水下高速目标轨迹测量系统技术方案

本实用新型专利技术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。本实用新型专利技术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。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及的是一种定位声纳装置。
技术介绍
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。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。
技术实现思路
本技术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。本技术的目的是这样实现的本技术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。本技术还可以包括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。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。本技术的优势在于本技术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。附图说明图1为本技术的结构原理框图；图2为本技术的分系统结构框图；图3为本技术的定位解算软件工作流程框图。具体实施方式以下结合附图举例对本技术做更详细地描述结合图1 3，本技术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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。本技术工作原理是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，本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙大军，郑翠娥，张殿伦，李想，勇俊，卢逢春，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：实用新型
国别省市：93