一种水下定位系统的制作方法

1.本技术涉及水声定位技术领域，具体而言，涉及一种水下定位系统。


背景技术：

2.随着人类对海洋资源越来越重视，对水下重要设备进行有效监测定位，以确定设备是否被冲走或者丢失越来越重要。现有的水下定位系统，通过多波束、声纳等设备直接对水下设备进行扫描，但每次都需要租用船只或安装有相关设备的无人艇对水下设备进行扫描，水声通信具有典型的弱通信特性，容易受到水声等其他干扰的影响，得到的水下设备的位置信息并不准确。


技术实现要素：

3.本技术实施例的目的在于提供一种水下定位系统，用以解决水下设备无法精确定位的问题。
4.第一方面，本技术实施例提供一种水下定位系统，包括：声学通讯模块、第一换能器和定位设备；
5.所述第一换能器分别与所述声学通讯模块和所述定位设备通信连接；
6.所述声学通讯模块用于向所述第一换能器发送测距命令；
7.所述第一换能器用于将所述测距命令转化为第一声音信号，并向所述定位设备发送所述第一声音信号；
8.所述定位设备用于根据所述第一声音信号回复对应的应答信号，还用于将所述应答信号转化为对应的第二声音信号；
9.所述第一换能器还用于接收所述第二声音信号，并转化为对应的测距回复命令；
10.所述声学通讯模块用于接收所述测距回复命令。
11.在本技术实施例中，在水下设备上固定定位设备，声学通讯模块将测距命令发送给定位设备，定位设备根据接收到的测距命令回复对应的测距回复命令并发送给声学通讯模块，通过声学通讯模块的实时联合计算，实现对定位设备和声学通讯模块之间距离的实时采集，有效提高了对水下设备定位的准确性。
12.进一步地，所述定位设备包括：第二换能器、信号处理单元、信号解析单元、信号控制单元和信号发送单元；
13.所述第二换能器分别与所述信号处理单元及所述信号发送单元连接，所述信号解析单元分别与所述信号处理单元和所述信号控制单元连接，所述信号控制单元还与所述信号发送单元连接；
14.所述第二换能器用于接收所述第一声音信号，将所述第一声音信号转化为电信号，并向所述信号处理单元发送所述电信号；
15.所述信号处理单元用于对所述电信号进行滤波和放大，获得放大后的电信号；
16.所述信号解析单元用于对所述放大后的电信号进行解调，还用于对解调后的所述
电信号进行解码，以产生对应的测距命令；
17.所述信号控制单元用于根据所述测距命令生成对应的应答信号，并向所述信号发送单元发送所述应答信号；
18.所述信号发送单元用于对所述应答信号进行调制；
19.所述第二换能器还用于将调制后的应答信号转化为所述第二声音信号。
20.在本技术实施例中，水下定位设备对接收到的第一声音信号进行解析，根据得到的测距命令生成对应的应答信号并传回声学通讯模块，通过声学通讯模块和水下设备的应答，可以精确计算出声学通讯模块和水下设备之间的距离。
21.进一步地，所述信号处理单元包括：压限放大器、带通滤波模块和放大器；
22.所述压限放大器用于对所述电信号进行压缩限幅后，送入所述带通滤波模块；
23.所述带通滤波模块用于对压缩限幅后的所述电信号进行带通滤波，并将滤波后的电信号所述送入所述放大器中；
24.所述放大器用于对滤波后的所述电信号进行放大，获得所述放大后的电信号。
25.在本技术实施例中，信号处理单元通过压限放大器、带通滤波模块和放大器对电信号进行滤波和放大，将换能器转化得到的微弱电信号进行幅值放大，便于后续对电信号进行分析和处理，通过带通滤波模块将带外信号进行有效衰减，去除电信号中存在的水声环境噪声，减少噪声对后续电信号解析的干扰。
26.进一步地，所述信号解析单元包括：信号解调模块和信号处理模块；
27.所述信号解调模块用于对所述放大后的电信号进行傅里叶变换，获得解调的编码信号；
28.所述信号处理模块用于对所述解调的编码信号进行解码，获得对应的所述测距命令。
29.在本技术实施例中，对放大后的电信号进行解调和解码，将电信号还原成它所代表的测距命令，可以动态获取信号较强的部分而过滤信号较弱的部分，得到测距信号具有很强的抗干扰能力。
30.进一步地，所述信号发送单元包括：调制模块和功率放大器；
31.所述调制模块用于对所述应答信号进行脉冲宽度调制；
32.所述功率放大器用于对调制后的应答信号进行功率放大，并将放大后的所述应答信号送入所述第二换能器。
33.在本技术实施例中，通过对应答信号进行脉冲宽度调制，所获得的应答信号平滑且低次谐波少，无需进行数模转换，使应答信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小，通过功率放大器将调制后的应答信号进行电压放大，保证应答信号可以远距离传输到声学通讯模块。
34.进一步地，所述带通滤波模块为多级滤波模块；
35.所述多级滤波模块用于滤除所述电信号中的噪声信号。
36.在本技术实施例中，通过多级滤波模块将电信号中的噪声信号进行衰减，减少噪声信号对电信号的干扰，提高定位设备通信的效率。
37.进一步地，所述定位设备还包括：功放电源；
38.所述功放电源用于对所述功率放大器提供电源；其中，所述功放电源包括两个并
联的单片非同步开关稳压器。
39.在本技术实施例中，通过两个并联的单片非同步开关稳压器对功率放大器进行供电，稳压器带有集成的5a，40v电源开关，单片非同步开关稳压器具有一个宽输入电压范围以支持功率放大器工作。
40.进一步地，所述功率放大器采用ir2301strpbf芯片和pq3535变压器对所述应答信号进行功率放大。
41.在本技术实施例中，通过ir2301strpbf芯片和pq3535高频变压器对调制后的应答信号进行功率放大，得到的放大后的应答信号损耗小，抗干扰性能好。
42.进一步地，所述声学通讯模块至少包括三个数据采集器。
43.在本技术实施例中，声学通讯模块的数据采集器不在同一直线上，通过至少三个数据采集器确定一个定位设备的具体位置，多台数据采集器的实时联合计算定位设备的具体位置信息，能够有效提高对定位设备定位的准确性。
44.进一步地，所述系统还包括：终端；所述终端和所述声学通讯模块通过网关进行通信。
45.在本技术实施例中，声学通讯模块将得到的初距离通过网关传输给终端，终端对多个初距离进行分析判断得到定位设备的最终位置信息，实现对定位设备的精确定位。
46.本技术通过声学通讯模块、第一换能器和定位设备组成水下定位系统，声学通讯模块将测距命令发送给定位设备，定位设备根据接收到的测距命令回复对应的测距回复命令并发送给声学通讯模块，通过声学通讯模块和终端的实时联合计算，实现对定位设备和声学通讯模块之间距离的实时采集，有效提高了对水下设备定位的准确性。
47.本技术的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本技术实施例了解。本技术的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
48.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
49.图1为本技术实施例提供的一种水下定位系统的结构示意图；
50.图2为本技术实施例提供的一种定位设备的结构示意图；
51.图3为本技术实施例提供的一种定位设备的电路示意图；
52.图4为本技术实施例提供的一种定位设备的内部结构示意图。
具体实施方式
53.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
54.图1为本技术实施例提供的一种水下定位系统100的结构示意图，如图1所示，该水下定位系统100包括：声学通讯模块101、第一换能器102和定位设备103；
55.所述第一换能器102分别与所述声学通讯模块101和所述定位设备103通信连接；
56.所述声学通讯模块101用于向所述第一换能器102发送测距命令；
57.所述第一换能器102用于将所述测距命令转化为第一声音信号，并向所述定位设备103发送所述第一声音信号；
58.所述定位设备103用于根据所述第一声音信号回复对应的应答信号，还用于将所述应答信号转化为对应的第二声音信号；
59.所述第一换能器102还用于接收所述第二声音信号，并转化为对应的测距回复命令；
60.所述声学通讯模块101用于接收所述测距回复命令。
61.在具体的实施过程中，声学通讯模块101部署在桥墚、浮岛或轮船上，用于和水下待定位设备进行通讯，并将与之连接的第一换能器102固定在水中。
62.第一换能器102是一种能量转换器件，主要有磁致伸缩和压电晶体两大类，本技术采用压电晶体类的水声换能器来进行能量转换。将电能转换成声能的称为发射换能器，将声能转换成电能的是接收换能器，发射换能器和接收换能器通常是分开使用的，但也可以共用一个，在本技术实施例中共用一个水声换能器来进行第一声音信号的发射和第二声音信号的接收。
63.定位设备103固定在水下设备上，水下设备包括但不限于海底地震仪、海洋调查仪、海洋地质地貌仪器、海洋测温仪器、水质检测设备、水下造粒设备、水下摄像设备等，通过对定位设备103进行定位来实现对水下设备的精确定位。
64.测距命令为声学通讯模块向水下定位设备发送的二进制电信号，第一声音信号为测距信号通过第一换能器转化得到的声波信号，测距回复命令为第二声音信号通过第一换能器转化得到的电功率信号。通过在水下设备上固定定位设备，声学通讯模块将测距命令发送给定位设备，定位设备根据接收到的测距命令回复对应的测距回复命令并发送给声学通讯模块，通过声学通讯模块的实时联合计算，实现对定位设备和声学通讯模块之间距离的实时采集，有效提高了对水下设备定位的准确性。
65.可选地，图2为本技术实施例提供的一种定位设备的结构示意图，如图2所示，该定位设备包括：第二换能器201、信号处理单元202、信号解析单元203、信号控制单元204和信号发送单元205；
66.所述第二换能器201分别与所述信号处理单元202及所述信号发送单元205连接，所述信号解析单元203分别与所述信号处理单元202和所述信号控制单元204连接，所述信号控制单元204还与所述信号发送单元205连接；
67.所述第二换能器201用于接收所述第一声音信号，将所述第一声音信号转化为电信号，并向所述信号处理单元202发送所述电信号；
68.所述信号处理单元202用于对所述电信号进行滤波和放大，获得放大后的电信号；
69.所述信号解析单元203用于对所述放大后的电信号进行解调，还用于对解调后的所述电信号进行解码，以产生对应的测距命令；
70.所述信号控制单元204用于根据所述测距命令生成对应的应答信号，并向所述信号发送单元发送所述应答信号；
71.所述信号发送单元205用于对所述应答信号进行调制；
72.所述第二换能器201还用于将调制后的应答信号转化为所述第二声音信号。
73.在具体的实施过程中，第二换能器201和第一换能器102为同一种类的换能器，对第二换能器201的详细描述参见实施例1，此处不再赘述。
74.通过第二换能器201转化得到的电信号强度微弱，通过信号处理单元202对电信号进行放大，但在对电信号放大的同时也会放大电信号中的噪声信号，需要通过信号处理单元202对电信号进行滤波，减少噪声信号对电信号造成干扰。
75.通过信息解析单元203将放大后的电信号进行解调和解码，将电信号还原成它所代表的测距命令，信号控制单元204对测距命令进行回复并发送给声学通讯模块101，通过声学通讯模块101的实时联合计算，实现对定位设备103和声学通讯模块101之间距离的实时采集，有效提高了对水下设备定位的准确性。
76.可选地，请参考图2和图3，图3为本技术实施例提供的一种定位设备的电路示意图，信号处理单元包括：压限放大器302、带通滤波模块303和放大器304；
77.所述压限放大器302用于对所述电信号进行压缩限幅后，送入所述带通滤波模块303；
78.所述带通滤波模块303用于对压缩限幅后的所述电信号进行带通滤波，并将滤波后的电信号所述送入所述放大器304中；
79.所述放大器304用于对滤波后的所述电信号进行放大，获得所述放大后的电信号。
80.在具体的实施过程中，第二换能器301和第一换能器102为同一种类的换能器，对第二换能器301的详细描述参见实施例1，此处不再赘述。压限放大器302的两大功能是压缩器和限幅器，压缩器是随着输入信号电平增大而本身增益减少的放大器，限制器是输出电平到达一定值以后，不管输入电平怎样增加，其最大输出电平保持恒定的放大器。
81.带通滤波模块303允许电信号中特定频段的信号通过，而将其他范围的频率分量衰减到极低，带通滤波模块303由谐振电路组成，谐振电路分为串联谐振电路和并联谐振电路。对于串联谐振电路，若l和c无损耗，则在谐振频率时阻抗变为零，l越大，衰减特性越陡；对于并联谐振电路，谐振频率时阻抗变为无穷大，l越小c越大，衰减特性越陡。
82.放大器304是能把输入讯号的电压或功率放大的装置，由电子管、晶体管、电源变压器和其他电器元件组成，放大器304的放大作用是通过输入信号控制能源来实现的，放大所需功耗由能源提供。对于线性放大器，输出就是输入信号的复现和增强。对于非线性放大器，输出则与输入信号成一定函数关系。放大器304按所处理信号物理量分为机械放大器、机电放大器、电子放大器、液动放大器和气动放大器等，其中用得最广泛的是电子放大器。
83.在本技术实施例中，通过第二换能器301转化得到的电信号幅值较小，通过压限放大器302对电信号进行放大处理，再对电信号中的带外噪声进行滤除和二次放大，将噪声信号进行有效衰减，便于后续对电信号进行分析和处理。
84.可选地，请参考图2和图3，信号解析单元203包括：信号解调模305和信号处理模块306；
85.所述信号解调模块305用于对所述放大后的电信号进行傅里叶变换，获得解调的编码信号；
86.所述信号处理模块306用于对所述解调的编码信号进行解码，获得对应的所述测距命令。
87.在具体的实施过程中，信号解调模块305对放大后的电信号进行a/d采集，将电信号的连续幅值离散成若干个量化量级，得到电信号的数字量，对电信号的数字量进行傅里叶变换，通过比较傅里叶变换计算结果确定数字量的频率，实现对电信号的解调。
88.信号处理模块306对解调得到的编码信号进行解码，一般可以通过快速傅里叶变换和离散傅里叶变换实现对离散信号的解码，将编码信号转化为它所代表的测距命令，具体可通过stm32l4r5对编码信号进行解码。
89.通过对电信号进行解调和解码，可以动态获取信号较强的部分而过滤信号较弱的部分，得到测距信号的具有很强的抗干扰能力。
90.可选地，请参考图2和图3，信号发送单元205包括：调制模块308和功率放大器309；
91.所述调制模块308用于对所述应答信号进行脉冲宽度调制；
92.所述功率放大器309用于对调制后的应答信号进行功率放大，并将放大后的所述应答信号送入所述第二换能器。
93.其中，所述功率放大器309采用ir2301strpbf芯片和pq3535变压器对所述应答信号进行功率放大。在具体的实施过程中，调制模块308对所述应答信号进行脉冲宽度调制(pulse width modulation，pwm)，得到一系列幅值相等但宽度不一致的脉冲，在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，且各脉冲的等值电压为正弦波形，使得所获得的pwm波平滑且低次谐波少，同时提高应答信号的抗干扰能力。
94.功率放大器309简称“功放”，是指在给定失真率条件下，能产生最大功率输出以驱动某一负载的放大器，利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流，常见的种类有射频功率放大器、高频功率放大器等。
95.信号调制模块308将调制后的3.3v应答信号通过ir2301strpbf升压至12v，再通过pq3535变压器将12v应答信号升压至700-800伏之间，以提高第一声音信号的传输距离。同时，通过ir2301strpbf芯片和pq3535变压器对应答信号进行放大，使得应答信号的损耗小，抗干扰性能好，具备多个引脚，绕制接线方便，成本低。
96.在信号远距离传输中容易受到干扰，如电磁干扰、信号的衰减、水声环境噪声等，为了排除应答信号在传输过程中的干扰信号，对调制后的应答信号进行电压放大，以保证应答信号可以进行远距离传输到达声学通讯模块。
97.可选地，请参考图3，带通滤波模块303为多级滤波模块；
98.所述多级滤波模块用于滤除所述电信号中的噪声信号。
99.其中，多级滤波模块至少为四级带通滤波。在具体的实施过程中，将四个一阶带通滤波器进行串联形成四阶带通滤波器，每个一阶带通滤波器将ad8542放大器作为运放，利用有用信号和噪声占用不同频带的特性，将电信号中的噪声信号进行衰减，滤除电信号中噪声信号，同时这种四阶带通滤波器具有性能稳定、设计难度小的优点。
100.可选地，请参考图1和图3，定位设备103还包括：功放电源310；
101.所述功放电源310用于对所述功率放大器309提供电源；其中，所述功放电源310包括两个并联的单片非同步开关稳压器。
102.在具体的实施过程中，将两个单片非同步开关稳压器tps55340进行并联组成功放电源310，用于对功率放大器309供电。其中，tps55340是一款具有集成式5a、40v电源开关的单片非同步开关稳压器，使用电流模式pwm控制来调节输出电压，并装有一个内部振荡器。
pwm的开关频率由一个外部电阻器设定或者同步至一个外部时钟信号。用户可以在100khz至1.2mhz之间对开关频率进行设定，该器件内置有其它保护特性，包括逐周期过流限制和热关断。同时tps55340可配置成多种标准开关稳压器拓扑，具有宽输入电压范围。
103.可选地，所述声学通讯模块至少包括三个数据采集器。
104.在具体实施的过程中，数据采集器位于桥墚、浮岛或轮船上，用于和水下待定位设备进行通讯。声学通讯模块的数据采集器不在同一直线上，当所述数据采集器在同一直线时，即使得到每个数据采集器到待定位设备的距离，也无法确定定位设备的唯一位置信息。
105.可选地，所述系统还包括：终端；
106.所述终端和所述声学通讯模块通过网关进行通信。
107.在具体实施过程中，云平台和终端设备通信连接，终端设备可以对云平台进行操作和控制。每个数据采集器将测得的初始距离通过网关传输到云平台中，云平台对接收到的初始距离进行分析处理，并将水下设备的最终位置信息通过网关传输得终端，在终端设备上可以显示出水下设备的最终位置信息。
108.这里以声学通讯模块包括三个数据采集器为例，确定水下设备的具体位置，具体包括：数据采集器a、数据采集器b和数据采集器c分别向水下设备d发送测距命令，得到三个数据采集器到定位设备之间的初距离，三个数据采集器通过网关将得到的初距离上报给终端设备，具体可以通过4g、5g、gps、wifi等方式将初距离上报给云平台和智能终端，通过云平台和智能终端的分析判断得到水下设备的具体位置，实现对水下设备的精确定位。
109.本技术通过声学通讯模块、第一换能器和定位设备组成水下定位系统，声学通讯模块将测距命令发送给定位设备，定位设备根据接收到的测距命令回复对应的测距回复命令并发送给声学通讯模块，通过声学通讯模块的实时联合计算，实现对定位设备和声学通讯模块之间距离的实时采集，有效提高了对水下设备定位的准确性。
110.图4为本技术实施例提供的一种定位设备的内部结构示意图，包括：全向换能器401、通讯控制模块402、电源管理模块403、电池舱404和外置接头405。
111.全向换能器401用于接收第一换能器发送的第一声音信号，将第一声音信号转化为电信号，还用于将调制后的应答信号转化为所述第二声音信号。
112.通讯控制模块402用于对接收到的第一声音信号进行放大、带通滤波、解调和解码处理，解析出测距命令，并对接收到的测距命令予以回应。
113.电源管理模块403用于对通讯控制模块的各个单元进行供电，并且外部还包含适配指示灯，用于指示电源管理模块的工作状态，电池舱404为电源管理模块进行供电。
114.外置接头405可以为通用异步收发传输器(universal asynchronous receiver/transmitter，uart)，定位设备通过uart可以实现和水下设备之间的通讯。
115.在本技术所提供的实施例中，应该理解到，所揭露设备和系统，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或交互连接可以是通过一些交互接口，设备或单元的间接耦合或交互连接，可以是电性，机械或其它的形式。
116.另外，作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元
显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
117.再者，在本技术各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
118.在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
119.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。