本實(shí)用新型屬于障礙物探測(cè)裝置技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種水下障礙物探測(cè)裝置。

背景技術(shù)：

水路交通運(yùn)輸在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步中起到至關(guān)重要的作用，船舶是歷史最久遠(yuǎn)的水上交通運(yùn)輸工具之一。近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)和水上貿(mào)易的日益繁榮，全球的海運(yùn)總量迅速上升，水路運(yùn)輸頻繁，船舶體積趨于大型化、航行速度趨于高速化，船舶數(shù)量增多，水域交通密集度增大。加之受到霧霾、大雨等惡劣天氣和海況的影響，經(jīng)常會(huì)發(fā)生船舶擱淺、觸礁、碰撞等水上事故，例如船舶與船舶之間的碰撞、船舶與礁石和暗礁的碰撞等。這些船舶事故嚴(yán)重污染海洋生態(tài)環(huán)境，對(duì)人類的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成巨大的損失。噸位相差較大的商船和漁船一旦發(fā)生事故，將會(huì)造成極其嚴(yán)重的后果，尤其對(duì)載有如化學(xué)品、天然氣等危險(xiǎn)貨物的船只，以及油船、油輪等，這類船只發(fā)生碰撞事故將會(huì)造成重大人員傷亡，同時(shí)造成海洋和河流污染、海上資源及生態(tài)環(huán)境的破壞，還可能引發(fā)生態(tài)災(zāi)難。減少各種船舶碰撞事故是降低海上交通事故，提高船舶的輸運(yùn)效率是當(dāng)前亟需解決的問題。

傳統(tǒng)雷達(dá)和自動(dòng)雷達(dá)標(biāo)繪儀(Automatic Radar Plotting Aid,ARPA)以及船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System,AIS)是當(dāng)前防止船舶碰撞的有力手段，但由于這些設(shè)備價(jià)格昂貴，只在大型的船只中配備，而在中小型以及輕型噸位船只中得不到普及。而且這些設(shè)備主要通過電信息探測(cè)水上目標(biāo)，很難有效探測(cè)暗礁等水下障礙物目標(biāo)，其性能受氣象、海況、地形等自然條件影響較大。尤其是在船舶密度較大的狹窄水道，遭遇霧霾、大雨等惡劣天氣，雷達(dá)、ARPA和AIS常常不能很好的發(fā)揮其作用。研制高效、經(jīng)濟(jì)、可普遍應(yīng)用于中小型船只的避障系統(tǒng)勢(shì)在必行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型為克服現(xiàn)有水下探測(cè)裝置的不足，提供一種水下障礙物探測(cè)裝置，解決了霧霾等惡劣天氣下，水路交通中碰撞事故屢發(fā)和現(xiàn)有預(yù)警避碰系統(tǒng)不能滿足經(jīng)濟(jì)型要求的難題，提高了船舶航行安全性。

為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為：

一種水下障礙物探測(cè)裝置，包括聲波發(fā)射系統(tǒng)、聲波接收系統(tǒng)、報(bào)警模塊、顯示模塊和控制模塊，所述聲波發(fā)射系統(tǒng)由發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路、功率放大器和發(fā)射換能器依次連接組成，聲波接收系統(tǒng)由接收水聽器、信號(hào)調(diào)理電路和接收處理電路依次連接組成，控制模塊分別與聲波發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路、聲波接收系統(tǒng)的接收處理電路、報(bào)警模塊和顯示模塊連接；所述控制模塊控制發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路發(fā)射脈沖信號(hào)，發(fā)射的脈沖信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后驅(qū)動(dòng)發(fā)射換能器，發(fā)射換能器實(shí)現(xiàn)電-聲信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并向水中定向發(fā)射聲波信號(hào)，聲波遇障礙物后發(fā)生反射，產(chǎn)生回波信號(hào)，接收水聽器接收經(jīng)遇障礙物反射后的回波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)聲-電信號(hào)轉(zhuǎn)換，接收到的微弱電信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路濾波放大后，再由接收處理電路轉(zhuǎn)化為控制模塊可識(shí)別的高低電平信號(hào)輸入控制模塊，控制模塊進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)判別、距離解算、顯示及報(bào)警算法處理，最終將目標(biāo)距離在顯示模塊上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并通過報(bào)警模塊實(shí)現(xiàn)安全距離內(nèi)的預(yù)警。

所述發(fā)射換能器采用D10柱型發(fā)射換能器，該發(fā)射換能器為-3dB開角為125.7°，可實(shí)現(xiàn)定向發(fā)射，比全向發(fā)射換能器產(chǎn)生的干擾小。

所述接收水聽器采用MEMS矢量水聽器，具有很好的“8”余弦指向性，可實(shí)現(xiàn)定向接收，降低虛警概率。

本實(shí)用新型包括水上部分(干端)和水下部分(濕端)，如圖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裝置、接收處理電路、顯示模塊等；水下部分包括發(fā)射換能器和接收水聽器。采用主動(dòng)脈沖測(cè)距法探測(cè)障礙物距離，即利用接收到的經(jīng)目標(biāo)反射后的回波信號(hào)和發(fā)射脈沖信號(hào)之間的時(shí)間差進(jìn)行測(cè)距的方法。聲傳播距離的一半即為探測(cè)距離，聲傳播距離可通過收發(fā)信號(hào)時(shí)間差t和聲速c的乘積計(jì)算得到：

由控制模塊控制，通過聲波發(fā)射系統(tǒng)向水中發(fā)射主動(dòng)脈沖信號(hào)，聲波遇到障礙物后發(fā)生發(fā)射，由聲波接收系統(tǒng)核心部件-MEMS矢量接收水聽器接收反射后的回波信號(hào)，回波信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路和接收處理電路轉(zhuǎn)化為控制模塊可識(shí)別的高低電平信號(hào)輸入控制模塊，使控制模塊產(chǎn)生中斷信號(hào)，進(jìn)而執(zhí)行中斷子程序：提取聲波傳播時(shí)間，解算距離，距離顯示及報(bào)警?？刂颇K控制進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)判別、距離解算、顯示及報(bào)警等算法處理。最終將目標(biāo)距離在顯示模塊上實(shí)時(shí)顯示，并通過報(bào)警模塊實(shí)現(xiàn)安全距離內(nèi)的預(yù)警，應(yīng)用船只即可根據(jù)所探測(cè)距離繞開障礙物，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)避障功能。本實(shí)用新型利用MEMS矢量水聽器實(shí)現(xiàn)了水下障礙物的探測(cè)，具有小體積、低成本、高精度，虛警概率低，且不受惡劣天氣影響等優(yōu)勢(shì)，解決了霧霾等惡劣天氣下，水路交通中碰撞事故屢發(fā)和現(xiàn)有預(yù)警避碰系統(tǒng)不能滿足經(jīng)濟(jì)型要求的難題，提高了船舶航行安全性。

系統(tǒng)方案如圖3所示，主要包括探測(cè)裝置系統(tǒng)干端硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。

硬件設(shè)計(jì)主要包括發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路、接收處理電路和信號(hào)調(diào)理電路等。系統(tǒng)通過發(fā)射電路輸出脈沖信號(hào)，接收處理電路將經(jīng)過信號(hào)調(diào)理之后的回波信號(hào)轉(zhuǎn)化為控制模塊可識(shí)別的電平信號(hào)。由控制模塊程序控制輸出，三極管作為控制開關(guān)實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)的發(fā)射；經(jīng)過濾波和放大的信號(hào)調(diào)理電路對(duì)接收到的微弱回波信號(hào)進(jìn)行處理；通過如圖6所示的包含3個(gè)三極管的接收處理電路將經(jīng)過濾波放大后的回波信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可識(shí)別的高低電平。

通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的發(fā)射、接收、距離計(jì)算和顯示，在軟件部分主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：1)脈沖信號(hào)的發(fā)射；2)實(shí)現(xiàn)對(duì)聲速的修正；3)直達(dá)波的屏蔽；4)利用測(cè)距原理解算距離同時(shí)完成實(shí)時(shí)顯示，并根據(jù)實(shí)際水文情況和航速選擇報(bào)警距離進(jìn)而實(shí)現(xiàn)預(yù)警。圖7和圖8分別為主程序流程圖和外部中斷服務(wù)子程序流程圖。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型水下障礙物探測(cè)裝置構(gòu)成框圖；

圖2是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖；

圖3是本實(shí)用新型系統(tǒng)方案圖；

圖4是本實(shí)用新型發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路原理圖；

圖5是本實(shí)用新型信號(hào)調(diào)理電路原理圖；

圖6是本實(shí)用新型接收處理電路原理圖；

圖7是本實(shí)用新型主程序流程圖；

圖8是本實(shí)用新型外部中斷子程序流程圖；

圖9是本實(shí)用新型發(fā)射換能器指向性圖；

圖10是本實(shí)用新型MEMS矢量水聽器指向性圖；

圖11是本實(shí)用新型探測(cè)裝置應(yīng)用安裝方案。

具體實(shí)施方式

如圖2所示，本實(shí)施例中的一種水下障礙物探測(cè)裝置，包括聲波發(fā)射系統(tǒng)、聲波接收系統(tǒng)、報(bào)警模塊、顯示模塊和控制模塊，所述聲波發(fā)射系統(tǒng)由發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路、功率放大器和發(fā)射換能器依次連接組成，聲波接收系統(tǒng)由接收水聽器、信號(hào)調(diào)理電路和接收處理電路依次連接組成，控制模塊分別與聲波發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路、聲波接收系統(tǒng)的接收處理電路、報(bào)警模塊和顯示模塊連接；所述控制模塊控制發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路發(fā)射脈沖信號(hào)，發(fā)射的脈沖信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后驅(qū)動(dòng)發(fā)射換能器，發(fā)射換能器實(shí)現(xiàn)電-聲信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并向水中定向發(fā)射聲波信號(hào)，聲波遇障礙物后發(fā)生反射，產(chǎn)生回波信號(hào)，接收水聽器接收經(jīng)遇障礙物反射后的回波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)聲-電信號(hào)轉(zhuǎn)換，接收到的微弱電信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路濾波放大后，再由接收處理電路轉(zhuǎn)化為控制模塊可識(shí)別的高低電平信號(hào)輸入控制模塊，控制模塊進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)判別、距離解算、顯示及報(bào)警算法處理，最終將目標(biāo)距離在顯示模塊上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并通過報(bào)警模塊實(shí)現(xiàn)安全距離內(nèi)的預(yù)警。

如圖4所示，所述發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路由單片機(jī)程序控制輸出，經(jīng)過三極管作為控制開關(guān)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)射。工作在截止?fàn)顟B(tài)/飽和狀態(tài)的三極管可以用作控制開關(guān)，單片機(jī)信號(hào)輸出端口(P3.1)與左邊輸入端TX相連，YE587序列功率放大器與右邊發(fā)射信號(hào)輸出端TX相連。

所述接收處理電路包括放大和濾波模塊，采用儀表放大器AD620外接電阻實(shí)現(xiàn)放大功能。如圖5所示，所述濾波放大電路采用有源設(shè)計(jì)，衰減特性和低輸出阻抗特性良好。選擇OP37運(yùn)算放大器，其作為輸出級(jí)具有良好的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，帶通濾波器帶寬為f_BW＝1kHz，低頻截止頻率f_L＝9.5kHz，高頻截止頻率f_H＝10.521kHz，中心頻率f₀＝10kHz。

如圖6所示，所述接收處理電路原理圖中左端RX與經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路濾波放大后的回波信號(hào)相連，單片機(jī)輸入端口(P3.2)與右邊輸出端RX相連。采用Q2、Q3和Q4三個(gè)三極管，Q2和Q3組成兩級(jí)放大，Q4作為控制開關(guān)。Q2和Q3將水聽器輸入信號(hào)放大，放大信號(hào)經(jīng)過檢波電路給Q4基極施加電壓。

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由主程序、聲速修正子程序、T0中斷子程序、外部中斷子程序、延時(shí)子程序、距離計(jì)算子程序、LCD顯示子程序和報(bào)警子程序等模塊組成。距離解算、顯示以及報(bào)警在外部中斷子程序中執(zhí)行。如圖7所示，采用單片機(jī)控制發(fā)射端口(P3.1)先發(fā)射5個(gè)10kHz的脈沖串，發(fā)射完成后開啟單片機(jī)定時(shí)器T0，通過機(jī)器周期脈沖計(jì)數(shù)方式記錄收發(fā)信號(hào)時(shí)間差。當(dāng)接收處理電路接收到由經(jīng)放大濾波處理后的水聽器拾取的回波信號(hào)后，若其電壓值達(dá)到閾值380mv，則圖6中的RX端為0V即低電平，即控制模塊外部中斷端口(P3.2)產(chǎn)生低電平，該端口低電平有效，就會(huì)觸發(fā)外部中斷，控制模塊就會(huì)響應(yīng)該外部中斷，執(zhí)行如圖8所示的外部中斷子程序，進(jìn)入中斷之后，首先要進(jìn)行必要的現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)，關(guān)閉外部中斷，然后關(guān)閉定時(shí)器，讀取時(shí)間差，根據(jù)脈沖測(cè)距法解算公式解算出探測(cè)距離值，并通過單片機(jī)P2口傳輸至LCD上顯示，同時(shí)根據(jù)所設(shè)定安全距離完成距離判斷，若探測(cè)距離小于預(yù)警距離則進(jìn)行報(bào)警，執(zhí)行完后返回主程序，再開始新的目標(biāo)距離探測(cè)；若無信號(hào)或接收到的信號(hào)小于閾值380mv，則重新開始發(fā)射信號(hào)。

如圖9所示，所述發(fā)射換能器采用D10柱型發(fā)射換能器，該發(fā)射換能器為-3dB開角為125.7°，可實(shí)現(xiàn)定向發(fā)射，比全向發(fā)射換能器產(chǎn)生的干擾小。

如圖10所示，所述接收水聽器采用MEMS矢量水聽器，具有很好的“8”余弦指向性，可實(shí)現(xiàn)定向接收，降低虛警概率。

所述控制模塊采用stc80c51單片機(jī)，所述顯示模塊采用1602LCD液晶屏。

對(duì)本實(shí)用新型所述的水下探測(cè)裝置進(jìn)行了初步試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)將探測(cè)裝置濕端安裝于船艏底部，干端裝置置于船艙中，通過觀察顯示模塊顯示結(jié)果得到障礙物距離，如圖11所示。