基于单波束声阵列的水下蔽障系统的设计研究.pdf

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1、2013正仪表技术与传感器2013第12期InstrumentTechniqueandSensorNo．12基于单波束声阵列的水下蔽障系统的设计研究王友钊，陈志昂(浙江大学数字技术及仪器研究所，浙江杭州310027)摘要：在分析传统水下蔽障原理基础上，针对基于单波束的换能器阵列水下蔽障系统展开设计。系统筛选DSP和模拟数据选通芯片实现换能器阵元逐次扫描，采集回声信号调理后合成水下图像。研究了发射、接收的硬件电路设计，基于DSP的系统软件设计思路与流程，经过实验验证了设计的可行性。关键词：水下蔽障；模拟数据选通；单波束；换能器阵列

2、中图分类号：文献标识码：A文章编号：1002—1841(2013)12—0125—03ReasearchandDesignofUnderwaterObstaeleAvoidanceSystemBasedonSigngld—BeanAcousticArrayWANGYou．zhao，CHENZhi—ang(InstituteofOigi~TechnologyandInstrument，ZhejiangUniversity，aangzhou310027，China)Abstract：Adesigningmethodofunderwa

3、terobstacleavodingsystemmethodbasedonsingle—beamisproposed，accordingtothenalysisofobstacleavoidingprinciple．ThesystemscansusesDSPandanalogdataselector,SOthattransducerarraycanscancontinuouslyandunderwaterimageCanbegeneratedbyprocessedechosigna1．Thedesignoftransmittin

4、gandrecievinghardwareisintroducedem-phaticallyinthispaper．AnditdescribesthedesignofsoftwarebasedonDSP．Itattestsdesigningmethodfeasibleafterexperiment．Keywords：underwaterobstacleavoiding；analogdataselector；single-beam；acousticarray0引言阵列的几何模型按阵元之间的间隔距离可以分为均匀阵列和非均水下蔽障旨在

5、基于水声传播特胜对水中目标进行传感探测，其匀阵列。扇形排布，即在一个扇面的平面内(60。～180。)均匀安装在水下机器^、渔船导航、军事等领域应用广泛。目前国际上应用的1～N个同型号的水声换能器，如图1所示：基于声纳的水下蔽障系统分为三类：(1)单波束机械扫描声纳。它利用机械装置来控制换能器，以单波束扫描周围的被探测物。其特点是结构简单、价格便宜，但是用这类声纳进行大范围扫描时，耗时长，‘效率低下，成像精确度不高。(2)多波束声纳扫描。它是以一定方·：·．．·：’’：．．’．‘式组合起来的多换能器，同时发射声纳对固定区域进行扫描

6、。它的’r一．t。搜索速度相对比较陕，但是由于多阵元发射声纳所产生的旁瓣比较●图1扇形声阵列排布示意图大，因此得到的图像精确度依然不够好。(3)换能器阵列电子扫描声纳J。其也是以一定方式组合起来的换能器，发射声纳对障碍物进1．2系统实现机理传统换能器阵列主要应用于相控阵，该设计的换能器阵列行扫描，与前面第二种不同之处在于它通过控制各换能器的发射时按照扇形排布，利用基于单束波的渡越时间测量的方法测得该差来控制其波束合成方向。其特点是成像精确度高，但是由于结构发射换能器方向的回声时间r，，已知声速C，则可由2S=cT求得复杂、成本非

7、常昂贵，应用并不广泛。文中借助上述三类声纳探测的特点，设计一种基于以上声障碍物距离。各阵元逐次扫描其方位内的区域，所有阵元都执纳探测系统，即能解除第一类声纳的机械式扫描，又能使其达行扫描后，再由处理单元整合输出到显示设备。到单波束扫描的成像效果，具有成本低、易于生产、易于推广。与以往声纳设计不同的是发射单元采用阵列逐个输出，而1系统设计基础回波接收单元采用独立的接收换能器，这样设计的好处是：把1．1声阵列的选择发射电路和接收电路隔离开来，有效防止发射电路的高电压对水声换能器阵列是由一定数目的换能器按照一定的排布方式接收单元造成冲

8、击和干扰；发射换能器和接收换能器的选择更组合而成。换能器阵列按阵元排列的形状可以分为平面阵列和非有针对性，增加了系统的精确度。平面阵列。其中，平面阵列中所有的阵元都在同一个平面内，有线2系统设计阵列、矩形阵列、十字阵列、三角形阵列、圆形阵列等；非平面阵列中2．1