水声释放器设计论文-学位论文

济南大学毕业设计PAGE-PAGE23-1前言1.1课题研究背景和意义地球上的海洋总面积约占地球表面积的70%以上，海洋是生命的摇篮，海洋中蕴藏着丰富的尚未开发利用的各种资源。随着陆地资源的匮乏，许多重要的资源都要向海洋进军，特别是空间资源，作为战略空间，作为国家权益，作为国防前哨，人类别无选择，只有向海洋进军。因此21世纪将是海洋的世纪。当今世界海洋意识普遍增强，随着《联合国海洋法公约》的生效，国际组织和世界各国对海洋越来越重视。发达国家更是把海洋作为国家发展战略加以实施，形成了许多新的海洋观，如海洋经济观、海洋政治观、海洋科技观、海洋地理观等等。我国是拥有300万平方公里海域面积、18000公里海岸线的海洋大国，在这片广阔的空间内蕴藏着极其丰富的资源。因此，保护、开发、利用我国丰富的海洋资源就成了我们的重要任务，这对国民经济和社会发展以及国家的军事安全都具有重要的战略意无线电通信是常用的信息传递方式，具有速度快、容量大等特点。而且由于电磁波在水中的衰减系数与距离的高次方成正比，所以衰减极快。即使功率大如雷达的无线电系统，在水中的作用距离也很难超过几十米。用在中等距离以上的信息传递非常困难。尽管可以通过电缆和光纤进行水下通信，但是对于水下移动条件下的通信，则难以实。超声波是频率高于20000赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能。超声波可在气体、固体、液体中等介质中有效传播，会产生反射、干涉、叠加和共振现象并且能传递很强的能量。和电磁波（如可见光、射线、无线电波等）相比，声波在水中传播的距离远，能量损失小。因此，在海洋中，多采用超声波作为传输的介质。采用水声学原理的声学释放器被大量应用于海洋和军事领域，在海洋监测和海洋工程中，各种坐底式的海洋参数测量系统、水下应答器、潜标等都需要使用各种规格的声学释放器；在军事上，海上试验场区建设也需要使用声学释放器，未来水下通讯网络的建设和水下网络中心技术也离不开声学释放器。声学释放器的潜在用户主要是海洋石油公司、海洋地质调查单位、海洋科研机构和海军有关单位。1.2国内外研究现状国外在水声释放器的研制方面起步较国内较早，其理论和实践经验较国内也丰富。通过多年的理论与实践的研究，国外在该方面获得了很多重要的成果。其中生产声释放器比较著名的公司有法国的Ixsa公司、英国的Sonardyne公司、美国的Beathos公司以及日本的NGK海洋系统公司。Sonardyne公司的产品如下图所示。图1.1英国Sonardyne公司带有应答功能应答器产品情该套设备的工作频率范围为7-15KHz，释放机构往往采用电机旋转的方式，水下工作年限一般是2-3年，其工作水深可大六千米一下，属于深水型，而且可承受的负载达五千公。美国Beathos公司生产的水声释放器如下图所示：图1.2美国Beathos公司生产的带有释放功能应答器产品情应答器的工作频段也为7-15KHz，水下工作年限为2年，TR6000和XT6000为Benthos公司生产的最新的两款应答器产品，TR6000采用了电熔断的释放方式，操作简。法国Ixsea公式生产的水声释放器如下图所示：图1.3法国Ixsea公式生产的水声释放它的基本特性是：工作频率范围为8-16KHz，工作水深为7-8千米，可释放负载为1-5吨，材料以不锈钢为。国内的水声释放器在可靠性、电动伺服分离机构以及灵敏度的研究方面较国外的先进技术水平而言有一定的差距。面对大深度的水下设备平台、锚分离问题，结合自身的专业特点以及通过水上试验的实践经验，中船重工集团公司第710研究所成功的研制出一套通过定时器的气动分类里机构。该套装置的工作流程是：首先通过启动定时电路启动点火器，产生高压燃气用以推动连接销解锁，从而完成雷、锚的分离目的。它的性能特点是：工作水深可达10000米，最大定时时间是30天。国内其他从事水声释放器研制的单位还有很多，其中以国家海洋技术中心、中科研海洋所、中船中国715所、厦门大学、南京大学、哈尔滨工程大学等为。通过多年的技术研究与试验并在借鉴国外先进的理论与技术的基础上，国家海洋技术中心在声学释放器的研制方法与技术手段上已经有了一定的技术基础，使得国内声学释放器的技术开始逐步多元化，某些性能有了自己的特色。厦门大学主要在水声信道的建模与仿真、水声通信与水声网络的发展与应用、水声释放器的水下释放装置等方面展开研究；西北工业大学在水声通信编码与同步技术方面获得了自己的研究成果；哈尔滨工程大学则主要对声学通讯做深入研究。另外先后有几十套声学应答器分别应用于“海某集团研制的水下释放系统”、“某测绘研究所研制的验潮仪系统”、“大连测试技术研究所研制的水下物理检测系统”、“哈尔滨工程大学研制的MAS系统”、“中科研地球物理所研制的深海地震仪系统”等，但以上水声释放器在工作水深、应答距离、连续工作时间和高可靠性方面与国外产品相比还有一定的距。1.3论文的主要工作文章首先介绍了水声通信的基本原理，给出了水声通信的物理模型，然后又分析了水声通道的特点。在此基础上，重点分析了水声释放器研制的理论方法，包括信号的产生、调理、采集、调治与解调、传输和接收等等。设计了水声释放器各个功能模块的硬件电路并进行了实验，由于水声释放器长时间工作在水底，因此设计了低功耗硬件平台。在硬件设计的同时给予了软件设计的基本原理。最后给出了实验结果及仪器运行的性能。2水声通信基本原理与常用的调制、解调技术2.1水声通信基本原理一般的水声通信系统模型如下：信源--编码器--调制--发射换能器--水声信道（干扰源）水声信道--接收换能器--解调器--译码器--信宿图2.1水声通信模系统工作时,由信源发出某种特定的符号信息,在接信端接收对方发出的符号信息,在理想的情况下接收的信息与发出的信息是一致的,但由于通道存在干扰,实际收到的信息会有失真,而且混入了噪声,也即接收到的是发生畸变的信号加上噪。水声信道是一个极其复杂随机时-空-频变参信道，其主要特征表现为：复杂性、多变性、强多途、高噪声和有限的可为实际使用的频带宽度。这种信道是至今存在的难度最大的无线通讯信道之一。在这种负载的信道中实现信息的传输，不仅通信速率低，可靠性差，而且传输距离还与数据速率相制约。特别是浅海声信道随机起伏，时-空-频变的多途特征使得水声通信技术成为当代最复杂的通信技术之。2.2水声通信常用的调制、解调技术由于信源发送的数字信号不能在水中传播，而接收机接收到的模拟信号对于计算机而言不能处理，因此需用调制解调机对信号进行处理。我国水声通信技术起步较晚，常用的水声通信数字调制技术，主要包括幅度键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）以及由此派生出的各种变形方。2.2.1二进制频移键控的调制与解调所谓的频移键控是指正弦振荡的频率在一组离散值间改变的角度调制，其中每一离散值表示时间离散调制信号的一种特征状态。二进制频移键控2FSK（FrequencyShiftKeying）是二进制符号0对应载频f1，符号1对应载频f2，f1与f2之间的改变是瞬时完成的一种频移键控的技术，它是数字传输中应用较广的一种方式。换言之，2FSK为二进制数字频率调制（二进制频移键控），用载波的频率来传递数字信息，即用所传送的数字信息控制载波的频率。2FSK信号便是符号“0”对应于载频f1,而符号“1”对应于载频f2（与f1对应的另一载频）的已调波形，而且f2与f1之间的改变是瞬时的。传“0”信号时，发送频率为f1的载波；传“1”信号时，发送频率为f2的载波。可见，FSK是用不通频率的载波来传递数字信息的。2FSK信号的实现模型图2.22FSK信号的实现模2FSK调制原理：通常用频率选择法或载波调频法来产生2FSK信号。由于频率选择法产生的2FSK信号为两个独立的载波振荡器输出信号之和，在二进制码元状态转换（0→1或1→0）时刻，2FSK信号的相位通常不是连续的，这会不利于已调制信号功率谱旁瓣分量的收敛。载波调频法是在一个直接调频器重产生2FSK信号，这时的已调制信号出自同一个振荡器，信号相位在载频变化时始终是连续的，这将有利于已调制信号功率谱旁瓣分量的收敛，使信号功率更集中于信号宽带内。2FSK信号的解调方法常用的有：鉴频法、相干检测法、包络检波法、过零检测法、差分检测法等是常用的数字调频信号的解调方法。下面注重介绍下包络检波法。包络检波法：包络检波法可视为由两路2ASK解调电路组成。这里，两个带通滤波器（宽带相同，都为相应的2ASK信号贷款；中心频率不同，分别为（f1,f2）起分路作用，用以分开两路2ASK信号，上支路对应=s*cos,下支路对应=cos,经包络检测后分别取出它们的包络s及；抽样判决器起比较作用，把两路包络信号同时送到抽样判决器进行计较，从而判决输出基带数字信号。若上、下支路s及的抽样值分别用、表示，则抽样判决器的判决准则为当时，判为1；当<时，判为0。2.2.2二进制差分相移键控调制相移键控（phase-shiftkeyingPSK）是指用一种载波相位来表示输入信号信息的调制技术。相移键控分为绝对相移和相对相移两种。以未调载波的相位为基础的相位调制叫作绝对相移。以二进制调相为例，取码元为“0”时，调制后载波与未调载波反相；“1”和“0”时调制后载波相位差180.二进制差分相移键控调制工作原理：在PSK调制时，载波的相位随调制信号状态的不同而改变。如果两个频率相同的载波同时开始振荡，这两个频率同时达到正最大值，同时达到零值，同时达到负最大值，此时它们就处于“同相”状态；如果一个达到最大值，另一个达到负最大值，则称为“反相”。把信号振荡一次作为360度，如果一个波比另一个波相差半个周期，两个波的相位差180度，就是反相。当传输数字信号是，“1”码控制发0度相位，“0”码控制发180度相位。3硬件电路设计3.1概述水声释放器由水面甲板单元、水下海床基设备两部分构成，应用水声通信原理，通过一对一水声换能器相互进行通信。其工作流程为：由甲板单元发出特定编码指令，海床基设备接收到信号进行译码运算，对信号进行比较。译码成功后，单片机输出特定脉冲给驱动电路，驱动释放机构动作。释放机构执行脱钩动作，抛掉配重物，海床基设备带着搭载的仪器设备上浮，同时给出一个释放成功的指。水声释放器工作原理图如下所示：图3.1水声释放器工作原本设计的水声释放器的主要技术指标如下：工作深度：1000m使用寿命：2年频率范围：9-14kHZ波特率：140-15360BPS换能器：全方向释放负载：1000kg3.2硬件电路设计由设计要求知，设备需在水下长时间工作，因此，海床基硬件电路考虑选用微功耗器件。整个接收机硬件电路包括信号处理电路和超声波发送电路，其中信号处理电路又由前置放大电路、滤波电路、后置放大电路、电压比较器、窄带滤波器组、包络检波电路、译码电路等组成。甲板单元硬件电路包括超声波发送电路、信号调理和采集电路。其中信号的调理包括放大、滤波、电平转换、包络检波等等，采用与海床基调理电路相同的形式。3.2.1超声波发送电路超声波发送电路是由直流电源、线圈和场效应管组成的，直流电流经线圈，通过场效应管的不断的开、启，将直流信号变成方波信号，方波信号在流经线圈，由于线圈中的电流不能突变，方波信号经过线圈后变为正弦波信号，然后发送出去。具体电路图如下：图3.2超声波发送电路3.2.2放大电路通常情况下，传感器的输出信号非常微弱，而且经过远距离的传输后信号能量发生衰减，因此需要对信号进行放大，再送到后面的电路去处理。为了保证测量精度的要求。放大电路采用的芯片是AnalogDevicHYPERLINK"http://car.auto.ifeng.com/series/2109"\t"_blank"ESInc公司的AD8541，该芯片的内部集成了一个运算放大器，其封装结构如下图所示：图3.3AD8541芯片AD8541是一款1>单电源供电：2.7V-5.5V2>低电源电流：45uA/放大器3>宽带：1MHz4>无相位反转5>低输入电流6>单位增益稳定7>轨到轨输入和输出具体电路图如下所示：图3.4前置放大电路这是一个反相比例运算电路，该电路的增益A=-3.2.3滤波电路通常被测信号是有多个频率分量组合而成的，而且在检测中得到的信号除包括有效信息外，还含有噪声和不希望得到的成分，从而导致真实信号的畸变和失真。所以希望采用适当的电路选择性的过滤掉所不希望的成分或噪声。滤波和滤波器便是实现上述功能的手段和装。通常滤波器可分为两大类：一是无源滤波器，二是有源滤波器。无源滤波器又称为LC滤波器，是利用电感、电阻和电容的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，最普通易于采用的无源滤波器机构是将电感与电容串联，单调谐滤波器、双调谐滤波器以及高通滤波器都属于无源滤波器。无源滤波器具有结构简单、成本低廉、运行可靠行较高、运行费用较低等优点，至今仍是应用非常广泛的被动谐波治理的方法。由RC元件与运算放大器组成的滤波器成为RC有元滤波器，其功能是让一定频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。因受到运算放大器频带的限制，这类滤波器主要用于低频范围。根据对频率范围的选择不同，可分为低通（LPF）、高通（HPF）、带通（BPF）与带阻（BEF）等四种滤波器。低通滤波器允许其截止频率以下的频率成分通过而高于此频率的频率成分被衰减；高通滤波器允许其截止频率之上的频率成分通过而低于此频率的频率成分被衰减；带通滤波器只允许在其中心频率附近一定范围内的频率成分通过；陷波滤波器可将选定频带上的频率成分衰减。四种滤波器的幅频特性如下图：图3.5滤波器的幅频特本设计的滤波电路采用的是多路负反馈二阶有源带通滤波电路，因为它具有带宽，增益，品质因数具体电路都容易调节的特点，所以在工程上应用最为广泛。具体电路图如下图所示：图3.6二阶有源带通滤波电路该有源带通滤波器使用单个通用运算放大器接成单电源供电模式，易于实现。令=，Req是R11和R12的并联值，则有：Req=R11//R12=,中心频率=,品质因数Q等于中心频率除以带宽，即Q==。因此我们可以通过调节R3的值远大于Req来获得大的Q值。3.2.4迟滞电压比较器由于海洋是个明显的噪声源加之需要将模拟信号转换成数字信号送往计算机进行处理，因此在后置放大电路后我们采用增加一个迟滞比较器，其目的之一是将模拟信号转换成数字信号。其次，信号通过迟滞比较器后可将一部分信号滤除，从而提高抗干扰能力。该部分采用的集成芯片是MAX931，这是一款超低功耗、带有2%参考比较的电压比较器。具体工作原理如下图所示：当同相输入端比反相输入端低Vref-VHYST时，输出端输出低电平“0”；当同相输入端比反相输入端高Vref是，输出高电平“1”。图3.8MAX931工作原理示意图该部分的电路图结构如图所示：图3.9迟滞电压比较电路3.2.5窄带滤波器组由于信号的调制选择了基于二进制频移键控的方式，因此设置窄带滤波器组主要用以从复合信号中分离出频率为=9.5Khz和=10Khz的信号。这里我们选用多路负反馈二阶有源高通滤波的方式。具体电路图如下：图3.10多路负反馈二阶有源带通滤波电路该有源带通滤波器使用单个通用运算放大器接成单电源供电模式，易于实现。令=，Req是R61和R64的并联值，则有：Req=R61//R64=,中心频率=,品质因数Q等于中心频率除以带宽，即Q==。因此我们可以通过调节R60的值远大于Req来获得大的Q值。这时有源带通滤波器的上限截止频率和下限截止频率可以非常接近，具有很强的频率选择性。Q值越大，频率选择性越好，带宽越小。我们可以设置该两路滤波电路的中心频率分别为9.5Khz和10KHz。当信号从电路中通过时，该频率的极小范围内的信号被放大，范围之外的频率信号则被衰减掉。从该电路输出的信号被送往包络检波电路。3.2.6包络检波电路包络检波电路由电平转换电路和单稳态触发器组成。电平转换电路采用了MAX934集成电路，单稳态触发器采用了PHILIPS公司的74HC4538D集成芯片。MAX934集成芯片也是一款超低功耗的芯片，其内部采用了四个运算放大器。74HC4538D是一款有独立的复位输入、上升沿/下降沿触发的集成芯片。该“4538D”既可以由输入脉冲的上升沿触发也可由输入脉冲的下降沿触发。输出脉冲的持续时间和精度有外部定时电路的定时元件和决定。输出脉冲的宽度等于0.7**，将nRD端设置成低电平，其将直接使输出脉冲终止。工作原理示意图如下：图3.1274HC4538D工作原理图输入输出n’nn’nQnQ’LHHHXXLLH表3.174HC4538D输入和输出关系其中，H表示高电平L表示低电平表示有低到高的跳变表示由高到低的跳变由和决定输出脉冲宽度的定时电路：图3.14定时电路该部分的具体电路图如下所示：图3.15电平转换电路图3.16单稳态触发器3.2.7译码电路译码电路以PIC16C716-20I/P芯片为核心，对确认信号和释放指令进行处理。接收换能器接收到信号后，信号经过放大电路、滤波电路、窄带滤波器组分开后，各自经过包络检波后，送往CPU进行译码运算，一旦译码成功后，就进行相应的动作。除了译码运算以外，该处理器还需要对应答信号进行处理，应答信号只需是频率不同的单频信。该芯片具有的主要特点：1）高性能的RISCCPU；2）除了程序分支是两周期指令以外，所有都是单周期指令；3）中断能力：多大7个内部、外部中断源5）上电复位(POR)6)直接、间接和相对寻址方式7）上电定时器（PWRT）和振荡器启动定时器（OST）8)带有RC振荡器的看门狗定时器（WDT），用以更高可靠的工作9）欠压复位（BOR）检测电路11）节电休眠模式12）可选择的振荡器选型13）低功耗，高速CMOSEPROM技术其外部特定主要有：定时器0:8位定时器/计数器的8位预分频器定时器1:16位定时器/计数器的预分频器定时器2:8位定时器/计数器，带有8位周期的寄存器，与分频器和后分频器8位多通道的模拟至数字转换器3.2.8驱动电路接收机的驱动电路部分采用了ZETEX公司的ZHB6718芯片，这是SM-8双极晶体管的H-桥，在一般的设计中，通常是使用H桥驱动电路来控制直流电机的正反转。图3.17H桥功能示意图这是H桥电路驱动电机正反转的示意图。H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要是电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管的导通情况，电流可能会从左至右或者从右至左流过电机，从而控制电机的正反转。要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图4.13所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。图3.18H桥驱动电机顺时针转动图4.14所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。本部分采用的ZBH6718芯片的原理图如下：3.3释放机构水声释放器作为一种常用的水声遥控式的开启装置，它的水下释放装置是重要的关键部件。要求释放机构具备安全、可靠和方便使用的特。目前水声释放器的释放装置有多种形式，如爆炸式、机械储能式、机械传动式等等。国外使用较多的释放方式是气动分离释放方式，它工作的基本原理是：利用高压燃气推动柱销运动，完成水下分离的目的。哈尔滨工程大学设计的释放方式是电化学熔断的方式。本文采用的释放方式具有结构简单、使用方便、成本低等优点。它应用了H桥驱动电路，驱动电机正反转，从而完成解扣与锁扣动作。4实验由于本设计采用了频移键控的方式，频率=8.3khz,频率=9khz,发送到控制端的信号图如下所示：接收端接受到的两种频率信号，具体信号图如下所示：5结论本设计对于甲板单元和海床基单元采用的数据通信方式是基于二进制频移键控的调制和解调。当在船上发出的控制信号后，通过发射换能器将电信号转换成声信号，辐射到水中去。接收换能器接收到信号后，经过一系列信号调理，从窄带滤波器组中分离出频率=8.3khz,频率=9khz的的两个信号，然后经包络检波后送CPU进行译码处理。进而实现了释放机构的动作。参考文献[1]王建国.水声释放器硬件电路设计与实现.哈尔滨工程大学硕士学位论文.2010:1-5页[2]夏雨.基于微功耗单片机的水声释放器的设计与实现.哈尔滨工程大学硕士学位论文.2008:7页[3]邱俭军.声学释放器研制.哈尔滨工程大学硕士学位论文.2005:2页，38-41页[4]陈雄州,聂晓敏，付继伟.水下声学释放器的研制进展.第五届中国国际救捞论坛文集.273页[5]张佳.声学释放器关键功能单元设计与实现.哈尔滨工程大学硕士论文.2009[6]许克平，雷家煜.水声学原理[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，1999[7]曹志刚，钱亚生.《现代通信原理》，清华大学出版社，2000[8]刘润华.电子技术.中国石油大学出版社.2007[9]王平.水声通信编码与同步技术研究.西北工业大学硕士论文.2003年：14页，29页[10]朱昌平，韩庆邦，李建，张秀平.水声通信基本原理与应用.电子工业出版社,2009[11]熊诗波，黄长艺.机械工程测试技术基础.机械工业出版社.2006[12]刘瑞适，刘潜然，王清池.水声释放器的水下释放装置.[13]TengBengKoay,JohnR.Potter,TorbjornJohansson,andPallayilVenugopalan.PANDA;ASelf-RecoveringShallowWaterAcousticlogger.TropicalMarineScienceInstitute.2006[14]AcousticReleaseandActuationTranspondersProductGuide.SonardyneInternationalLimited.2010.6[15]BenthosIncorporated.ProgrammableSonarAltimeter.BenthosInc,2006