水聲遙測頻率儀的製作方法
2023-10-11 11:42:14 2
專利名稱：水聲遙測頻率儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種測量頻率的裝置。
採用聲波在海洋中傳輸各種信息，是實現海洋遙測的主要手段。雖然先進的電子技術，為水聲遙測技術的發展，提供了更加有利的條件，但由於海洋環境的複雜性和海洋聲信道的時空多變性，給水聲遙測技術所帶來的困難仍然存在。水聲遙測儀器往往由於強環境噪聲的幹擾，以及信號在傳輸中難免受到破壞，而無法正常工作。為此，如何根據信息的性質和特點，選擇簡單有效的傳輸方式和最佳的檢測接收方法，歷來就是水聲技術研究的重要內容之一。隨著海洋科技的發展，特別是觀測海洋要素的需要，各種採集海洋要素的傳感器已相繼出現，變頻信號作為傳感器的直接輸出或轉換後的間接輸出信號，是一種最常用的主要信號。當應用傳感器採集海洋要素進行水下遙測時，為了避免由於多次的信息轉換導致加大測量誤差，總要求能對反映海洋要素信息的傳感器輸出信號的頻率，直接進行遙測。尤其當傳感器的輸出不完全是線性時，對其輸出信號頻率的直接遙測，就更加需要。屬於一種過零聲信號分析儀，包含多個並聯聯接的相鄰調諧濾波器通道，將輸入的聲信號分離成多個相鄰的副載頻。過零分析為每一個副載頻測定他們相繼過零的時間周期提供可能，那麼，來自每一副載頻的時間周期的倒數同時被規定用頻率-時間對應顯示。每一個濾波器通道同樣也形成一個信號，此信號的幅度比例於各自對應的副載頻的頻率，由此形成一個以頻率-幅度對應的顯示。
SU-437-923號專利公開了一種由射頻發射器和接收器組成的壓電換能器來測量機械振動的諧振頻率。這個發明涉及液化氣體消耗的程度和速率，它包含浸沒在液體中的兩個壓電晶體，其中一個由射頻脈衝發生器激勵，另一個是接收器，它將液體中的聲波轉換成電信號，通過放大後寄存在單元中。發明中所提出的測量方法的技術特點是通過變化射頻脈衝的頻率，使發射器的頻率調整在諧振頻率的附近，通過所轉換的電信號的最大值的出現來確定液體中的諧振頻率。諧振頻率的精確值由頻率計顯示。
CN-86210266U專利公開了一種分段電極園管水聽器，採用了不等寬度的分段電極壓電陶瓷園管作為靈敏元件，從而實現了高靈敏度並簡化了裝配工藝。水聽器的靈敏度為-179db(0db＝1V/μpa)。靈敏度起伏±1·5db，頻帶為20HZ～45KHZ，水聽器自噪聲低於海洋中的wenz噪聲，它可以檢測海洋中最低的環境噪聲。
雖然不少已有的海洋遙測儀器是為海洋要素的測量而設計的，但迄今還沒有能遙測各種海洋要素傳感器直接或間接(轉換後)輸出信號的頻率的通用性儀器或設備。
本發明的目的在於提供一種用於直接遙測水聲信號頻率的裝置。
本發明包括信息發送器和信號接收機兩部分。發送器採用PFM-PPM方式發送傳輸不同頻段的頻率信息，接收機採用取樣接收處理方法，復原傳感器輸出的實時信號的頻率。信息發送器包括一個以上(含一個)的海洋要素傳感器、信號處理電路、發射換能器、電源和水密外筒等。信號處理電路包括整形放大電路、調製電路、調製計數器、門控電路、控制計數器、晶振器、與門、調製振蕩器和功放電路等。傳感器的輸出信號經整形、放大和調製電路後送調製計數器實現PPM方式，調製計數器的PPM信號輸出送與門1和2，與門的開啟由門控電路2的輸出控制，而門控2又受門控1的輸出和控制計數器的輸出通過與門3輸出的控制。與門1和2的輸出輸入調製振蕩器和返回門控1、2及調製計數器、控制計數器。調製振蕩器輸出的已調PFM-PPM信號經功放電路加於發射換能器。
信號接收機包括接收水聽器(換能器)、寬帶放大電路、數字選頻濾波電路、取樣處理電路和頻率測量顯示電路等。接收水聽器的輸出經寬帶放大電路送入數字選頻濾波電路，並輸出PFM-PPM信號。
所說的取樣處理電路包括頻段控制電路、選頻開關、計數器、反相器、與門和門控器等。數字選頻濾波電路分兩頻段輸出分別與頻段控制電路和選頻開關連接，頻段控制電路的輸出分別與選頻開關和頻率測量顯示電路連接，選頻開關的輸出送與門1，門控器的輸出送與門1，與門1的輸出送與門2，與門2的輸出返回計數器1和門控器，計數器1的輸出送頻率測量顯示電路和反相器，反相器的輸出作為與門2的輸入。
頻率測量顯示電路包括對被測頻率值的快速顯示和復原被測信號的模擬輸出，電路包括晶振器、與門電路、或門、計數器、取樣時間寄存器、比較器、分頻器、計數器顯示器、十進計數器和接口電路等。取樣處理電路的輸出送與門3、4和十進寄存器以及取樣時間寄存器、接口電路。晶振器的時鐘信號通過與門3、4、6進入計數器2、3和十進計數器。計數器2的輸出和頻段控制電路通過與門7、8後接或門，或門的輸出分別與二分頻器1和計數器2連接。二分頻器1的輸出通過取樣時間寄存器後與計數器3的輸出一起輸入比較器。比較器的輸出一路通過二分頻器2後形成方波輸出，另一路送回計數器3。十進計數器的輸出與頻段控制電路的輸出通過接口電路送計數器顯示電路。
本發明提供了一種能遙測各種海洋要素傳感器直接或間接(轉換後)輸出信號的頻率的通用儀器，它具有如下的優點。
a、發射系統的電路採用固定周波數調製脈位形成PPM方式，具有轉換誤差小及簡便、穩定的優點。應用PFM方式鑑別不同測量頻段的方法，便於根據被測信號的頻率範圍以及測量精度的要求，分成若干個頻段進行傳輸和遙測，以提高測量精度。這種原理和方法，可普遍用於與頻率有關的其他信息(電壓、圖像等)的傳輸和測量，亦適於採用微處理器進行處理。
b、採用取樣的測量處理方法，可在毫秒級的短時間內，實現傳輸和遙測信號的頻率，它便於同時傳輸、遙測多個信號的頻率。當接收端配用微處理器時，更可快速跟蹤、遙測信號頻率的變化情況，這在實用上具有獨特的優點。對多數水下遙測系統，為了能在特定的自供電條件下，延長水下發送器的工作時間，經常採用間斷工作的方法。但發送這種瞬變、間斷的頻率信息，往往增加了對其檢測的困難，而採用上述對頻率信息取樣處理的測量方法，有效地克服了這一困難。
c、系統結構合理，使用數字選頻濾波電路分離檢測頻段信息，以及採用取樣處理測量方法等，技術先進，抗幹擾能力強，測量準確，可靠性高。信號在複雜、多變的海洋信道中傳輸時，即使信號受到較大的破壞，只要有任意相鄰的兩個信號碼元存在，系統尚可進行快速、準確的測量。
圖1為信息發送器電原理方框圖。
圖2為信息發送器電原理圖。
圖3為信息發送器各級波形圖。
圖4為信號接收機電原理方框圖。
圖5為信號接收機電原理圖。
圖6為信號接收機取樣處理電路各級波形圖。
以下實施例結合附圖將對本發明做進一步的說明。
本發明由信息發送器和信號接收機組成。儀器根據水深小於500米的淺海信道隨機不均勻性幹擾較大，噪聲較強的特點，以及被測信號的頻率範圍為1KHZ～16KHZ，測量誤差小於0.5%等技術要求，選用PFM-PPM(即脈衝頻率調製-脈衝位置調製)的並用傳輸方式。
圖1是實現PFM-PPM方式的電路框圖。傳感器〔1〕輸出的變頻信號a，經放大整形〔2〕為信號b，再經調製〔3〕後得間斷的信號c。調製計數器〔4〕的功能是實現PPM方式，即產生相應的PPM信號輸出，在其調製過程中，它配合其他部件同時把被測信號c在1KHZ～16KHZ的頻率範圍內，自動分為1KHZ≤fa≤4KHZ和4KHZ＜fb≤16KHZ二個頻段進行脈位調製。當信號c的頻率在fa頻段時，調製計數器輸出的PPM脈衝列的位置間隔為信號c的32個周期波。當c的頻率為fb頻段時，其輸出的脈衝位置間隔為信號c的128個周期波。從而使二種調製輸出脈衝列的脈位間隔範圍均為32ms-8ms。把fb頻段的調製周波數提高4倍，使脈衝位置間的間隔不小於8ms，目的在於提高抗信道不不均勻性和多途徑效應等幹擾能力。調製計數器的兩個輸出端「32」和「128」為計滿信號c的32個和128個周期波後的輸出，即分別為fa和fb頻段的PPM輸出信號，其輸出再分別送到與門1〔6〕和與門2〔7〕。與門1、2的啟開，由門控器2〔11〕的d1和d2控制，而門控2又受到門控1〔5〕的輸出m及控制計數器〔12〕的輸出n通過與門3〔8〕的輸出p控制。p是否有輸出是根據信號c的頻率而定。其電路邏輯過程如下。
設信號c的頻率在fa頻段內，小於4KHZ。電路初始狀態是m及d2均處於高電平，d1處於低電平，調製計數器及控制計數器均被清「0」。電路開始工作後，信號c即進入調製計數器，同時晶振器〔13〕的4KHZ信號也進入控制計數器。當控制計數器計滿32個周期波後n輸出正脈衝時，由於信號c的頻率小於4KHZ，所以調製計數器的「32」輸出端，由於還沒有計滿32個周期波，因而還沒有信號輸出，門控1的初狀態不變，這時m仍處於高電平，n即通過與門3輸出p。門控2在p的作用下，d2即轉為低電平，d1則轉為高電平，與門1便處於啟開狀態。當調製計數器也計滿32個周期波後，其「32」的輸出信號則通過與門1輸出g。g一方面進入調製振蕩器〔9〕，另方面則返回門控1、2及對調製計數器和控制計數器清「0」，使電路復原為初始狀態，以使緊接著重複上述過程。圖3為上述過程的各級波形圖。若信號c的頻率在fb頻段，即高於4KHZ，則調製計數器和控制計數器同時開始工作後，由於信號c的頻率高於4KHZ，所以調製計數器必先計滿32個周波數，在「32」輸出端輸出正脈衝。這時，由於d1仍處於低電平，信號「32」無法通過與門1輸出，但信號「32」則進入門控1，使m轉為低電平，滯後到達的控制計數器的輸出信號n，就無法通過與門3，p沒有信號輸出，d2仍然保持高電平，d1保持低電平。由於信號「32」輸出的正脈衝，沒能通過與門1，g沒有信號輸出，所以調製計數器繼續往下計數，直至計滿128個周波數時，其「128」端輸出脈衝信號，則由於d2仍處於高電平狀態，該脈衝即通過與門2輸出信號e，e一方面輸入調製振蕩器〔10〕，另一面返回門控1、2及調製計數器和控制計數器清「0」，同樣使電路復原後又重複上述過程。與門1、2的輸出信號g及e，即為按頻段fa和fb進行32個和128個周期波調製的PPM脈衝列。相應的輸出信號h及i則是按頻段要求具有不同載波頻率f1及f2的已調PFM-PPM信號，經功放電路〔14〕後，加於發送換能器Z1。
圖2給出信息發送器的電原理圖。傳感器輸出的變頻信號a從IC1輸入經整形、放大和調製輸出間斷信號C，並送入調製計數器IC2。門控1、2由IC3完成。IC4的8～10，5～7，1～3組成與門1～3。IC5為控制計數器，IC7為4KHZ晶振器，IC6為調製振蕩器，IC8為電子開關。T1～T4組成功放電路，Z1為發射換能器。
信息發送器各級的波形如圖3所示。
圖4給出信號接收機電原理方框圖。水聽器Z2的輸出信號經寬帶放大〔15〕後送入具有抗強噪聲性能的數字選頻濾波最佳接收電路〔16〕，該電路具有有效分離PFM信號的優點，其輸出(a)、(b)分別是載波頻率為f1、f2的PFM-PPM信號。經選頻開關〔18〕後，輸出(c)則為和(a)或(b)相對應的原來發送的PPM信號，(c)即送入取樣處理電路。選頻開關由頻段控制電路〔17〕控制。
取樣處理與測量是指在PPM脈衝列中，取任意瞬間的兩個相鄰碼元脈衝所帶的頻率信息，作為該秒內或更長時間內的頻率信息進行測量處理。在每次取樣測量開始前，計數器1〔23〕的輸出端「1」和「2」均是低電平，(d)和(e)均是高電平，與門1〔20〕和與門2〔21〕處於啟開狀態。測量開始時，由(c)輸出的PPM信號到達的第一個碼元脈衝即通過與門1和與門2，其輸出(h)送入計數器1和門控器〔19〕，使(d)在一段時間轉為低電平，這段時間略小於PPM序列中兩個相鄰脈衝的最短間隔時間8ms。同時在(h)的作用下，計數器1的「1」輸出端轉為高電平。在緊接的第二個碼元脈衝到來時，仍可通過該與門1和與門2，其輸出同樣被送入計數器1和門控器，這時計數器1的輸出端「1」轉為低電平，「2」轉為高電平。在第三個碼元脈衝到來時，與門1雖仍再開放，但與門2已關閉，至此電路完成對PPM信號的取樣。以後所有到達的碼元脈衝信號均通不過與門2，直到要進行另一次取樣時，通過對整體電路進行清「0」，使電路恢復到取樣的狀態為止。在取樣過程中，也同時把所取得的兩個相鄰脈衝的間隔時間參數，進行量化、寄存和處理。在取到第一個脈衝後，由於計數器1的輸出端「1」即轉為高電平，所以啟開了與門4〔25〕和與門6〔28〕，10MHZ晶振器〔26〕和1MHZ晶振器〔27〕的時鐘信號分別通過與門4和6，進入計數器2〔29〕和十進計數器〔38〕。10MHZ的信號是產生模擬被測信號用的量化時鐘信號。1MHZ的信號是快速顯示出測量值使用的量化時鐘信號。計數器2的「32」和「128」兩個輸出端，表示每計滿32個或128個數後，分別有信號輸出。但其輸出是否可以通過與門7〔30〕或與門8〔31〕，是受頻段控制器的輸出a和b控制，而頻段控制器的輸出是由數字選頻電路的輸出(a)和(b)決定，並與之相對應。當接收到的信號是fa頻段的信息時，(a)有信號輸出，(b)端沒有信號輸出，與之相對應的頻段控制器的a端為高電平，b端為低電平，反之若(b)有輸出，相對應的b則為高電平。a端和b端同時控制選頻開關，接通相應的(a)或(b)端。設接收到的是fa頻段的信息，即(a)有輸出，a為高電平，與門7被啟開，這時計數器2每計滿32個數後，「32」的輸出信號即通過與門7及或門1〔32〕進入二分頻器1〔33〕，或門1的輸出同時返回計數2進行清「0」，以便繼續重新計數。二分頻器1的輸出，送入取樣時間寄存器〔34〕(它是一個根據被測頻率的最大周期和時鐘脈衝的頻率，選定足夠位數的二進位計數器)。計數器2的「32」和「128」輸出端，是根據原發送的PPM脈衝序列的脈位間隔，系按測量頻段以32個和128個周期波調製而設計的，即把所取樣的PPM兩相鄰脈衝的時間間隔參數，再分離為原調製的32個或128個信號周期進行量化寄存。由於或門1的輸出，要經二分頻器1再進入取樣時間寄存器，所以在寄存器內所寄存的時間參數，僅是實時被測信號的半個周期的時間參數。由於與門4和6是同時被啟開的，在10MHZ的時鐘信號通過與門4進行上述的取樣寄存的同時，1MHZ的時鐘信號也在通過與門6進行取樣計數，即(i)進入十進計數器。電路所進行的上述兩方面的量化、寄存的工作，是在每次取樣第一個碼元脈衝後開始的。當取樣電路取到相鄰到達的第二碼元脈衝時，計數器1的輸出端「1」即轉為低電平，與門4、6也即同時被關閉。至此，電路完成了一次對PPM信號兩個相鄰碼元脈衝的時間間隔的取樣、模數轉換及寄存的工作過程。在「1」轉為低電平的同時，「2」轉為高電平，它一方面通過反相器〔22〕關閉與門2，另方面啟開與門3〔24〕，10MHZ的時鐘信號經與門3輸出(n)，(n)即進入計數器3〔35〕，每當計數器3所計的時鐘脈衝數同取樣時間寄存器內的數相等時，則通過比較器〔36〕輸出一個脈衝信號(p)，它即進入二分頻器2〔37〕，並同時返回計數器3進行清「0」，以便計數器3緊接著重新計數。由於取樣時間寄存器所寄存的時間參數，僅是原被測信號周期的一半，則比較器的輸出信號(p)，其頻率將比原被測信號的頻率高一倍，經二分頻器2以後，即輸出信號(j)的頻率則與原被測信號的頻率相同，所以輸出信號(j)可模擬為取樣瞬間原被測的實時信號。信號從進入寄存器前到最後(j)輸出先後使用二次1/2分頻器，其目的是為達到復原的信號(j)為連續的對稱方波信號，便於後續電路進一步處理測量。(j)的輸出保持至進行另一次取樣測量前為止。在「2」轉為高電平時，它的輸出還同時送入接口電路〔39〕，在「2」的作用下，接口電路把十進計數器內的x，送入計算器，接著按要求指揮計算器進行32/x或128/x的運算。至於是進行32/x或128/x的運算，系由頻段控制器的輸出a、b控制。經上述簡單式子運算後由顯示器〔40〕顯示的數據，即為被測信號的實時頻率值(單位MHZ)，上述的運算如不採用計算器而採用一般的乘、除法器也容易實現。圖6為取樣測量處理的被形圖。
圖5給出信號接收機的電原理圖。IC9完成頻段控制和二分頻器1的功能，IC10的8～10和12～14腳作為與門2和1，IC11的12～14腳為或門1，IC12為門控器，IC13為計數器1，IC14為反相器，IC15的8～10，1～3，5～7腳分別為與門3、4和6，IC16為10MHZ和1MHZ晶振器，IC17為計數器2，IC18的5～7，1～3腳組成與門7和8，IC19和20組成計數器3，IC21和22組成寄存器，IC23～26組成比較器，IC27組成二分頻器2。另外〔38〕為5位十進位計數器，〔39〕為接口電路，〔40〕為計數器顯示，完成32/x或128/x。
圖6給出取樣測量處理的波形圖。
權利要求
1.一種水聲遙測頻率儀，包括信息發送器和信號接收機，其特徵在於(1)、所說的信息發送器包括一個以上(含一個)的海洋要素傳感器、信號處理電路、發射換能器、電源和水密外筒等，信號處理電路包括整形放大電路、調製電路、調製計數器、門控電路、控制計數器、晶振器、與門、調製振蕩器和功放電路等，傳感器的輸出信號經整形放大和調製電路送調製計數器實現PPM方式，再輸出至與門1和2，與門1、2的輸出送調製振蕩器和返回門控1、2以及調製計數器和控制計數器，調製振蕩器輸出的已調PFM-PPM信號經功放電路加於發射換能器，與門的開啟受門控電路和控制計數器的控制；(2)、所說的信號接收機包括接收水聽器(換能器)、寬帶放大電路、數字選頻濾波電路、取樣處理電路和頻率測量顯示電路等，接收水聽器的輸出送寬帶放大電路送數字選頻濾波電路，輸出的PFM-PPM信號，經取樣處理電路後由頻率測量顯示電路輸出復原被測信號和頻率顯示。
2.如權利要求1所述的水聲遙測頻率儀，其特徵在於所說的取樣處理電路包括頻段控制電路、選頻開關、計數器、反相器、與門和門控器等，數字選頻濾波電路分兩頻段輸出分別與頻段控制電路和選頻開關連接，頻段控制電路的輸出分別與選頻開關和頻率測量顯示電路連接，選頻開關的輸出送與門1，門控器的輸出送至與門1，與門1的輸出送與門2，與門2的輸出返回計數器1和門控器，計數器1的輸出送頻率測量顯示電路和反相器，反相器的輸出作為與門2的輸入。
3.如權利要求1所述的水聲遙測頻率儀，其特徵在於所說的頻率測量顯示電路包括晶振器、與門電路、或門、計數器、取樣時間寄存器、比較器、分頻器、計數器顯示器、十進計數器和接口電路等，取樣處理電路的輸出送與門3、4和十進寄存器以及取樣時間寄存器、接口電路，晶振器的時鐘信號通過與門3、4、6進入計數器2、3和十進計數器，計數器2的輸出和頻段控制電路通過與門7、8後接或門，或門的輸出分別與二分頻器1和計數器2連接，二分頻器1的輸出通過取樣時間寄存器後與計數器3的輸出一起輸入比較器，比較器的輸出一路通過二分頻器2後形成方波輸出，另一路送回計數器3，十進計數器的輸出與頻段控制電路的輸出通過接口電路送計數器顯示電路。
全文摘要
本發明提供一種用於直接遙測水聲信號頻率的裝置，它包括信息發送器和信號接收機，發送器採用PFM-PPM方式發送傳輸不同頻段的頻率信息，由傳感器、信號處理電路、發射換能器、電源和水密外筒等組成，而接收機採用取樣接收處理的方法，復原傳感器輸出的實時信號的頻率，由接收水聽器、寬放、數字選頻濾波、取樣處理和頻率測量顯示電路等組成。具有轉換誤差小，簡便，穩定可靠，可在毫秒級實現同時遙測多個信號的頻率，抗幹擾能力強等優點。
文檔編號G01H3/06GK1059202SQ9110888
公開日1992年3月4日 申請日期1991年9月5日 優先權日1991年9月5日
發明者傅仰大, 粘寶卿 申請人:廈門大學