一种高精度多普勒计程仪系统技术方案

本发明专利技术公开了一种高精度多普勒计程仪系统，该多普勒计程仪系统包括用于向全系统供电的电源板、由压电陶瓷元件组成的用于将声能转换成电信号的收发合置换能器阵、用于放大发射脉冲信号的功放板、用于算法处理、输出高度、速度信息的信号处理板、用于对回波信号进行放大、滤波以及模数转换的信号调理板、用于测量姿态、温盐深等数据并传输的非声传感器板、用于发送控制命令以及系统信息显示的显控模块。本发明专利技术的高精度多普勒计程仪系统，根据显控模块的控制信号，发射单频脉冲信号或者m序列伪随机编码宽带信号，接收回波信号并对其进行算法处理，将速度、对底高度等信息发送给显控模块进行显示，得到测高误差小于1％，测速误差小于0.3％。于0.3％。于0.3％。

【技术实现步骤摘要】
一种高精度多普勒计程仪系统


[0001]本专利技术涉及多普勒计程仪系统领域，具体涉及一种高精度多普勒计程仪系统。
技术背景
[0002]在水下工作环境受限的情况下，测速精度高、小型化的多普勒计程仪在无人水下航行器中被广泛应用。随着无人水下航行器技术的迅猛发展以及应用场景的不断扩大，对水下导航的精度要求日益提高，而DVL的测速精度是其导航性能的决定性因素。因此研发一种高精度的多普勒计程仪系统，使其为水下航行器等海洋设备提供精确的速度信息。在军用和民用两方面，为海洋开发工具提供设备保障，具有重要的意义和作用。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是在于提供一种为水下航行器等海洋设备提供精确的速度信息的高精度多普勒计程仪系统。
[0004]本专利技术提供的高精度多普勒计程仪系统，主要由收发合作换能器阵、功放板、信号处理板、信号调理板、非声传感器板、电源板以及显控模块组成。
[0005]所述的收发合作换能器阵由四个独立的换能器组成，四个换能器布置成Janus阵型结构，每个换能器的辐射面轴线与换能器阵的中轴线成25
°±
0.1
°
夹角；四个换能器同时将功放板发射的脉冲信号转化成声波信号，然后接收水下回波信号将其转化成电信号，并将其发送给信号调理板。
[0006]所述的功放板由数组信号驱动电路、半桥功率放大、滤波输出三个模块组成。数字信号驱动电路采用INFINEON IR2010STRPBF MOS驱动芯片，接收两路互补的PWM信号S+、S
>‑
输入芯片高低侧驱动MOS管，SD控制信号为高电平时驱动无输出，低电平有效；半桥功率放大电路采用INFINEON IRFI4020H
‑
117P场效应管，由两个MOS管组成上桥和下桥，上桥臂接功放电源，下桥臂接地，死区时间控制为332ns，两路互补的PWM信号控制MOS管的G极，上下桥臂分别导通，实现功率放大效果；滤波输出电路由LC低通滤波构成，电感选择10uH，全红
‑
2材质电感。有效减少功率损耗，电容选择4.7nf。谐振频率为734.127Khz，能有效滤除高频成分，还原信号输出。
[0007]所述的信号处理板有由FPGA、DSP和MCU三部分组成。低功耗MCU采用STM32L476芯片，主要功能是实现外部命令交互、信号处理板电源管理；FPGA采用Altera公司生产的EP4CE40，主要功能是信号采集以及预处理，输出增益控制信号给信号调理板以及通过隔离接口输出4路功放驱动信号，其中隔离器选用ISO7760，是一款6通道高速隔离芯片，隔离电源由功放侧提供；DSP采用OMAP
‑
L138芯片，内含一个ARM9和C6748核，主要的功能是通过uPP接口接收FPGA端预处理的回波数据，对其进行对底测距、测速或者对流层测速算法处理，并将处理结果发送给MCU传输给显控模块。
[0008]发射信号分为窄带和宽带信号。窄带信号：信号频率为f0＝600KHz，脉冲宽度为1ms、2ms、5ms、10ms、20ms等5档；宽带信号：采用m序列码，码元数为7；单个码元内填充10个
单频脉冲信号，信号的频率为600KHz；m序列编码重复次数分别为8次、17次、42次、85次、170次等5档，脉冲款对应窄带信号的1ms、2ms、5ms、10ms、20ms等5档。信号处理算法流程如下：
[0009]阵元累积：
[0010]采集回波信号，累积一定的采样数据才能对数据进行有效处理，累积长度为NT＝266240。设x1(266240，0:3)为累积的回波采样数据，第一维表示采样点，第二维表示阵元号。
[0011]正交解调：
[0012]正交解调是将阵元接收的实信号变成复信号，这里采用传统正交解调方法，具体步骤为：
[0013](1)时域相乘
[0014]将阵元数据进行时域处理得到I、Q两路信号。
[0015]I(n,m)＝x1(n,m)
·
cos(2πf0n/NT)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0016]Q(n,m)＝x1(n,m)
·
sin(2πf0n/NT)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0017]其中m＝0,1,2,3，n＝1,2...NT。
[0018](2)低通滤波
[0019]将I、Q两路信号分别进行低通滤波，得到滤波后的信号I1(n.m)和Q1(n.m)：
[0020][0021]其中，b，a是4阶低通滤波器100e3的系数。n＝0,1,
…
,NT，f
s
是信号采样率。正交解调部分在FPGA中已经完成，此时DSP端阵元数据累积长度为26624*2，因为有实部和虚部两部分。
[0022]径向对底距离：径向对底距离通过对回波信号做能量积分处理，来确定海底高度。
[0023]1、计算声速：
[0024]声速计算采用Leroy给出的经验公式，由温度、盐度、入水深度决定：
[0025][0026]式中，c＝声速(m/s)；T＝温度(℃)；s＝盐度(千分比：ppt)；h＝深度(m)。
[0027]2、能量积分法求海底高度：
[0028]将滤波后的信号和重新采样转换成复信号sig：
[0029]sig(1:dd:NT,m)＝I1(1:dd:NT,m)+Q1(1:dd:NT,m)
ꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0030]式中，dd为降采样倍数，目前设为10。
[0031](1)对复信号能量积分得到：
[0032]sig2(1:dd:NT,m)＝I
12
(1:dd:NT,m)+Q
12
(1:dd:NT,m)
ꢀꢀꢀ
(6)
[0033](2)求能量平均Power_mean：
[0034]Power_mean＝mean(sig2(1:dd:NT,m))*2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0035](3)查找对底回波时刻：
[0036]当sig2(n2,m)＞Power_mean且sig2(n2+1：n2+10,m)＞Power_mean则对底回波时
刻的采样点nh＝n2。
[0037](4)径向对底距离H
out
计算：
[0038][0039]3、对底测速计算：
[0040](1)取相干脉冲对y1和y2：
[0041]y1(:,m)＝sig(NH(m)+1:NH(m)+Nw
‑
1,m)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0042]y2(:,m)＝sig(NH(m)+tn+1:NH(m)+tn+Nw
‑
1,m)
ꢀꢀꢀ
(11)
[0043]式中，tn＝τ
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高精度多普勒计程仪系统，其特征在于：由收发合置换能器阵、功放板、信号处理板、信号调理板、非声传感器板、电源板以及显控模块组成；系统上电，电源板给系统的其他模块供电；通过显控模块将控制指令通过RS232发送给信号处理模块；信号处理板配置算法模块并发射两路互补的PWM信号给功放板；功放板放大、滤波输出并驱动收发合置换能器阵；收发合置换能器阵发射窄带或者宽带信号，并接收回波信号将其发送给信号调理板；信号调理板将回波信号滤波、放大并进行模数转换，将采集的数据发送给信号处理板；信号处理板接收非声传感器板传输的姿态、温盐深数据，对采集到的回波数据进行信号处理算法运算，将处理后的结果通过RS232串口发送给显控模型送显。2.根据权利要求1所述的一种高精度多普勒计程仪系统，其特征在于：所述的收发合置换能器阵由四个独立的换能器组成，四个换能器布置成Janus阵型结构，每个换能器的辐射面轴线与换能器阵的中轴线成25
°±
0.1
°
夹角；四个换能器同时将功放板发射的脉冲信号转化成声波信号，然后接收水下回波信号将其转化成电信号，并将其发送给信号调理板。3.根据权利要求1所述的一种高精度多普勒计...

【专利技术属性】
技术研发人员：王茂法，王震，薛欢欢，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：