一種仿生聲納頭的製作方法

2023-06-03 19:40:11 1

專利名稱：一種仿生聲納頭的製作方法
技術領域：
本發明屬於傳感器應用領域，特別是一種仿生聲納頭。
背景技術：
當前以超聲換能器為基礎的聲納系統已廣泛使用在的測距及移動機器人避障領域。典型超聲測距系統是一般基於渡越時間檢測法，由超聲換能器、換能器驅動電路及數據採集系統組成，其前端電路用於發射波形為方波的超聲波。聲納頭作為生物聲納系統的前端裝置，需要有較好的高頻性能和較寬的工作頻域，同時也需要具備較高的靈敏度和快速響應能力。生物聲納技術是研究具有自然聲納的生物(蝙蝠、海豚等)的聲納系統，發射的聲納信號為仿生聲納信號(如仿蝙蝠的調頻調幅波見圖幻，當前常用的發射方波的超聲換能器應用電路不能夠滿足生物聲納技術的研究。
發明內容本發明所解決的技術問題在於提供一種仿生生物聲納專用的仿生聲納頭。實現本發明目的的技術解決方案為一種仿生聲納頭，包括聲納信號發射單元和回波接收單元，所述聲納信號發射單元包括發射端靜電式超聲換能器和發射端信號調理電路，發射端信號調理電路將聲納信號源產生的仿生聲納信號傳輸給發射端靜電式超聲換能器，並由其發送出去；所述回波接收單元為雙通道，包括兩組相同的接收端靜電式超聲換能器和接收端信號調理電路，接收端靜電式超聲換能器接收回波並傳輸給接收端信號調理電路，該電路對信號放大濾波後傳輸給信號採集系統。本發明與現有技術相比，其顯著優點為1)本發明的仿生聲納頭可發射包括仿生生物聲納系統採用的仿生聲納信號在內的多種波形的超聲波信號，具有較好的高頻性能和較寬的工作頻域；2)採用仿生單嘴雙耳構型，保留了自然聲納的雙耳差辨特徵和頭部遮擋效應；3)調理放大電路簡單可靠，信噪比高；4)聲納信號發射端發射的空氣聲納信號強度大，數十米範圍內可產生有效回波；5)回波接收端靜電式傳聲波傳感器上所加直流偏置大，回波接收端超聲換能器靈敏度高，能夠接收微弱回波信號。
以下結合附圖對本發明作進一步詳細描述。

圖1為本發明的原理框圖。圖2為發射端信號調理電路原理圖。圖3為接收端信號調理電路原理圖。圖4為耳廓造型示例圖，其中(a)為接收端換能器，(b)為發射端換能器。圖5為仿蝙蝠聲納信號的調頻調幅波。
具體實施方式
[0013]本發明涉及一種新型生物聲納仿生聲納頭，通過一個發射端和兩個接收端來發射與接收仿生聲納信號，模擬自然聲納的嘴巴與雙耳功能，涉及專用低噪音發射端信號調理電路和接收端信號調理電路。結合圖1，一種仿生聲納頭，包括聲納信號發射單元和回波接收單元，所述聲納信號發射單元包括發射端靜電式超聲換能器和發射端信號調理電路，發射端信號調理電路將聲納信號源產生的仿生聲納信號傳輸給發射端靜電式超聲換能器，並由其發送出去；所述回波接收單元為雙通道，包括兩組相同的接收端靜電式超聲換能器和接收端信號調理電路，接收端靜電式超聲換能器接收回波並傳輸給接收端信號調理電路，該電路對信號放大濾波後傳輸給信號採集系統。結合圖2，所述發射端信號調理電路包括依次連接的電壓跟隨器I、第一級放大器 II、第二級放大器及直流偏置電路III，第一級放大器II對電壓跟隨器I傳輸的信號放大後傳輸給第二級放大器及直流偏置電路III，第二級放大器及直流偏置電路III對信號進行處理後輸出；所述電壓跟隨器I包括電位器P1、第一運放U1，電位器Pl的一端與聲納信號源τ_ Vin連接，電位器Pl的另一端接地，電位器Pl的中心抽頭與第一運放Ul的正極輸入端相連接，第一運放Ul的負極輸入端與第一運放Ul的輸出端相連；第一級放大器II包括第一電阻R1、第二電阻R2、第二運放U2，第二運放U2的正極輸入端與第一運放Ul的輸出端相連接，第二運放U2的負極輸入端通過第二電阻R2接地， 該負極輸入端還通過第一電阻Rl與第二運放U2的輸出端相連；第二級放大器及直流偏置電路III包括第三電阻R3、第四電阻R4、第三運放U3、發射端直流負壓源T_DC、可變電阻RS、第五電阻R5，第三電阻R3的一端與第二運放U2的輸出端相連接，第三電阻R3的另一端通過第五電阻R5與可變電阻RS的一端相連接，可變電阻 RS的另一端與發射端直流負壓源T_DC相連接，第三運放U3的負極輸入端通過第四電阻R4 與第三運放U3的輸出端相連接，第三運放U3的正極輸入端接地，第三運放U3的輸出端即為發射端信號調理電路的輸出端T_Vout。第三運放U3採用晶片PA88。結合圖3，接收端信號調理電路包括依次連接的直流偏置電路A、第一級有源二階帶通濾波器B、第二級有源二階帶通濾波器C、電壓跟隨器D，所述直流偏置電路A包括接收端直流電壓源R_DC、第六電阻R6，接收端直流電壓源R_DC通過第六電阻R6與回波信號輸入端R_Vin相連接；第一級有源二階帶通濾波器B包括第一電容Cl、第二電容C2、第七電阻R7、第八電阻R8、第四運放U4，第一電容Cl的一端與回波信號輸入端R_Vin相連接，第一電容Cl的另一端通過第七電阻R7與第四運放U4的負極輸入端相連接，第四運放U4的負極輸入端通過第八電阻R8與第四運放U4的輸出端相連接，第二電容C2與第八電阻R8相併聯，第四運放 U4的正極輸入端接地；第二級有源二階帶通濾波器C包括第三電容C3、第四電容C4、第九電阻R9、第十電阻R10、第五運放TO，第三電容C3的一端與第四運放U4的輸出端相連接，第三電容C3的另一端通過第九電阻R9與第五運放TO的負極輸入端相連接，第五運放TO的負極輸入端通過第十電阻RlO與第五運放U5的輸出端相連接，第四電容C4與第十電阻RlO相併聯，第五運放TO的正極輸入端接地；[0022]電壓跟隨器D包括第六運放U6和第十一電阻Rl 1，第六運放TO的負極輸入端和第六運放TO的輸出端相連接，第六運放TO的正極輸入端接地，第十一電阻Rll的一端接第六運放U6的輸出端，第十一電阻Rll的另一端即為接收端信號調理電路的輸出端R_Vout。第四運放U4、第五運放U5選用運放0PA637AM，第六運放U6採用運放LM7171AIM。兩個接收端靜電式超聲換能器對稱設置在發射端靜電式超聲換能器的兩側，兩個接收端靜電式超聲換能器直接設置阻隔體，兩個接收端靜電式超聲換能器外側設置外耳廓。所述阻隔體採用仿生材料(如合成與蝙蝠皮膚具有相似彈性模量的有機材料)和造型 (阻隔體造型按照蝙蝠臉部立體造型設計)，接收端靜電式超聲換能器外側的外耳廓為暴露型(無耳廓無阻隔體)、圓錐型(即喇叭狀耳廓)、仿生皺摺型(如圖4模仿蝙蝠耳廓的皺褶形狀)，保留了自然生物聲納的雙耳聲差特徵和頭遮擋效應。下面結合實施例對本發明做進一步詳細的描述如圖1所示，聲納信號源發出的電信號輸入發射端信號調理電路，經發射端靜電式超聲換能器轉換成向環境或目標發射的聲納信號，接收端靜電式超聲換能器將被目標或障礙物發射回來的回波轉換成電信號後傳輸給後續的接收端信號調理電路，接收端信號調理電路將電信號放大濾波。發射端靜電式超聲換能器選用SenSComp7000，兩個發射端靜電式換能器選用 SenSCOmp600，發射端信號調理電路電壓跟隨器和第一級放大所用運放選用集成兩個運放的TLE2072第二級放大所用運放選用PA88，接收端信號調理電路第一級有源二階帶通濾波器和第二級有源二階帶通濾波器選用運放0PA637AM，電壓跟隨器所用運放選用 LM7171AIM。聲納信號源輸出的聲納信號經電壓跟隨器以及兩級放大後，驅動發射端靜電式超聲換能器向環境目標或人工目標發射聲納信號，聲納信號遇到目標或障礙產生回波，兩個接收端靜電式超聲傳感器同時接收回波信號，後續接收端信號調理電路對兩路回波信號分別作兩級放大及有源濾波器的濾波後經電壓跟隨器輸出。採用電壓跟隨器的作用是提高電路的負載能力，直流偏置電路為靜電式超聲換能器提供足夠直流偏置起到提高換能器靈敏度的作用，發射端信號調理電路第十一電阻Rll的作用是與傳輸線實現阻抗匹配提高輸出功率。聲納頭結構採用仿自然聲納蝙蝠或海豚的嘴巴雙耳構型，外耳廓暴露型，雙耳中間部分採取開放構型(無阻隔體)。
權利要求1.一種仿生聲納頭，其特徵在於，包括聲納信號發射單元和回波接收單元，所述聲納信號發射單元包括發射端靜電式超聲換能器和發射端信號調理電路，發射端信號調理電路將聲納信號源產生的仿生聲納信號傳輸給發射端靜電式超聲換能器，並由其發送出去；所述回波接收單元為雙通道，包括兩組相同的接收端靜電式超聲換能器和接收端信號調理電路，接收端靜電式超聲換能器接收回波並傳輸給接收端信號調理電路，該電路對信號放大濾波後傳輸給信號採集系統。
2.根據權利要求1所述的仿生聲納頭，其特徵在於，所述發射端信號調理電路包括依次連接的電壓跟隨器[I]、第一級放大器[II]、第二級放大器及直流偏置電路[III]，第一級放大器[II]對電壓跟隨器[I]傳輸的信號放大後傳輸給第二級放大器及直流偏置電路 [III]，第二級放大器及直流偏置電路[III]對信號進行處理後輸出；所述電壓跟隨器[I]包括電位器[P1]、第一運放[U1]，電位器[P1]的一端與聲納信號源[T_Vin]連接，電位器[P1]的另一端接地，電位器[P1]的中心抽頭與第一運放[U1]的正極輸入端相連接，第一運放[U1]的負極輸入端與第一運放[U1]的輸出端相連；第一級放大器[II]包括第一電阻[R1]、第二電阻[R2]、第二運放[U2]，第二運放[U2] 的正極輸入端與第一運放[U1]的輸出端相連接，第二運放[U2]的負極輸入端通過第二電阻[R2]接地，該負極輸入端還通過第一電阻[R1]與第二運放[U2]的輸出端相連；第二級放大器及直流偏置電路[III]包括第三電阻[R3]、第四電阻[R4]、第三運放 [U3]、發射端直流負壓源[T_DC]、可變電阻[RS]、第五電阻[R5]，第三電阻[R3]的一端與第二運放[U2]的輸出端相連接，第三電阻[R3]的另一端通過第五電阻[R5]與可變電阻[RS] 的一端相連接，可變電阻[RS]的另一端與發射端直流負壓源[T_DC]相連接，第三運放[U3] 的負極輸入端通過第四電阻[R4]與第三運放[U3]的輸出端相連接，第三運放[U3]的正極輸入端接地，第三運放[U3]的輸出端即為發射端信號調理電路的輸出端[T_Vout]。
3.根據權利要求1所述的仿生聲納頭，其特徵在於，接收端信號調理電路包括依次連接的直流偏置電路[A]、第一級有源二階帶通濾波器[B]、第二級有源二階帶通濾波器[C]、 電壓跟隨器[D]，所述直流偏置電路[A]包括接收端直流電壓源[R_DC]、第六電阻[R6]，接收端直流電壓源[R_DC]通過第六電阻[R6]與回波信號輸入端[R_Vin]相連接；第一級有源二階帶通濾波器[B]包括第一電容[Cl]、第二電容[C2]、第七電阻[R7]、第八電阻[R8]、第四運放[U4]，第一電容[Cl]的一端與回波信號輸入端[R_Vin]相連接，第一電容[Cl]的另一端通過第七電阻[R7]與第四運放[U4]的負極輸入端相連接，第四運放 [U4]的負極輸入端通過第八電阻[R8]與第四運放[U4]的輸出端相連接，第二電容[C2]與第八電阻[R8]相併聯，第四運放[U4]的正極輸入端接地；第二級有源二階帶通濾波器[C]包括第三電容[C3]、第四電容[C4]、第九電阻[R9]、第十電阻[R10]、第五運放山5]，第三電容[C3]的一端與第四運放[U4]的輸出端相連接，第三電容[C3]的另一端通過第九電阻[R9]與第五運放[U5]的負極輸入端相連接，第五運放 [U5]的負極輸入端通過第十電阻[R10]與第五運放[U5]的輸出端相連接，第四電容[C4] 與第十電阻[R10]相併聯，第五運放[U5]的正極輸入端接地；電壓跟隨器[D]包括第六運放[U6]和第十一電阻[R11]，第六運放[U6]的負極輸入端和第六運放[U6]的輸出端相連接，第六運放[U6]的正極輸入端接地，第十一電阻[R11] 的一端接第六運放[U6]的輸出端，第十一電阻[R11]的另一端即為接收端信號調理電路的輸出端[R_Vout]。
4.根據權利要求2所述的仿生聲納頭，其特徵在於，第三運放[U3]採用晶片PA88。
5.根據權利要求3所述的仿生聲納頭，其特徵在於，第四運放[U4]、第五運放[U5]選用運放0PA637AM，第六運放[U6]採用運放LM7171AIM。
6.根據權利要求1所述的仿生聲納頭，其特徵在於，兩個接收端靜電式超聲換能器對稱設置在發射端靜電式超聲換能器的兩側，兩個接收端靜電式超聲換能器直接設置阻隔體，兩個接收端靜電式超聲換能器外側設置外耳廓。
7.根據權利要求6所述的仿生聲納頭，其特徵在於，所述阻隔體採用仿生材料和造型， 接收端靜電式超聲換能器外側的外耳廓為暴露型、圓錐型、仿生皺摺型。
專利摘要本實用新型涉及一種新型生物聲納仿生聲納頭，採用仿生單嘴雙耳構型，通過一個發射端和兩個接收端來發射與接收仿生聲納信號，模擬自然聲納單嘴雙耳的識物功能。該聲納頭主要由發射端和接收端靜電式超聲波換能器、發射端信號調理電路、接收端信號調理電路和仿生外殼組成。聲納信號源輸入的聲納信號經發射端信號調理電路放大後由發射端靜電式超聲波換能器向環境目標或人工目標發射聲納信號，被目標或障礙物反射回來的回波信號由接收端靜電式超聲波換能器轉換為電信號並經過接收端調理電路放大濾波後輸出給信號採集系統。
文檔編號G01S15/02GK201984154SQ201020642910
公開日2011年9月21日 申請日期2010年12月6日 優先權日2010年12月6日
發明者楊華, 王猛, 王茂森, 章鵬, 陳明霞 申請人:南京理工大學, 王茂森