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一種激光干涉接收式水聲應(yīng)答器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種激光干涉接收式水聲應(yīng)答器，包括殼體、電源模塊、水聲檢測(cè)模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、信號(hào)處理模塊、放大整形模塊、增益調(diào)節(jié)模塊、功率放大模塊和回發(fā)換能器；水聲檢測(cè)模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、信號(hào)處理模塊、放大整形模塊、增益調(diào)節(jié)模塊、功率放大模塊和回發(fā)換能器依次連接；電源模塊分別與上述其他模塊和回發(fā)換能器連接；殼體水密封且所有上述模塊安裝在殼體的內(nèi)腔中。本發(fā)明具有線性響應(yīng)特性，檢測(cè)的水聲信號(hào)幅度與輸出的信號(hào)大小成線性關(guān)系，有效地避免了壓電陶瓷固有的非線性響應(yīng)，同時(shí)還具有檢測(cè)范圍寬、檢測(cè)精度高的優(yōu)點(diǎn)，可以用于遠(yuǎn)距離水聲定位系統(tǒng)、水下石油勘探二次定位等【技術(shù)領(lǐng)域】。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種激光干涉接收式水聲應(yīng)答器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種激光干涉接收式水聲應(yīng)答器。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著海洋資源的開(kāi)發(fā)利用和對(duì)海洋環(huán)境研宄的深入，水下目標(biāo)定位的應(yīng)用越來(lái) 越廣泛。無(wú)論是在長(zhǎng)基線，短基線或超短基線定位系統(tǒng)中，水聲應(yīng)答器是關(guān)鍵部件之一， 它可以根據(jù)整個(gè)定位系統(tǒng)的需要，控制水下傳感器以提供目標(biāo)的測(cè)試數(shù)據(jù)。海洋環(huán)境水聲 信道的有很多復(fù)雜環(huán)境因素，如強(qiáng)噪聲、強(qiáng)起伏、多徑干擾、多普勒頻移，因此對(duì)水聲應(yīng)答 器的精度，可靠性，功耗等都有特殊要求，然而傳統(tǒng)壓電陶瓷接收式水聲應(yīng)答器存在非線 性響應(yīng)的缺陷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種激光干涉接收式水聲應(yīng)答器。
[0004] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種激光干涉接收式水聲應(yīng) 答器，包括殼體、電源模塊、水聲檢測(cè)模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、信號(hào)處理模塊、放大整形模塊、增 益調(diào)節(jié)模塊、功率放大模塊和回發(fā)換能器；
[0005] 水聲檢測(cè)模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、信號(hào)處理模塊、放大整形模塊、增益調(diào)節(jié)模塊、功率 放大模塊、回發(fā)換能器依次連接；
[0006] 電源模塊分別與水聲檢測(cè)模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、信號(hào)處理模塊、放大整形模塊、增 益調(diào)節(jié)模塊、功率放大模塊、回發(fā)換能器連接；
[0007] 殼體水密封且電源模塊、水聲檢測(cè)模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、信號(hào)處理模塊、放大整形 模塊、增益調(diào)節(jié)模塊、功率放大模塊和回發(fā)換能器安裝在殼體的內(nèi)腔中。
[0008] 作為優(yōu)選，水聲檢測(cè)模塊包括光學(xué)單元和電子單元；
[0009] 光學(xué)單元包括激光器、光準(zhǔn)直器、分光棱鏡、測(cè)量反射鏡、振動(dòng)膜、透鏡、第1參考 反射鏡、第2參考反射鏡、相位補(bǔ)償壓電陶瓷、相位調(diào)制壓電陶瓷；氦氖激光器發(fā)出單頻激 光經(jīng)準(zhǔn)直儀投射到分光棱鏡上，再經(jīng)分光棱鏡將入射光線分成第一束光和第二束光，第一 束光通過(guò)透鏡照射到置于透鏡焦點(diǎn)處的測(cè)量反射鏡上，此光束再由測(cè)量反射鏡反射，經(jīng)過(guò) 透鏡后，以與原入射光束平行方向返回到分光棱鏡上；第二束光入射到固定在相位補(bǔ)償壓 電陶瓷上的第2參考反射鏡后，反射到另一個(gè)固定在相位調(diào)制壓電陶瓷上的第1參考反射 鏡上，再由第1參考反射鏡反射回分光棱鏡；返回到分光棱鏡的第一束光和第二束光合并 后照射到光電二極管并產(chǎn)生電信號(hào)；測(cè)量反射鏡與振動(dòng)膜固定連接；
[0010] 電子單元包括光電二極管、諧振放大器、同步解調(diào)器、延遲單元、主頻發(fā)生器、功率 放大器、差分集成放大器組、記錄系統(tǒng)；光電二極管、信號(hào)諧振放大器、諧振放大器、同步解 調(diào)器、差分集成放大器組、記錄系統(tǒng)、信號(hào)調(diào)理模塊依次連接；
[0011] 相位調(diào)制壓電陶瓷依次與功率放大器、主頻發(fā)生器、延遲單元、同步解調(diào)器連接； 相位補(bǔ)償壓電陶瓷連接到差分集成放大器組。
[0012] 作為優(yōu)選，激光器為穩(wěn)頻氦-氖激光器。
[0013] 作為優(yōu)選，信號(hào)調(diào)理模塊包括一個(gè)前置濾波與放大單元、兩個(gè)窄帶濾波單元、兩個(gè) 放大與包絡(luò)檢波單元、兩個(gè)自適應(yīng)門(mén)限比較器單元、一個(gè)與非門(mén)；前置濾波與放大單元分兩 路分別連接一個(gè)窄帶濾波單元；所述一個(gè)窄帶濾波單元、一個(gè)放大與包絡(luò)檢波單元、一個(gè)自 適應(yīng)門(mén)限比較器依次連接，然后兩個(gè)自適應(yīng)門(mén)限比較器通過(guò)一個(gè)與非門(mén)連接到信號(hào)處理模 塊，另外兩個(gè)自適應(yīng)門(mén)限比較器也同時(shí)連接到信號(hào)處理模塊。
[0014] 作為優(yōu)選，信號(hào)處理模塊包括單片機(jī)；單片機(jī)為AVRMegal6單片機(jī)。
[0015] 作為優(yōu)選，電源模塊包括鋰電池和電源轉(zhuǎn)換電路；鋰電池通過(guò)電源轉(zhuǎn)換電路為水 聲檢測(cè)模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、信號(hào)處理模塊、放大整形模塊、增益調(diào)節(jié)模塊、功率放大模塊和 回發(fā)換能器提供工作電壓和工作電流。
[0016] 作為優(yōu)選，殼體為不銹鋼圓筒。
[0017] 本發(fā)明的有益效果是：
[0018] 本發(fā)明具有線性響應(yīng)特性，檢測(cè)的水聲信號(hào)幅度與輸出的信號(hào)大小成線性關(guān)系， 有效地避免了壓電陶瓷固有的非線性響應(yīng)，同時(shí)還具有檢測(cè)范圍寬、檢測(cè)精度高的優(yōu)點(diǎn)，可 以用于遠(yuǎn)距離水聲定位系統(tǒng)、水下石油勘探二次定位等【技術(shù)領(lǐng)域】。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0020] 圖1是本發(fā)明激光干涉接收式水聲應(yīng)答器實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021] 圖2是本發(fā)明激光干涉接收式水聲應(yīng)答器實(shí)施例的水聲檢測(cè)模塊結(jié)構(gòu)圖。
[0022] 圖中，卜穩(wěn)頻氦-氖激光器，2-光準(zhǔn)直器，3-分光棱鏡，4-透鏡，5-測(cè)量反射鏡， 6-振動(dòng)膜，7-第1參考反射鏡，8-第2參考反射鏡，9-相位調(diào)制壓電陶瓷，10-相位補(bǔ)償壓 電陶瓷。
[0023]圖3是本發(fā)明激光干涉接收式水聲應(yīng)答器實(shí)施例的信號(hào)調(diào)理模塊結(jié)構(gòu)圖。
[0024]圖4是本發(fā)明激光干涉接收式水聲應(yīng)答器實(shí)施例的信號(hào)處理系統(tǒng)主程序流程圖。
[0025]圖5是本發(fā)明激光干涉接收式水聲應(yīng)答器實(shí)施例的信號(hào)處理系統(tǒng)中斷服務(wù)子程 序流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0026] 圖1是一種激光干涉式水聲應(yīng)答器，由殼體、電源模塊、水聲檢測(cè)模塊、信號(hào)調(diào)理 模塊、信號(hào)處理模塊、放大整形模塊、增益調(diào)節(jié)模塊、功率放大模塊和回發(fā)換能器組成。其 中水聲檢測(cè)模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、信號(hào)處理模塊、放大整形模塊、增益調(diào)節(jié)模塊、功率放大模 塊、回發(fā)換能器依次連接。
[0027] 電源模塊由鋰電池和電源轉(zhuǎn)換電路組成。鋰電池通過(guò)電源轉(zhuǎn)換電路為水聲檢測(cè)模 塊、信號(hào)調(diào)理模塊、信號(hào)處理模塊、放大整形模塊、增益調(diào)節(jié)模塊、功率放大模塊和回發(fā)換能 器提供工作電壓和工作電流。
[0028] 殼體為一個(gè)水密封良好的不銹鋼圓桶，應(yīng)答器所有部件都安裝在不銹鋼圓桶內(nèi) 部。
[0029] 整個(gè)激光干涉式水聲應(yīng)答器可以分為前端信號(hào)接收及預(yù)處理部分、信號(hào)處理部 分、脈沖回發(fā)部分這三大部分。其中水聲檢測(cè)模塊、信號(hào)調(diào)理模塊構(gòu)成前端信號(hào)接收及預(yù)處 理部分，中間是由信號(hào)處理模塊單獨(dú)構(gòu)成信號(hào)處理部分，后面由放大整形模塊、增益調(diào)節(jié)模 塊、功率放大模塊和回發(fā)換能器構(gòu)成脈沖回發(fā)部分。
[0030] 激光干涉式水聲應(yīng)答器由光路部分和電子部分組成。光路部分主要完成微弱水聲 信號(hào)的檢測(cè)，電子部分完成光電轉(zhuǎn)換以及回發(fā)脈沖的生成和發(fā)射功能。
[0031] 其中水聲檢測(cè)模塊如圖2所示。由振動(dòng)膜6、透鏡4、測(cè)量反射鏡5組成的傳感頭 部分。由穩(wěn)頻氦-氖激光器1發(fā)出的單頻激光經(jīng)光準(zhǔn)直器2投射到分光棱鏡3上，經(jīng)分光 棱鏡將入射光線分成兩束光：第一束光進(jìn)入測(cè)量臂，通過(guò)透鏡4照射到置于透鏡焦點(diǎn)處的 測(cè)量反射鏡5上。此光束再由測(cè)量反射鏡反射，經(jīng)過(guò)透鏡后，以與原入射光束平行方向返回 到分光棱鏡3上；第二束光入射到固定在相位補(bǔ)償壓電陶瓷10上的第2參考反射鏡8后， 反射到固定在相位調(diào)制壓電陶瓷9上第1參考反射鏡7上，再由第1參考反射鏡7反射回分 光棱鏡3。這樣兩束光經(jīng)測(cè)量反射鏡5和第1參考反射鏡7、第2參考反射鏡8反射后，分別 照射到分光棱鏡3后重新會(huì)合并反射到光電二極管上并維持一個(gè)恒定的干涉圖案。干涉圖 案通過(guò)光電二極管轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。電信號(hào)在信號(hào)調(diào)理模塊中經(jīng)過(guò)放大、過(guò)濾噪聲等過(guò)程進(jìn) 入信號(hào)處理模塊，信號(hào)處理模塊對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采集、判斷和編碼，然后進(jìn)行脈沖輸出，輸 出信號(hào)經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷，由換能器壓電陶瓷探頭發(fā)出，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的應(yīng)答。
[0032] 上述光路部分，利用激光干涉式檢測(cè)方法，采用圓形的振動(dòng)膜6作為接收器的感 應(yīng)元件，接收器采用低功耗、小體積的穩(wěn)頻氦-氖激光器作為光源。
[0033] 穩(wěn)頻氦-氖激光器作為系統(tǒng)光源，生成穩(wěn)定的具有固定波長(zhǎng)的激光。光準(zhǔn)直器將 發(fā)射的激光進(jìn)行準(zhǔn)直處理。分光棱鏡實(shí)現(xiàn)對(duì)入射激光的反射和透射。
[0034] 在電子部分，光電二極管接收光信號(hào)，把干涉光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。諧振放大器工 作在線性區(qū)間，把接收到的電信號(hào)進(jìn)行放大10000倍；放大的信號(hào)頻率是25kHz，放大器產(chǎn) 生的信號(hào)正比與干涉檢測(cè)模塊的兩個(gè)干涉臂的長(zhǎng)度之差，避免非線性因素的影響。
[0035] 主頻發(fā)生器產(chǎn)生頻率、振幅、占空比固定的（25kHz，5V)主頻信號(hào)用于對(duì)光電二極 管輸出的干涉電信號(hào)的調(diào)制。延遲單元對(duì)來(lái)自主頻發(fā)生器的主頻信號(hào)產(chǎn)生半個(gè)波長(zhǎng)的相 移，用于對(duì)經(jīng)過(guò)主頻信號(hào)已調(diào)制的干涉信號(hào)的解調(diào)。這樣就構(gòu)成一個(gè)調(diào)制解調(diào)通信系統(tǒng)，可 以有效避免外界低頻噪聲對(duì)干涉信號(hào)的影響。
[0036] 功率放大器把主頻信號(hào)進(jìn)行放大，用來(lái)控制壓電陶瓷1，達(dá)到對(duì)干涉強(qiáng)度圖樣進(jìn)行 調(diào)制的效果以避免低頻噪聲。
[0037] 同步解調(diào)器，接收來(lái)自延遲單元的被延遲了半個(gè)波長(zhǎng)的主頻發(fā)生器信號(hào)，對(duì)被調(diào) 制的原始干涉電信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，其產(chǎn)生振幅正比于輸入信號(hào)相位的兩路信號(hào)，得到解調(diào)后 的原始干涉電信號(hào)，然后把解調(diào)后的原始干涉電信號(hào)送給差分集成放大器組。
[0038] 差分集成放大器組由兩級(jí)放大電路組成，其中第一級(jí)為跟隨器，第二級(jí)為放大器。 第二級(jí)放大器的輸出信號(hào)通過(guò)升壓變壓器后，輸出高壓電信號(hào)，用來(lái)控制壓電陶瓷2的振 動(dòng)，對(duì)光程差進(jìn)行拉伸和壓縮，補(bǔ)償了干涉檢測(cè)模塊中干涉臂長(zhǎng)之間的光程差。其中升壓變 壓器的匝數(shù)比根據(jù)壓電陶瓷的輸入輸出特性確定，壓電陶瓷2在土λ/2 (λ為激光波長(zhǎng)） 范圍內(nèi)來(lái)補(bǔ)償干涉儀臂長(zhǎng)之間的光程差，超出土λ/2的光程差需要進(jìn)行復(fù)位。
[0039] 記錄系統(tǒng)，對(duì)差分集成放大器組的第一級(jí)跟隨器的輸出電壓進(jìn)行A/D采樣。采用 單片機(jī)的比較器輸入端口，其采集并比較差分集成放大器組一級(jí)跟隨器模塊的輸出電壓與 內(nèi)部參考電壓（UMf)的大小。當(dāng)一級(jí)跟隨器模塊的輸出電壓的最大值Umax=+Uref時(shí)，單片 機(jī)輸出幅值U=UMf周期為Ims的正復(fù)位脈沖，使差分集成放大器組的二級(jí)放大電路經(jīng)過(guò) 變壓器輸出高壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷2產(chǎn)生相應(yīng)的形變，此時(shí)對(duì)應(yīng)光程差拉伸λ/2 ;當(dāng)Umax =-UMf時(shí)，單片機(jī)輸出幅值U=UMf周期為Ims的負(fù)復(fù)位脈沖，輸出到差分集成放大器組的 二級(jí)放大器，二級(jí)放大器經(jīng)過(guò)變壓器后輸出高壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷2產(chǎn)生相應(yīng)形變，此時(shí) 對(duì)應(yīng)光程差收縮λ/2。單片機(jī)記錄下正復(fù)位、負(fù)復(fù)位的次數(shù)，輸出模擬信號(hào)（正比于光程 差）的值計(jì)算如下：
[0040]

【權(quán)利要求】
1. 一種激光干涉接收式水聲應(yīng)答器，其特征在于：包括殼體、電源模塊、水聲檢測(cè)模 塊、信號(hào)調(diào)理模塊、信號(hào)處理模塊、放大整形模塊、增益調(diào)節(jié)模塊、功率放大模塊和回發(fā)換能 器； 所述水聲檢測(cè)模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、信號(hào)處理模塊、放大整形模塊、增益調(diào)節(jié)模塊、功率 放大模塊、回發(fā)換能器依次連接； 所述電源模塊分別與水聲檢測(cè)模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、信號(hào)處理模塊、放大整形模塊、增 益調(diào)節(jié)模塊、功率放大模塊、回發(fā)換能器連接； 所述殼體水密封且電源模塊、水聲檢測(cè)模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、信號(hào)處理模塊、放大整形 模塊、增益調(diào)節(jié)模塊、功率放大模塊和回發(fā)換能器安裝在殼體的內(nèi)腔中。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光干涉接收式水聲應(yīng)答器，其特征在于：所述水聲檢測(cè)模 塊包括光學(xué)單元和電子單元； 所述光學(xué)單元包括激光器、光準(zhǔn)直器、分光棱鏡、測(cè)量反射鏡、振動(dòng)膜、透鏡、第1參考 反射鏡、第2參考反射鏡、相位調(diào)制壓電陶瓷、相位補(bǔ)償壓電陶瓷；所述氦氖激光器發(fā)出單 頻激光經(jīng)準(zhǔn)直儀投射到分光棱鏡上，再經(jīng)分光棱鏡將入射光線分成第一束光和第二束光， 第一束光通過(guò)透鏡照射到置于透鏡焦點(diǎn)處的測(cè)量反射鏡上，此光束再由測(cè)量反射鏡反射， 經(jīng)過(guò)透鏡后，以與原入射光束平行方向返回到分光棱鏡上；第二束光入射到固定在相位調(diào) 制壓電陶瓷上的第2參考反射鏡后，反射到另一個(gè)固定在相位補(bǔ)償壓電陶瓷上的第1參考 反射鏡上，再由第1參考反射鏡反射回分光棱鏡；返回到分光棱鏡的第一束光和第二束光 合并后照射到光電二極管并產(chǎn)生電信號(hào)；所述測(cè)量反射鏡與振動(dòng)膜固定連接； 所述電子單元包括光電二極管、諧振放大器、同步解調(diào)器、延遲單元、主頻發(fā)生器、功率 放大器、差分集成放大器組、記錄系統(tǒng)；所述光電二極管、信號(hào)諧振放大器、諧振放大器、同 步解調(diào)器、差分集成放大器組、記錄系統(tǒng)、信號(hào)調(diào)理模塊依次連接； 所述相位補(bǔ)償壓電陶瓷依次與功率放大器、主頻發(fā)生器、延遲單元、同步解調(diào)器連接； 所述相位調(diào)制壓電陶瓷連接到差分集成放大器組。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光干涉接收式水聲應(yīng)答器，其特征在于：所述激光器為穩(wěn) 頻氦-氖激光器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光干涉接收式水聲應(yīng)答器，其特征在于：所述信號(hào)調(diào)理模 塊包括一個(gè)前置濾波與放大單元、兩個(gè)窄帶濾波單元、兩個(gè)放大與包絡(luò)檢波單元、兩個(gè)自適 應(yīng)門(mén)限比較器單元、一個(gè)與非門(mén)；所述前置濾波與放大單元分兩路各分別連接一個(gè)窄帶濾 波單元；所述一個(gè)窄帶濾波單元、一個(gè)放大與包絡(luò)檢波單元、一個(gè)自適應(yīng)門(mén)限比較器依次連 接，然后兩個(gè)自適應(yīng)門(mén)限比較器通過(guò)一個(gè)與非門(mén)連接到信號(hào)處理模塊，另外兩個(gè)自適應(yīng)門(mén) 限比較器也同時(shí)連接到信號(hào)處理模塊。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光干涉接收式水聲應(yīng)答器，其特征在于：所述信號(hào)處理模 塊包括單片機(jī)；所述單片機(jī)為AVR Megal6單片機(jī)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光干涉接收式水聲應(yīng)答器，其特征在于：所述回發(fā)換能器 為壓電陶瓷。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光干涉接收式水聲應(yīng)答器，其特征在于：所述電源模塊包 括鋰電池和電源轉(zhuǎn)換電路；所述鋰電池通過(guò)電源轉(zhuǎn)換電路為水聲檢測(cè)模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、 信號(hào)處理模塊、放大整形模塊、增益調(diào)節(jié)模塊、功率放大模塊和回發(fā)換能器提供工作電壓和 工作電流。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光干涉接收式水聲應(yīng)答器，其特征在于：所述殼體為水密 封的不銹鋼圓筒。
【文檔編號(hào)】G01H9/00GK104483010SQ201510007618
【公開(kāi)日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2015年1月8日 優(yōu)先權(quán)日:2015年1月8日
【發(fā)明者】袁健, 周忠海, 蔣慧略, 劉軍禮, 張 浩 申請(qǐng)人:山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所