[發(fā)明專利]一種高精度多普勒計程儀系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110636297.0
• 申請日: 2021-06-08
• 公開（公告）號: CN113534163A
• 公開（公告）日: 2021-10-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王茂法;王震;薛歡歡
• 申請（專利權(quán)）人: 杭州電子科技大學(xué)
• 主分類號: G01S15/58
• 分類號: G01S15/58;G01S15/88;G01S7/539
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 楊舟濤

本發(fā)明公開了一種高精度多普勒計程儀系統(tǒng)，該多普勒計程儀系統(tǒng)包括用于向全系統(tǒng)供電的電源板、由壓電陶瓷元件組成的用于將聲能轉(zhuǎn)換成電信號的收發(fā)合置換能器陣、用于放大發(fā)射脈沖信號的功放板、用于算法處理、輸出高度、速度信息的信號處理板、用于對回波信號進(jìn)行放大、濾波以及模數(shù)轉(zhuǎn)換的信號調(diào)理板、用于測量姿態(tài)、溫鹽深等數(shù)據(jù)并傳輸?shù)姆锹晜鞲衅靼濉⒂糜诎l(fā)送控制命令以及系統(tǒng)信息顯示的顯控模塊。本發(fā)明的高精度多普勒計程儀系統(tǒng)，根據(jù)顯控模塊的控制信號，發(fā)射單頻脈沖信號或者m序列偽隨機(jī)編碼寬帶信號，接收回波信號并對其進(jìn)行算法處理，將速度、對底高度等信息發(fā)送給顯控模塊進(jìn)行顯示，得到測高誤差小于1％，測速誤差小于0.3％。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及多普勒計程儀系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種高精度多普勒計程儀系統(tǒng)。

技術(shù)背景

在水下工作環(huán)境受限的情況下，測速精度高、小型化的多普勒計程儀在無人水下航行器中被廣泛應(yīng)用。隨著無人水下航行器技術(shù)的迅猛發(fā)展以及應(yīng)用場景的不斷擴(kuò)大，對水下導(dǎo)航的精度要求日益提高，而DVL的測速精度是其導(dǎo)航性能的決定性因素。因此研發(fā)一種高精度的多普勒計程儀系統(tǒng)，使其為水下航行器等海洋設(shè)備提供精確的速度信息。在軍用和民用兩方面，為海洋開發(fā)工具提供設(shè)備保障，具有重要的意義和作用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是在于提供一種為水下航行器等海洋設(shè)備提供精確的速度信息的高精度多普勒計程儀系統(tǒng)。

本發(fā)明提供的高精度多普勒計程儀系統(tǒng)，主要由收發(fā)合作換能器陣、功放板、信號處理板、信號調(diào)理板、非聲傳感器板、電源板以及顯控模塊組成。

所述的收發(fā)合作換能器陣由四個獨立的換能器組成，四個換能器布置成Janus陣型結(jié)構(gòu)，每個換能器的輻射面軸線與換能器陣的中軸線成25°±0.1°夾角；四個換能器同時將功放板發(fā)射的脈沖信號轉(zhuǎn)化成聲波信號，然后接收水下回波信號將其轉(zhuǎn)化成電信號，并將其發(fā)送給信號調(diào)理板。

所述的功放板由數(shù)組信號驅(qū)動電路、半橋功率放大、濾波輸出三個模塊組成。數(shù)字信號驅(qū)動電路采用INFINEON IR2010STRPBF MOS驅(qū)動芯片，接收兩路互補(bǔ)的PWM信號S+、S-輸入芯片高低側(cè)驅(qū)動MOS管，SD控制信號為高電平時驅(qū)動無輸出，低電平有效；半橋功率放大電路采用INFINEON IRFI4020H-117P場效應(yīng)管，由兩個MOS管組成上橋和下橋，上橋臂接功放電源，下橋臂接地，死區(qū)時間控制為332ns，兩路互補(bǔ)的PWM信號控制MOS管的G極，上下橋臂分別導(dǎo)通，實現(xiàn)功率放大效果；濾波輸出電路由LC低通濾波構(gòu)成，電感選擇10uH，全紅-2材質(zhì)電感。有效減少功率損耗，電容選擇4.7nf。諧振頻率為734.127Khz，能有效濾除高頻成分，還原信號輸出。

所述的信號處理板有由FPGA、DSP和MCU三部分組成。低功耗MCU采用STM32L476芯片，主要功能是實現(xiàn)外部命令交互、信號處理板電源管理；FPGA采用Altera公司生產(chǎn)的EP4CE40，主要功能是信號采集以及預(yù)處理，輸出增益控制信號給信號調(diào)理板以及通過隔離接口輸出4路功放驅(qū)動信號，其中隔離器選用ISO7760，是一款6通道高速隔離芯片，隔離電源由功放側(cè)提供；DSP采用OMAP-L138芯片，內(nèi)含一個ARM9和C6748核，主要的功能是通過uPP接口接收FPGA端預(yù)處理的回波數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行對底測距、測速或者對流層測速算法處理，并將處理結(jié)果發(fā)送給MCU傳輸給顯控模塊。

發(fā)射信號分為窄帶和寬帶信號。窄帶信號：信號頻率為f₀＝600KHz，脈沖寬度為1ms、2ms、5ms、10ms、20ms等5檔；寬帶信號：采用m序列碼，碼元數(shù)為7；單個碼元內(nèi)填充10個單頻脈沖信號，信號的頻率為600KHz；m序列編碼重復(fù)次數(shù)分別為8次、17次、42次、85次、170次等5檔，脈沖款對應(yīng)窄帶信號的1ms、2ms、5ms、10ms、20ms等5檔。信號處理算法流程如下：

陣元累積：