一种水下障碍物探测装置的制作方法

本发明属于障碍物探测装置技术领域，具体涉及一种水下障碍物探测装置。

背景技术：

水路交通运输在我国经济发展和社会进步中起到至关重要的作用，船舶是历史最久远的水上交通运输工具之一。近年来，随着我国经济和水上贸易的日益繁荣，全球的海运总量迅速上升，水路运输频繁，船舶体积趋于大型化、航行速度趋于高速化，船舶数量增多，水域交通密集度增大。加之受到雾霾、大雨等恶劣天气和海况的影响，经常会发生船舶搁浅、触礁、碰撞等水上事故，例如船舶与船舶之间的碰撞、船舶与礁石和暗礁的碰撞等。这些船舶事故严重污染海洋生态环境，对人类的生命和财产安全造成巨大的损失。吨位相差较大的商船和渔船一旦发生事故，将会造成极其严重的后果，尤其对载有如化学品、天然气等危险货物的船只，以及油船、油轮等，这类船只发生碰撞事故将会造成重大人员伤亡，同时造成海洋和河流污染、海上资源及生态环境的破坏，还可能引发生态灾难。减少各种船舶碰撞事故是降低海上交通事故，提高船舶的输运效率是当前亟需解决的问题。

传统雷达和自动雷达标绘仪(Automatic Radar Plotting Aid,ARPA)以及船舶自动识别系统(Automatic Identification System,AIS)是当前防止船舶碰撞的有力手段，但由于这些设备价格昂贵，只在大型的船只中配备，而在中小型以及轻型吨位船只中得不到普及。而且这些设备主要通过电信息探测水上目标，很难有效探测暗礁等水下障碍物目标，其性能受气象、海况、地形等自然条件影响较大。尤其是在船舶密度较大的狭窄水道，遭遇雾霾、大雨等恶劣天气，雷达、ARPA和AIS常常不能很好的发挥其作用。研制高效、经济、可普遍应用于中小型船只的避障系统势在必行。

技术实现要素：

本发明为克服现有水下探测装置的不足，提供一种水下障碍物探测装置，解决了雾霾等恶劣天气下，水路交通中碰撞事故屡发和现有预警避碰系统不能满足经济型要求的难题，提高了船舶航行安全性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种水下障碍物探测装置，包括声波发射系统、声波接收系统、报警模块、显示模块和控制模块，所述声波发射系统由发射驱动电路、功率放大器和发射换能器依次连接组成，声波接收系统由接收水听器、信号调理电路和接收处理电路依次连接组成，控制模块分别与声波发射系统的发射驱动电路、声波接收系统的接收处理电路、报警模块和显示模块连接；所述控制模块控制发射驱动电路发射脉冲信号，发射的脉冲信号经功率放大器放大后驱动发射换能器，发射换能器实现电-声信号的转换，并向水中定向发射声波信号，声波遇障碍物后发生反射，产生回波信号，接收水听器接收经遇障碍物反射后的回波信号，实现声-电信号转换，接收到的微弱电信号经信号调理电路滤波放大后，再由接收处理电路转化为控制模块可识别的高低电平信号输入控制模块，控制模块进行相应的信号判别、距离解算、显示及报警算法处理，最终将目标距离在显示模块上进行实时显示，并通过报警模块实现安全距离内的预警。

所述发射换能器采用D10柱型发射换能器，该发射换能器为-3dB开角为125.7°，可实现定向发射，比全向发射换能器产生的干扰小。

所述接收水听器采用MEMS矢量水听器，具有很好的“8”余弦指向性，可实现定向接收，降低虚警概率。

本发明包括水上部分(干端)和水下部分(湿端)，如图1所示，水上部分包括主控中心和功率放大器，其中主控中心包括控制装置、接收处理电路、显示模块等；水下部分包括发射换能器和接收水听器。采用主动脉冲测距法探测障碍物距离，即利用接收到的经目标反射后的回波信号和发射脉冲信号之间的时间差进行测距的方法。声传播距离的一半即为探测距离，声传播距离可通过收发信号时间差t和声速c的乘积计算得到：

$S=\frac{1}{2}ct,$

由控制模块控制，通过声波发射系统向水中发射主动脉冲信号，声波遇到障碍物后发生发射，由声波接收系统核心部件-MEMS矢量接收水听器接收反射后的回波信号，回波信号经过信号调理电路和接收处理电路转化为控制模块可识别的高低电平信号输入控制模块，使控制模块产生中断信号，进而执行中断子程序：提取声波传播时间，解算距离，距离显示及报警。控制模块控制进行相应的信号判别、距离解算、显示及报警等算法处理。最终将目标距离在显示模块上实时显示，并通过报警模块实现安全距离内的预警，应用船只即可根据所探测距离绕开障碍物，进而实现避障功能。本发明利用MEMS矢量水听器实现了水下障碍物的探测，具有小体积、低成本、高精度，虚警概率低，且不受恶劣天气影响等优势，解决了雾霾等恶劣天气下，水路交通中碰撞事故屡发和现有预警避碰系统不能满足经济型要求的难题，提高了船舶航行安全性。

系统方案如图3所示，主要包括探测装置系统干端硬件设计和软件设计。

硬件设计主要包括发射驱动电路、接收处理电路和信号调理电路等。系统通过发射电路输出脉冲信号，接收处理电路将经过信号调理之后的回波信号转化为控制模块可识别的电平信号。由控制模块程序控制输出，三极管作为控制开关实现脉冲信号的发射；经过滤波和放大的信号调理电路对接收到的微弱回波信号进行处理；通过如图6所示的包含3个三极管的接收处理电路将经过滤波放大后的回波信号转换为单片机可识别的高低电平。

通过软件程序实现信号的发射、接收、距离计算和显示，在软件部分主要实现以下几个功能：1)脉冲信号的发射；2)实现对声速的修正；3)直达波的屏蔽；4)利用测距原理解算距离同时完成实时显示，并根据实际水文情况和航速选择报警距离进而实现预警。图7和图8分别为主程序流程图和外部中断服务子程序流程图。

附图说明

图1是本发明水下障碍物探测装置构成框图；

图2是本发明的结构框图；

图3是本发明系统方案图；

图4是本发明发射驱动电路原理图；

图5是本发明信号调理电路原理图；

图6是本发明接收处理电路原理图；

图7是本发明主程序流程图；

图8是本发明外部中断子程序流程图；

图9是本发明发射换能器指向性图；

图10是本发明MEMS矢量水听器指向性图；

图11是本发明探测装置应用安装方案。

具体实施方式

如图2所示，本实施例中的一种水下障碍物探测装置，包括声波发射系统、声波接收系统、报警模块、显示模块和控制模块，所述声波发射系统由发射驱动电路、功率放大器和发射换能器依次连接组成，声波接收系统由接收水听器、信号调理电路和接收处理电路依次连接组成，控制模块分别与声波发射系统的发射驱动电路、声波接收系统的接收处理电路、报警模块和显示模块连接；所述控制模块控制发射驱动电路发射脉冲信号，发射的脉冲信号经功率放大器放大后驱动发射换能器，发射换能器实现电-声信号的转换，并向水中定向发射声波信号，声波遇障碍物后发生反射，产生回波信号，接收水听器接收经遇障碍物反射后的回波信号，实现声-电信号转换，接收到的微弱电信号经信号调理电路滤波放大后，再由接收处理电路转化为控制模块可识别的高低电平信号输入控制模块，控制模块进行相应的信号判别、距离解算、显示及报警算法处理，最终将目标距离在显示模块上进行实时显示，并通过报警模块实现安全距离内的预警。

如图4所示，所述发射驱动电路由单片机程序控制输出，经过三极管作为控制开关，实现信号的发射。工作在截止状态/饱和状态的三极管可以用作控制开关，单片机信号输出端口(P3.1)与左边输入端TX相连，YE587序列功率放大器与右边发射信号输出端TX相连。

所述接收处理电路包括放大和滤波模块，采用仪表放大器AD620外接电阻实现放大功能。如图5所示，所述滤波放大电路采用有源设计，衰减特性和低输出阻抗特性良好。选择OP37运算放大器，其作为输出级具有良好的负载驱动能力，带通滤波器带宽为f_BW＝1kHz，低频截止频率f_L＝9.5kHz，高频截止频率f_H＝10.521kHz，中心频率f₀＝10kHz。

如图6所示，所述接收处理电路原理图中左端RX与经信号调理电路滤波放大后的回波信号相连，单片机输入端口(P3.2)与右边输出端RX相连。采用Q2、Q3和Q4三个三极管，Q2和Q3组成两级放大，Q4作为控制开关。Q2和Q3将水听器输入信号放大，放大信号经过检波电路给Q4基极施加电压。

软件设计采用模块化设计，主要由主程序、声速修正子程序、T0中断子程序、外部中断子程序、延时子程序、距离计算子程序、LCD显示子程序和报警子程序等模块组成。距离解算、显示以及报警在外部中断子程序中执行。如图7所示，采用单片机控制发射端口(P3.1)先发射5个10kHz的脉冲串，发射完成后开启单片机定时器T0，通过机器周期脉冲计数方式记录收发信号时间差。当接收处理电路接收到由经放大滤波处理后的水听器拾取的回波信号后，若其电压值达到阈值380mv，则图6中的RX端为0V即低电平，即控制模块外部中断端口(P3.2)产生低电平，该端口低电平有效，就会触发外部中断，控制模块就会响应该外部中断，执行如图8所示的外部中断子程序，进入中断之后，首先要进行必要的现场保护，关闭外部中断，然后关闭定时器，读取时间差，根据脉冲测距法解算公式解算出探测距离值，并通过单片机P2口传输至LCD上显示，同时根据所设定安全距离完成距离判断，若探测距离小于预警距离则进行报警，执行完后返回主程序，再开始新的目标距离探测；若无信号或接收到的信号小于阈值380mv，则重新开始发射信号。

如图9所示，所述发射换能器采用D10柱型发射换能器，该发射换能器为-3dB开角为125.7°，可实现定向发射，比全向发射换能器产生的干扰小。

如图10所示，所述接收水听器采用MEMS矢量水听器，具有很好的“8”余弦指向性，可实现定向接收，降低虚警概率。

所述控制模块采用stc80c51单片机，所述显示模块采用1602LCD液晶屏。

对本发明所述的水下探测装置进行了初步试验，试验时将探测装置湿端安装于船艏底部，干端装置置于船舱中，通过观察显示模块显示结果得到障碍物距离，如图11所示。