一种高精度多普勒计程仪系统
阅读说明：本技术 一种高精度多普勒计程仪系统 (High-precision Doppler log system ) 是由 王茂法 王震 薛欢欢 于 2021-06-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高精度多普勒计程仪系统,该多普勒计程仪系统包括用于向全系统供电的电源板、由压电陶瓷元件组成的用于将声能转换成电信号的收发合置换能器阵、用于放大发射脉冲信号的功放板、用于算法处理、输出高度、速度信息的信号处理板、用于对回波信号进行放大、滤波以及模数转换的信号调理板、用于测量姿态、温盐深等数据并传输的非声传感器板、用于发送控制命令以及系统信息显示的显控模块。本发明的高精度多普勒计程仪系统,根据显控模块的控制信号,发射单频脉冲信号或者m序列伪随机编码宽带信号,接收回波信号并对其进行算法处理,将速度、对底高度等信息发送给显控模块进行显示,得到测高误差小于1％,测速误差小于0.3％。(The invention discloses a high-precision Doppler log system which comprises a power supply board for supplying power to the whole system, a receiving and transmitting combined transducer array which consists of piezoelectric ceramic elements and is used for converting sound energy into electric signals, a power amplification board for amplifying transmitted pulse signals, a signal processing board for algorithm processing, outputting height and speed information, a signal conditioning board for amplifying, filtering and analog-to-digital converting echo signals, a non-acoustic sensor board for measuring and transmitting data such as attitude, temperature and salt depth and the like, and a display and control module for sending control commands and displaying system information. The high-precision Doppler log system transmits a single-frequency pulse signal or an m-sequence pseudo-random coding broadband signal according to a control signal of the display control module, receives an echo signal, performs algorithm processing on the echo signal, and sends information such as speed, height to bottom and the like to the display control module for displaying, so that the height measurement error is less than 1%, and the speed measurement error is less than 0.3%.)
技术领域
本发明涉及多普勒计程仪系统领域，具体涉及一种高精度多普勒计程仪系统。
技术背景
在水下工作环境受限的情况下，测速精度高、小型化的多普勒计程仪在无人水下航行器中被广泛应用。随着无人水下航行器技术的迅猛发展以及应用场景的不断扩大，对水下导航的精度要求日益提高，而DVL的测速精度是其导航性能的决定性因素。因此研发一种高精度的多普勒计程仪系统，使其为水下航行器等海洋设备提供精确的速度信息。在军用和民用两方面，为海洋开发工具提供设备保障，具有重要的意义和作用。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种为水下航行器等海洋设备提供精确的速度信息的高精度多普勒计程仪系统。
本发明提供的高精度多普勒计程仪系统，主要由收发合作换能器阵、功放板、信号处理板、信号调理板、非声传感器板、电源板以及显控模块组成。
所述的收发合作换能器阵由四个独立的换能器组成，四个换能器布置成Janus阵型结构，每个换能器的辐射面轴线与换能器阵的中轴线成25°±0.1°夹角；四个换能器同时将功放板发射的脉冲信号转化成声波信号，然后接收水下回波信号将其转化成电信号，并将其发送给信号调理板。
所述的功放板由数组信号驱动电路、半桥功率放大、滤波输出三个模块组成。数字信号驱动电路采用INFINEON IR2010STRPBF MOS驱动芯片，接收两路互补的PWM信号S+、S-输入芯片高低侧驱动MOS管，SD控制信号为高电平时驱动无输出，低电平有效；半桥功率放大电路采用INFINEON IRFI4020H-117P场效应管，由两个MOS管组成上桥和下桥，上桥臂接功放电源，下桥臂接地，死区时间控制为332ns，两路互补的PWM信号控制MOS管的G极，上下桥臂分别导通，实现功率放大效果；滤波输出电路由LC低通滤波构成，电感选择10uH，全红-2材质电感。有效减少功率损耗，电容选择4.7nf。谐振频率为734.127Khz，能有效滤除高频成分，还原信号输出。
所述的信号处理板有由FPGA、DSP和MCU三部分组成。低功耗MCU采用STM32L476芯片，主要功能是实现外部命令交互、信号处理板电源管理；FPGA采用Altera公司生产的EP4CE40，主要功能是信号采集以及预处理，输出增益控制信号给信号调理板以及通过隔离接口输出4路功放驱动信号，其中隔离器选用ISO7760，是一款6通道高速隔离芯片，隔离电源由功放侧提供；DSP采用OMAP-L138芯片，内含一个ARM9和C6748核，主要的功能是通过uPP接口接收FPGA端预处理的回波数据，对其进行对底测距、测速或者对流层测速算法处理，并将处理结果发送给MCU传输给显控模块。
发射信号分为窄带和宽带信号。窄带信号：信号频率为f0＝600KHz，脉冲宽度为1ms、2ms、5ms、10ms、20ms等5档；宽带信号：采用m序列码，码元数为7；单个码元内填充10个单频脉冲信号，信号的频率为600KHz；m序列编码重复次数分别为8次、17次、42次、85次、170次等5档，脉冲款对应窄带信号的1ms、2ms、5ms、10ms、20ms等5档。信号处理算法流程如下：
阵元累积：
采集回波信号，累积一定的采样数据才能对数据进行有效处理，累积长度为NT＝266240。设x1(266240，0:3)为累积的回波采样数据，第一维表示采样点，第二维表示阵元号。
正交解调：
正交解调是将阵元接收的实信号变成复信号，这里采用传统正交解调方法，具体步骤为：
(1)时域相乘
将阵元数据进行时域处理得到I、Q两路信号。
I(n,m)＝x1(n,m)·cos(2πf0n/NT) (1)
Q(n,m)＝x1(n,m)·sin(2πf0n/NT) (2)
其中m＝0,1,2,3，n＝1,2...NT。
(2)低通滤波
将I、Q两路信号分别进行低通滤波，得到滤波后的信号I1(n.m)和Q1(n.m)：
其中，b，a是4阶低通滤波器100e3的系数。n＝0,1,…,NT，fs是信号采样率。正交解调部分在FPGA中已经完成，此时DSP端阵元数据累积长度为26624*2，因为有实部和虚部两部分。
径向对底距离：径向对底距离通过对回波信号做能量积分处理，来确定海底高度。
1、计算声速：
声速计算采用Leroy给出的经验公式，由温度、盐度、入水深度决定：
式中，c＝声速(m/s)；T＝温度(℃)；s＝盐度(千分比：ppt)；h＝深度(m)。
2、能量积分法求海底高度：
将滤波后的信号和重新采样转换成复信号sig：
sig(1:dd:NT,m)＝I1(1:dd:NT,m)+Q1(1:dd:NT,m) (5)
式中，dd为降采样倍数，目前设为10。
(1)对复信号能量积分得到：
sig2(1:dd:NT,m)＝I1 2(1:dd:NT,m)+Q1 2(1:dd:NT,m) (6)
(2)求能量平均Power_mean：
Power_mean＝mean(sig2(1:dd:NT,m))*2 (7)
(3)查找对底回波时刻：
当sig2(n2,m)＞Power_mean且sig2(n2+1：n2+10,m)＞Power_mean则对底回波时刻的采样点nh＝n2。
(4)径向对底距离Hout计算：
3、对底测速计算：
(1)取相干脉冲对y1和y2：
y1(:,m)＝sig(NH(m)+1:NH(m)+Nw-1,m) (10)
y2(:,m)＝sig(NH(m)+tn+1:NH(m)+tn+Nw-1,m) (11)
式中，tn＝τ·fs取的延时时间，τ是脉冲对之间的延时时间；Nw表示取的相干脉冲对的长度，对于单频信号，建议取一个脉宽长度，对于M序列码建议取周期长度的整数倍；NH(m)为每个波束测得的径向对底距离值。
(2)复自相关算法：
其中“*”代表取共轭。
(3)计算相位：
其中imag()和real()代表取虚部和取实部操作。
(4)计算多普勒频移：
由上式可以看出，利用解相位算法测多普勒频移有测量范围(-1/2τ,1/2τ)，这显然是不能满足测速范围的，因此需要计算出模糊的相位，针对单频信号和M序列信号采用不同的解模糊算法。
4、单频信号解多普勒模糊：
通过测量回波信号的线谱频率与理想线谱频率差，也可以得到多普勒频移，该算法受频率分辨率的影响很大，但是可以通过将两个算法的多普勒结合，可以计算出准确的多普勒频移，具体过程如下：
(1)回波信号线谱检测
Nf(m)＝i,if abs(x4(i,m))＝＝max(abs(x4(:,m))) (15)
式中，x4(:,m)是复信号sig的频谱信号，Nf(m)＝i是频谱最高点对应的采样点。
(2)计算模糊相位
其中fd1(m)是fft方法求得的频偏，n(m)是模糊周期数。
(3)计算多普勒频偏
(4)计算径向速度
5、M序列信号解多普勒模糊：
M序列的频谱是具由多根线谱组成的，所以无法用单频信号解多普勒模糊算法来处理，这里通过测量M序列自相关侧峰的移位来解多普勒模糊，具体过程如下：
(1)求自相关函数
求自相关函数在时域上其实质是一个卷积过程，计算量较大，因此采用频域计算法来计算自相关函数，具体过程如下：
y4(:,m)＝xcorr(sig(:,m)) (20)
y4就是复信号的自相关函数。
(2)侧峰检测
式中，n＝0,1,2,3...Nw-1，y5是自相关函数的平均值。具体的检测方式为：
得到的Nside(m)就是检测到的侧峰与主峰之间的间隔采样点。
(3)计算模糊相位
式中，TP是编码信号的周期。
(4)计算多普勒频偏
(5)计算径向速度
所述的信号调理板由滤波电路、放大电路以及模数转换组成。滤波电路采用运放构成的有源滤波器实现，设计滤波器通带范围为500kHz～900kHz；放大电路选用可变增益放大器AD8338，增益控制方式为电压控制，可由信号处理板提供控制电压，实现TVG(时变增益)功能；模数转换采用14bit多通道同步采样ADC芯片LTC2170-14，ADC采集回波信号后将数据发送给信号处理板处理。
所述的非声传感器板主要给DVL(多普勒计程仪)中的姿态传感器和温盐深传感器提供安装位置并提供对信号处理板的串行接口。
所述的电源板主要给信号处理板、信号调理板、功放板、非声传感器板供电。
功放板供电选用两个TI公司的LM5022升压芯片，有着6V～60V的宽电压输入范围，电源开关频率设置为240Khz，防止倍数的谐波频率对600K信号产生影响。电压95V用于功放MOS管输入电源，一路功放输出为25W，4路为100W，一个LM5022电路设计输出为0.6A，总功率为57W，满足2路功放输出为25W的需求，两个LM5022电路则满足4路功放输出的需求；选用TI公司的LM43602芯片，它是一款同步降压直流转化器，此芯片有着3.5V～36V(最大值42V)的宽电压输入，输出4路功放需求电流0.0035A提供给功放芯片供电，满足设计需求；选用TI公司的TLV70450DBVR LDO芯片，输入电压范围为2.5V～24V，输出电流为150mA，将VCC 15V转成5V电压提供给驱动芯片以及信号处理板隔离芯片。
信号调理板、信号处理板需要2路电源，芯片工作已经运放的正电源+5V，运放负电源-5V。其中正电源5V选用MORNSUN公司的VRB2405YMD-6WR3隔离稳压DCDC芯片，18V～36V(最大可到40V)宽电压输入，隔离稳压单路输出，效率可至88％，空载功耗为0.12W隔离电压1500VDC，同时有着输入欠压保护和输出短路、过流、过压保护，满足设计需求；其中负电源选用TI公司的LM2662开关电容电压转换器，可将5V电源转换成-5V电源输出，最大可支持200mA输出，满足设计要求。
非声传感器板中姿态传感器和温盐深传感器芯片工作正电源5V，均由VRB2405YMD-6WR3隔离稳压DCDC芯片供电。
所述的显控模块主要功能是工作人员在上位机端选择工作模式，通过串口RS232发送工作指令给信号处理板，并实时接收信号处理板的处理结果并送显。
本发明的有益效果是：
本发明设计并实现了一种高精度多普勒计程仪系统，经过多次实验验证，该多普勒计程仪系统的测速误差小于0.3％，测距误差1％，可为水下航行器等海洋设备提供精确的速度和对底高度信息。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的系统结构框图。
图2是本发明中收发合置换能器布阵方式。
图3是本发明中功放电路总体框图。
图4是本发明中信号处理板组成框图。
图5是本发明中信号调理板组成框图。
图6是本发明中非声传感器板组成框图。
图7是本发明中电源板电路总体框图。
图8是本发明中显控电路组成框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明的一种高精度多普勒计程仪系统，由收发合作换能器阵、功放板、信号处理板、信号调理板、非声传感器板、电源板以及显控模块组成。系统上电，电源板给系统的其他模块供电；工作人员通过显控模块将控制指令通过RS232发送给信号处理模块；信号处理板配置算法模块并发射两路互补的PWM信号给功放板；功放板放大、滤波输出并驱动收发合置换能器阵；收发合置换能器阵发射窄带或者宽带声波信号，并接收回波信号将其发送给信号调理板；信号调理板将回波信号滤波、放大并进行模数转换，将采集的数据发送给信号处理板；信号处理板接收非声传感器板传输的姿态、温盐深等数据，对采集到的回波数据进行信号处理算法运算，将处理后的结果通过RS232串口发送给显控模型送显。
具体信号处理板内部的部分信号处理算法流程如下：
阵元累积：
采集回波信号，累积一定的采样数据才能对数据进行有效处理，累积长度为NT＝266240。设x1(266240，0:3)为累积的回波采样数据，第一维表示采样点，第二维表示阵元号。
正交解调：
正交解调是将阵元接收的实信号变成复信号，这里采用传统正交解调方法，具体步骤为：
(1)时域相乘
将阵元数据进行时域处理得到I、Q两路信号。
I(n,m)＝x1(n,m)·cos(2πf0n/NT) (1)
Q(n,m)＝x1(n,m)·sin(2πf0n/NT) (2)
其中m＝0,1,2,3，n＝1,2...NT。
(2)低通滤波
将I、Q两路信号分别进行低通滤波，得到滤波后的信号I1(n.m)和Q1(n.m)：
其中，b，a是4阶低通滤波器100e3的系数。n＝0,1,…,NT，fs是信号采样率。正交解调部分在FPGA中已经完成，此时DSP端阵元数据累积长度为26624*2，因为有实部和虚部两部分。
径向对底距离：径向对底距离通过对回波信号做能量积分处理，来确定海底高度。
1、计算声速：
声速计算采用Leroy给出的经验公式，由温度、盐度、入水深度决定：
式中，c＝声速(m/s)；T＝温度(℃)；s＝盐度(千分比：ppt)；h＝深度(m)。
2、能量积分法求海底高度：
将滤波后的信号和重新采样转换成复信号sig：
sig(1:dd:NT,m)＝I1(1:dd:NT,m)+Q1(1:dd:NT,m) (5)
式中，dd为降采样倍数，目前设为10。
(1)对复信号能量积分得到：
sig2(1:dd:NT,m)＝I1 2(1:dd:NT,m)+Q1 2(1:dd:NT,m) (6)
(2)求能量平均Power_mean：
Power_mean＝mean(sig2(1:dd:NT,m))*2 (7)
(3)查找对底回波时刻：
当sig2(n2,m)＞Power_mean且sig2(n2+1：n2+10,m)＞Power_mean则对底回波时刻的采样点nh＝n2。
(4)径向对底距离Hout计算：
3、对底测速计算：
(5)取相干脉冲对y1和y2：
y1(:,m)＝sig(NH(m)+1:NH(m)+Nw-1,m) (10)
y2(:,m)＝sig(NH(m)+tn+1:NH(m)+tn+Nw-1,m) (11)
式中，tn＝τ·fs取的延时时间，τ是脉冲对之间的延时时间；Nw表示取的相干脉冲对的长度，对于单频信号，建议取一个脉宽长度，对于M序列码建议取周期长度的整数倍；NH(m)为每个波束测得的径向对底距离值。
(6)复自相关算法：
其中“*”代表取共轭。
(7)计算相位：
其中imag()和real()代表取虚部和取实部操作。
(8)计算多普勒频移：
由上式可以看出，利用解相位算法测多普勒频移有测量范围(-1/2τ,1/2τ)，这显然是不能满足测速范围的，因此需要计算出模糊的相位，针对单频信号和M序列信号采用不同的解模糊算法。
4、单频信号解多普勒模糊：
通过测量回波信号的线谱频率与理想线谱频率差，也可以得到多普勒频移，该算法受频率分辨率的影响很大，但是可以通过将两个算法的多普勒结合，可以计算出准确的多普勒频移，具体过程如下：
(5)回波信号线谱检测
Nf(m)＝i,if abs(x4(i,m))＝＝max(abs(x4(:,m))) (15)
式中，x4(:,m)是复信号sig的频谱信号，Nf(m)＝i是频谱最高点对应的采样点。
(6)计算模糊相位
其中fd1(m)是fft方法求得的频偏，n(m)是模糊周期数。
(7)计算多普勒频偏
(8)计算径向速度
5、M序列信号解多普勒模糊：
M序列的频谱是具由多根线谱组成的，所以无法用单频信号解多普勒模糊算法来处理，这里通过测量M序列自相关侧峰的移位来解多普勒模糊，具体过程如下：
(1)求自相关函数
求自相关函数在时域上其实质是一个卷积过程，计算量较大，因此采用频域计算法来计算自相关函数，具体过程如下：
y4(:,m)＝xcorr(sig(:,m)) (20)
y4就是复信号的自相关函数。
(3)侧峰检测
式中，n＝0,1,2,3...Nw-1，y5是自相关函数的平均值。具体的检测方式为：
得到的Nside(m)就是检测到的侧峰与主峰之间的间隔采样点。
(3)计算模糊相位
式中，TP是编码信号的周期。
(4)计算多普勒频偏
(5)计算径向速度
如图2所示，收发合作换能器阵由四个独立的换能器组成，四个换能器布置成Janus阵型结构，每个换能器的辐射面轴线与换能器阵的中轴线成25°±0.1°夹角；四个换能器同时将功放板发射的脉冲信号转化成声波信号，然后接收水下回波信号将其转化成电信号，并将其发送给信号调理板。
如图3所示，功放板由数组信号驱动电路、半桥功率放大、滤波输出三个模块组成。数字信号驱动电路采用INFINEON IR2010STRPBF MOS驱动芯片，接收两路互补的PWM信号S+、S-输入芯片高低侧驱动MOS管，SD控制信号为高电平时驱动无输出，低电平有效；半桥功率放大电路采用INFINEON IRFI4020H-117P场效应管，由两个MOS管组成上桥和下桥，上桥臂接功放电源，下桥臂接地，死区时间控制为332ns，两路互补的PWM信号控制MOS管的G极，上下桥臂分别导通，实现功率放大效果；滤波输出电路由LC低通滤波构成，电感选择10uH，全红-2材质电感。有效减少功率损耗，电容选择4.7nf。谐振频率为734.127Khz，能有效滤除高频成分，还原信号输出。
如图4所示，信号处理板有由FPGA、DSP和MCU三部分组成。低功耗MCU采用STM32L476芯片，主要功能是实现外部命令交互、信号处理板电源管理；FPGA采用Altera公司生产的EP4CE40，主要功能是信号采集以及预处理，输出增益控制信号给信号调理板以及通过隔离接口输出4路功放驱动信号，其中隔离器选用ISO7760，是一款6通道高速隔离芯片，隔离电源由功放板提供；DSP采用OMAP-L138芯片，内含一个ARM9和C6748核，主要的功能是通过uPP接口接收FPGA端预处理的回波数据，对其进行信号处理算法处理，并将处理结果发送给MCU传输给显控模块。
如图5所示，信号调理板由滤波电路、放大电路以及模数转换组成。滤波电路采用运放构成的有源滤波器实现，设计滤波器通带范围为500kHz～900kHz；放大电路选用可变增益放大器AD8338，增益控制方式为电压控制，可由信号处理板提供控制电压，实现TVG(时变增益)功能；模数转换采用14bit多通道同步采样ADC芯片LTC2170-14，ADC采集回波信号后将数据发送给信号处理板处理。
如图6所示，非声传感器板主要给DVL(多普勒计程仪)中的姿态传感器和温盐深传感器提供安装位置并提供对信号处理板的串行接口。
如图7所示，电源板主要给信号处理板、信号调理板、功放板、非声传感器板供电。
功放板供电选用两个TI公司的LM5022升压芯片，有着6V～60V的宽电压输入范围，电源开关频率设置为240Khz，防止倍数的谐波频率对600K信号产生影响。电压95V用于功放MOS管输入电源，一路功放输出为25W，4路为100W，一个LM5022电路设计输出为0.6A，总功率为57W，满足2路功放输出为25W的需求，两个LM5022电路则满足4路功放输出的需求；选用TI公司的LM43602芯片，它是一款同步降压直流转化器，此芯片有着3.5V～36V(最大值42V)的宽电压输入，输出4路功放需求电流0.0035A提供给功放芯片供电，满足设计需求；选用TI公司的TLV70450DBVR LDO芯片，输入电压范围为2.5V～24V，输出电流为150mA，将VCC 15V转成5V电压提供给驱动芯片以及信号处理板隔离芯片。
信号调理板、信号处理板需要2路电源，芯片工作已经运放的正电源+5V，运放负电源-5V。其中正电源5V选用MORNSUN公司的VRB2405YMD-6WR3隔离稳压DCDC芯片，18V～36V(最大可到40V)宽电压输入，隔离稳压单路输出，效率可至88％，空载功耗为0.12W隔离电压1500VDC，同时有着输入欠压保护和输出短路、过流、过压保护，满足设计需求；其中负电源选用TI公司的LM2662开关电容电压转换器，可将5V电源转换成-5V电源输出，最大可支持200mA输出，满足设计要求。
非声传感器板中姿态传感器和温盐深传感器芯片工作正电源5V，均由VRB2405YMD-6WR3隔离稳压DCDC芯片供电。
如图8所示，显控模块主要功能是工作人员在上位机端选择工作模式，通过串口RS232发送工作指令给信号处理板，并实时接收信号处理板的处理结果并送显。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。
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