具有应答功能的水下声源系统设计

发布时间：2020-08-22 12:35

【摘要】：由于水下环境的特殊性,在水声设备的研制、验收及操作人员技术培训等各环节中,都需要相应的辅助测试仪器配合。近年来,我国着力推动海洋科技向创新引领型转变,各种新型水声技术装备不断涌现。在这一背景下,研发配套的辅助测试设备具有重要的现实意义。根据相关项目需求,本文设计了一套满足技术参数指标要求、工作稳定可靠、便于用户使用及维护的具有应答功能的水下声源系统,系统的主要用途是作为其他水声设备测试或校准试验用的辅助声源。系统由水上分机和水下分机构成。水上分机布置于近岸或船上,而水下分机装载于UUV(无人潜航器)或其他运载器。系统工作时,水上分机通过水声换能器发出不同的问询信号,实现对水下分机工作状态的控制;而水下分机接收到问询信号后首先判断是何种指令,如控制低频声源的启动和停止指令、控制功放单元上电下电指令或控制水声应答器应答指令等,再根据指令做出相应动作。论文的主要内容包括系统总体方案设计、硬件设计和系统软件程序的编写。根据功能的不同,硬件部分主要包括水下分机中的信号调理单元、控制单元、功率放大单元、供电单元等。在信号调理单元中,前置放大器选用了具有高输入阻抗、低噪声特点的OPA602运放芯片,高通滤波器可以通过滤除低频声源信号使应答器接收机正常工作,而增益放大电路实现对输入信号可选择放大倍数的多级放大;控制单元的核心器件为ARK-1123型工控机,通过RS-232串口连接辅助控制单元(单片机)对外部结构进行控制,包括对增益放大倍数的选择和对继电器组的控制等,并且通过对ARK-1123工控机内置声卡的操作实现对信号的采集和产生,工控机还可实现大量数据的存储;功率放大单元由高效率的D类音频功率放大器和升压变压器构成。软件部分包括水上分机软件程序和水下分机软件程序,其中水下分机软件程序包括工控机程序和单片机程序。最后,对系统的各个单元进行了测试,并且对系统整体进行多次试验。验证了系统功能的正确性和可靠性,水声应答器可准确应答,发射声源级满足184dB指标要求,低频声源的发射声源级满足175dB指标要求。试验结果表明本文设计的具有应答功能的水下声源系统已达到了预期设计要求。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U666.7
【图文】：

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哈尔滨工程大学硕士学位论文由哈尔滨工程大学研制的高精度超短基线定位系统，应用于“大洋一号”、“科学”号及“向阳红九号”，该系统不仅打破了国外垄断，而且填补了国内市场的空白。由杭州应用声学研究所下属的瑞声海洋仪器公司研制的声学释放器 SFQ-1，是首台国产声学释放器，其工作水深为 10 米~1000 米，可连续工作 90 天[16]。上述系统都是以水声应答器为主要结构来实现其特定功能，而本文设计的系统则是在具有水声应答功能的同时具有低频声源的功能，并且可以通过水声信号实现对低频声源的启动、停止等控制。

水声应答器,设备

图1.1 CTG公司相关产品（a）Date physics公司的水听器校准系统（b）Benthos公司的水声应答器图1.2 水声应答器相关设备1.3 论文主要研究内容和技术指标论文设计了一套集低频声源和水声应答功能于一体的水下声源系统。系统的主要用途是作为其他水声设备测试或校准试验用的辅助声源。

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上分机发射的问询信号，并在满足要求（发射声源级、频率、脉宽）的情况下予以应答或做出其他相应的动作。图2.1 系统整体框架示意图具有应答功能的水下声源系统的硬件设计主要包括对水下分机的硬件设计工作。而水下分机包括水下分机的主体、辅助设备上下电控制器和便携式显示器。水下分机的结构示意图如图 2.2 所示，由水密电子舱、换能器支撑架及安装在支撑架上的两个换能器（一个用于应答，另一个用于低频声源）组成。水密电子舱内安装电路系统，电子舱两端与换能器支撑架连接。水密电子舱上共有三个水密连接器，其中两个用于连接换能器，且实现对水密电子舱内的锂电池组充电，另一个用于对电子舱内工控机进行参数配置及对工控机的上下电操作。水密电子舱内部结构如图 2.3 所示。为保证系统能够连续在水下工作 12 个小时以上，这将需要大量的电能供给，因此电池舱段将占用较大的舱内空间。电池拟选用高能量密度的可充电聚合物锂电池[17][18]。

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