如下步骤：
步骤一、检测前硬件准备工作
将待检的避碰声纳和对接换能器进行对接，连接信号传输电缆和电源，将陆上检测系统开机；
步骤二、陆上检测系统初始化及电源检测
陆上检测系统初始化完成后，首先检测待检避碰声纳的工作电压、电流，并将检测到的数据显示在触摸屏上，与内存中的判据进行比较，若电压、电流检测合格，则电源信号指示灯为绿色，可进行下一步检测；若电源信号指示灯位红色，表示待检避碰声纳工作异常，停止检测；
步骤三、陆上检测系统完成初始参数设置
通过触摸屏设定待测距离D；
步骤四、采集、动态调整、识别发射信...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈仁梁，邓锴，王长红，张兆伟，芦山，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11